Пьезорезонансный датчик расхода

 

Изобретение относится к конструкции датчиков на поверхностных акустических волнах (ПАВ) и может быть использовано для расходометрии, катарометрии в хроматографии, измерения и контроля температуры, теплового неразрушающего контроля. Целью изобретения является повышение чувствительности и надежности. Пьезорезонансный датчик расхода содержит устройство на ПАВ, выполненное в виде размещенной на пьезоэлектрической подложке полосковой тонкопленочной преобразовательной структуры с двумя встречно-штыревыми преобразователями (ВШП), автогенераторный усилитель, подключенный между преобразовательными контактными площадками, источник тока нагрева. Отражательная структура содержит два отражателя резонатора ПАВ, выполненные секционированными в виде групп полосок и расположенные по обе стороны от преобразователей. Полоски в секциях замкнуты с обоих концов отрезками шин, секции соединены между собой электрически последовательно с помощью отрезков шин каждой из секций, продолженных в направлении к преобразотелям до соединения с отрезком шины соседней секции. Между преобразователями до соединения с отрезком шины соседней секции размещена дополнительная замкнутая секционированная полосковая тонкопленочная структура, отношение пространственных периодов структур дополнительной и отражательно-преобразовательной равно 1,5. Каждая из противолежащих по одной из диагоналей контактных площадок преобразователей продолжена в обе стороны до соединения с ближайшими к ней отрезками шин секций отражателя и дополнительной структуры. Источник тока нагрева присоединен к крайним отрезкам шин отражателей. 1 ил.

