Двухвходовый резонатор на поверхностных акустических волнах для измерения деформации

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в приборостроении и машиностроении для измерения деформации, а также сосредоточенных сил, давления газов и жидкостей. Техническим результатом изобретения является повышение точности измерения деформации за счет увеличения девиации частоты резонатора. Резонатор состоит из пьезоплаты, на поверхности которой сформированы два встречно-штыревых преобразователя и эквидистантные отражающие структуры, выполненные в виде отражающих канавок и расположенные по обе стороны от пары встречно-штыревых преобразователей. Отражающие структуры расположены с периодом, равным , ширина канавки равна , скважность больше 1, λ - длина поверхностной акустической волны, n - целое число, большее или равное 1, m - целое число, большее или равное 1. Встречно-штыревые преобразователи могут быть выполнены неэквидистантными. 3 з.п. ф-лы, 2 ил., 1 табл.

 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в приборостроении и машиностроении для измерения деформации, а также сосредоточенных сил, давления газов и жидкостей.

Известен одновходовый резонатор (Зеленка И. Пьезоэлектрические резонаторы на объемных и поверхностных акустических волнах. М.: Мир, 1990. 584 с.), состоящий из встречно-штыревого преобразователя (ВПШ) и расположенных по обе стороны от ВШП металлизированных штыревых отражающих структур. Период следования штырей в ВШП равен , λ - длина поверхностной акустической волны, скважность равна 2. Период следования штырей в отражающих структурах равен , λ - длина поверхностной акустической волны, скважность равна 2. Недостатком этих резонаторов, применительно к измерению деформаций, является малая девиация частоты, и, как следствие, низкая чувствительность и точность.

Известен одновходовый резонатор (Зеленка И. Пьезоэлектрические резонаторы на объемных и поверхностных акустических волнах. М.: Мир, 1990. 584 с.), состоящий из ВШП и расположенных на пьезоплате по обе стороны от ВШП отражающих структур в виде периодической системы канавок. Период следования штырей в ВШП равен , λ - длина поверхностной акустической волны, скважность равна 2. Период следования канавок в отражающих структурах равен , скважность равна 2. По сравнению с одновходовыми резонаторами с металлизированными штыревыми отражающими структурами, одновходовые резонаторы с отражающими структурами в виде периодической системы канавок имеют большую добротность. Недостатком этих резонаторов, применительно к измерению деформаций, также является малая девиация частоты, и, как следствие, низкая чувствительность и точность.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является двухвходовый резонатор на поверхностных акустических волнах (ПАВ) (Зеленка И. Пьезоэлектрические резонаторы на объемных и поверхностных акустических волнах. М.: Мир, 1990. 584 с.), состоящий из двух ВШП, расположенных на пьезоплате напротив друг друга, и расположенных на пьезоплате по обе стороны от пары ВШП отражающих структур в виде периодической системы канавок. Период следования штырей в ВШП равен , λ - длина поверхностной акустической волны, скважность равна 2. Период следования канавок в отражающих структурах равен , скважность равна 2.

Достоинством двухвходовых резонаторов по сравнению с одновходовыми является простота реализации радиотехнических устройств на основе резонаторов (Зеленка И. Пьезоэлектрические резонаторы на объемных и поверхностных акустических волнах. М.: Мир, 1990. 584 с.). Недостатком этих резонаторов, применительно к измерению деформаций, является низкая добротность, малая девиация частоты, и, как следствие, низкая чувствительность и точность.

Причиной, препятствующей получению указанного ниже технического результата при использовании для измерения деформаций известного двухвходового резонатора-прототипа, является следующий его недостаток: абсолютное значение девиации частоты ограничено предельно допустимой деформацией кристаллического материала, на котором выполнен резонатор.

Задачей настоящего изобретения является повышение точности измерения деформации.

Технический результат достигается тем, что в двухвходовом резонаторе на поверхностных акустических волнах для измерения деформации, состоящем из пьезоплаты, на поверхности которой сформированы два встречно-штыревых преобразователя и эквидистантные отражающие структуры, выполненные в виде отражающих канавок и расположенные по обе стороны от пары встречно-штыревых преобразователей, отражающие структуры расположены с периодом, равным ширина канавки равна , скважность больше 1, λ - длина поверхностной акустической волны, n и m - целые числа, большие или равные 1, сумма которых ограничена лишь требованиями к габаритам и добротности резонатора.

Увеличение периода следования отражающих канавок более чем в N раз, если - целое число, приводит в процессе измерения деформации к увеличению допустимой абсолютной деформации канавок также в N раз, и, соответственно, увеличению девиации частоты также в N раз, без превышения предельно допустимой относительной деформации кристаллического материала, на котором выполнен резонатор. Неэквидистантность ВШП резонатора обеспечивает постоянство вносимого затухания во всем диапазоне измеряемых частот, соответствующих измеряемым деформациям. Увеличение девиации частоты в процессе измерения позволяет существенно повысить точность измерения деформации и снизить погрешности измерений.