Изобретение относится к конструкции датчиков на поверхностных акустических волнах (ПАВ) и может быть использовано для расходометрии, катарометрии в хроматографии, измерения и контроля температуры, теплового неразрушающего контроля. Известен дифференциальный тепловой ПАВ-датчик, выполненный на основе двух ПАВ-линий задержки, соединенных каждая с автогенераторным усилителем, так что информативной оказывается разностная частота этих автогенераторов. (При этом контролируемый объект контактирует с одним из чувствительных элементов с одной из ПАВ-линий задержки). Недостатком известного ПАВ-датчика является низкая чувствительность. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к изобретению является ПАВ-датчик газовый расходомер (анемометр), который также содержит в качестве чувствительного элемента линию задержки. При этом за счет нагрева от источника тока пленочного сплошного электрода, размещенного на пьезоподложке линии задержки в акустическом пути между встречно-штыревыми преобразователями (ВШП) увеличивается разность температур линии задержки и контролируемой среды, следовательно, увеличивается и чувствительность датчика к изменению контролируемой температуры или другого параметра среды, в данном случае скорости газового потока, обдувающего датчик. Однако в известном датчике малы чувствительность и надежность. Целью изобретения является повышение чувствительности и надежности. Указанная цель достигается тем, что в пьезорезонансном датчике расхода, содержащем устройство на поверхностных акустических волнах, выполненное в виде размещенной на пьезоэлектрической подложке полосковой тонкопленочной структуры с двумя встречно-штыревыми преобразователями, автогенераторный усилитель, подключенный между преобразовательными контактными площадками, источник тока нагрева, электрически соединенный с тонкопленочной структурой, содержащей два отражателя резонатора поверхностных акустических волн, выполненных секционированными в виде групп полосок и расположенных по обе стороны от преобразователей, полоски в секциях замкнуты с обоих концов отрезками шин, секции соединены между собой электрически последовательно с помощью отрезков шин каждой из секций, продолженных в направлении к преобразователям до соединения с отрезком шины соседней секции, между преобразователями размещена дополнительная замкнутая секционированная полосковая тонкопленочная структура, отношение пространственных периодов структур дополнительной и отражательно-преобразовательной равно 1,5, каждая из противолежащих по одной из диагоналей контактных площадок преобразователей продолжены в обе стороны до соединения с ближайшими к ней отрезками шин секций отражателя и дополнительной структуры, источник тока нагрева присоединен к крайним отрезкам шин секций отражателей. Источник нагрева (электрод) одновременно является и полосковой структурой ВШП и отражателей ПАВ-устройства и поэтому размещен он не на части акустического пути, как по прототипу, а на всем его протяжении, включая и полость между отражателями и преобразователями, что обеспечивается дополнительной структурой. При этом отношение периодов структур дополнительной и отражательно-преобразовательной, равное 1,5, выбрано, с одной стороны, из необходимости не взаимодействия ПАВ с дополнительной структурой, что требует значительного отличия ее периода от периода структуры отражателей и преобразователей. С другой стороны, при большом различии периодов нагрев структуры неравномерен и вероятность перегорания сравнительно намного более узких полосков велика, что снижает надежность датчика (к тому же такая структура нетехнологична). На чертеже схематически изображен пьезорезонансный датчик расхода. Датчик содержит ПАВ-резонатор, включающий размещенные на пьезоэлектрической подложке 1 два отражателя 2 и 3, выполненные в виде групп полосок 2_m и 3_m, замкнутые с обоих их концов отрезками шин 2_n и 3_n секции полосков соединены между собой электрически последовательно с помощью этих отрезков, отражатели 2 и 3 расположены по обе стороны от двух встречно-штыревых преобразователей 4 и 5 с полосками (штырями) 4_n и 5_n, контактными площадками 4_k и 5_k, между ВШП 4 и 5 размещена дополнительная структура 6 с аналогичными отражательными элементами: секциями с полосками 6_n, замкнутыми отрезками шин 6_m, и с пространственным периодом d_д 1,5d, где d пространственный период структуры отражателей и ВШП, при этом противолежащие по одной из диагоналей контактные площадки ВШП соединены с ближайшими к ним отрезками шин секций отражателей и дополнительной структуры, контактные площадки (свободные) другой диагонали соединены с автогенераторным усилителем 7, питаемым блоком питания 8, источник тока нагрева 9 присоединен к крайним отрезкам шин секций отражателей 2 и 3, частотомер 10. Работает датчик следующим образом. При включении блока питания 9 автогенератор, состоящий из усилителя 7 и ПАВ-резонатора, начинает вырабатывать электрический сигнал на резонансной частоте ПАВ-резонатора. Затем после включения источника тока нагрева 8 полоски структуры нагревают подложку, так что резонансная и, соответственно, выходная (информативная) частоты изменяются до значения, являющегося начальным. При использовании датчика в качестве расходомера (анемометра), как в прототипе, контролируемый поток газа, омывая датчик, охлаждает его тем больше, чем больше скорость потока. При этом частоты резонансная и, соответственно, выходная изменяются пропорционально изменению температуры датчика пропорционально скорости потока. Изменение частоты регистрируется частотомером, непосредственно соединенным с выходом датчика или при дифференциальном включении его вместе с идентичным, нагреваемым от того же источника, но не взаимодействующим с контролируемым потоком датчика, частотомер регистрирует их разностную частоту, так что все влияния на датчик, кроме контролируемого потока, исключаются. Датчик по схеме предложения использовался в качестве газового расходомера. Его чувствительный элемент ПАВ-резонатор выполнялся на подложке YZ-cреза ниобата лития с алюминиевой полосковой структурой на частоту около 70 МГц, толщиной пленки 0,1 мкм, апертурой 50 длин ПАВ, общим числом полосок отражателя 200, периодом d 24 мкм соответственно ширинами полосок и промежутков b 12 мкм, числом штырей ВШП-7, числом секций в каждом из отражателей 20, числом полосок в секции 10. (Здесь, по-видимому, необходимо пояснить, минимальный ток нагрева для данной структуры обеспечивался бы при числе полосок в секциях, равном 1, но надежность такого устройства была бы мала по другой причине: разрыв (в том числе перегорание) одной только полоски приводил бы к выходу из строя всего устройства в целом. При числе полосок в секции, большем 1, разрыв одной из полосок приводит к возрастанию по сравнению с другими сопротивления этой секции и, соответственно, энергии на ней, выделяющейся тем, больше, чем меньше количество полосок в секции. Так что последнее определяется, как видно, с одной стороны, из максимально допустимого тока, с другой разброса сопротивлений полосок). Использование предлагаемого датчика позволяет повысить чувствительность, а следовательно, и ее порог разрешение и надежность датчика, упростить блок управления током нагрева (источник тока нагрева) в случае использования предлагаемой конструкции для термостатирования, слежения и т.п.

Формула изобретения

ПЬЕЗОРЕЗОНАНСНЫЙ ДАТЧИК РАСХОДА, содержащий чувствительный элемент в виде пьезоэлектрической подложки, на поверхность которой нанесены две встречно-штыревые преобразовательные структуры, автогенераторный усилитель, входы которого соединены соответственно с контактной площадкой выходного ВШП и выходом блока питания, а выход соединен одновременно с входом частотомера и контактной площадкой входного ВШП, а также источник тока нагрева, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности и надежности, на поверхность пьезоэлектрической подложки дополнительно нанесены отражатели резонатора поверхностных акустических волн (ПАВ), выполненные секционированными в виде групп полосок, расположенных по обе стороны от ВШП, полоски в секциях замкнуты с обеих концов отрезками шин, секции соединены между собой электрически последовательно с помощью отрезков шин каждой из секций, продолженных в направлении к преобразователям до соединения с отрезком шины соседней секции, между преобразователями размещена дополнительная замкнутая секционированная полосковая структура, отношение пространственных периодов структур дополнительной и отражательно-преобразовательной равно 1,5, каждая из противолежащих по одной из диагоналей контактных площадок продолжена в обе стороны до соединения с ближайшими к ней отрезками шин секций отражателя и дополнительной структуры, а источник тока нагрева соединен с крайними отрезками шин секций отражателей.

РИСУНКИ

Рисунок 1