Проведенный заявителем анализ уровня техники установил, что аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественными всем признакам заявленного устройства, двухвходовому резонатору на поверхностных акустических волнах для измерения деформации, отсутствуют, следовательно, заявленное изобретение соответствует условию "новизна". В настоящее время автору неизвестны двухвходовые резонаторы на поверхностных акустических волнах для измерения деформации, которые позволяли бы проводить измерение деформации с такой точностью, которую обеспечивает предлагаемая конструкция резонатора на поверхностных акустических волнах для измерения деформации.

Результаты поиска известных технических решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипов признаками заявленного изобретения, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники.

Из определенного заявителем уровня техники не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение указанного технического результата, следовательно, заявленное изобретение соответствует "изобретательскому уровню".

Сущность изобретения поясняется чертежами, где:

на фиг.1 приведена структура двухвходового резонатора на поверхностных акустических волнах для измерения деформации;

на фиг.2 приведена топология отражающих структур.

Двухвходовый резонатор на поверхностных акустических волнах для измерения деформации (фиг.1) состоит из пьезоплаты 1.1, на которой сформированы входной ВШП 1.2 резонатора, выходной ВШП 1.3 резонатора и отражающие структуры 1.4.

В общем случае, в соответствии с фиг.2 и фиг.1, ширина (а) расположенной на пьезоплате 2.2 канавки 2.1 и период следования канавок (d) в отражающих структурах 1.4 связаны следующими соотношениями:

ширина канавки

период следования канавок

скважность равна s - число, большее 1, n - целое число, большее или равное 1, m - целое число, большее или равное 1, λ - длина поверхностной акустической волны.

Например, когда скважность для отражающих структур равна 2, ширина (а) расположенной на пьезоплате 2.2 канавки 2.1 и период следования канавок (d) связаны следующими соотношениями:

ширина канавки

период следования канавок

скважность равна , n - целое число, большее или равное 1.

Предложенный резонатор реализуется также с периодом отражающих структур, кратным четверти длины поверхностной акустической волны.

На пьезоплате 1.1 ВШП резонатора на ПАВ выполнены эквидистантными. На фиг.2 показана топология отражающих структур, выполненных в виде канавок. Канавки 2.1 заглублены относительно поверхности пьезоплаты 2.2 и отражающая структура является эквидистантной, а ее параметры определяются формулами (3) и (4).

Формирование ВШП реализовано по технологии фотолитографии и травления [1, 2]. Могут быть использованы и другие технологические процессы формирования металлических структур на пьезоплатах. Формирование канавок отражающих структур реализовано по технологии травления через маску [2].

Устройство работает следующим образом. При деформации пьезоплаты 1.1 изменяются геометрический размер штырей (электродов) входного ВШП 1.2 резонатора, выходного ВШП 1.3 резонатора, расстояния между электродами, ширина и период следования канавок 2.1 отражающих структур 1.4. В соответствии с условием акустического синхронизма [1, 2] изменяется и резонансная частота резонатора. Величина девиации частоты зависит от местного относительного удлинения и местной скорости ПАВ, а также от абсолютного изменения геометрических размеров штырей входного ВШП 1.2 резонатора, выходного ВШП 1.3 резонатора и канавок 2.1 отражающих структур 1.4.

В предлагаемой конструкции увеличивается (по сравнению с прототипом и известными аналогами [1, 2]) ширина отражающих канавок в соответствии с формулой (1), а период следования отражающих канавок - в соответствии с формулой (2), т.е. более чем в N раз по сравнению с прототипом, что при N, равном целому числу, приводит к увеличению допустимой абсолютной деформации канавок также более чем в N раз при той же предельно допустимой относительной деформации, что и у прототипа, и, соответственно, к увеличению девиации собственной частоты резонатора также более чем в N раз, без превышения предельной относительной деформации кристаллического материала, на котором выполнен резонатор. Неэквидистантность ВШП или отражающих структур резонатора обеспечивает постоянство вносимого затухания во всем диапазоне рабочих частот и деформаций.

Существенное (в N раз) увеличение девиации частоты позволяет существенно повысить точность измерения деформации и снизить погрешности измерений даже при незначительном снижении добротности.

Также неэквидистантность ВШП обеспечивает возможность корректировки неравномерности деформации пьезоплаты.

Величина собственной частоты резонатора измеряется, например, по амплитудно-частотной характеристике (например, с использованием сетевого анализатора HP E5070B) или с использованием генераторных схем [1]. На основе градуировочной зависимости (частота - деформация) изменению собственной частоты можно соотнести величину деформации.

Таким образом, предложенный резонатор на поверхностных акустических волнах для измерения деформации является высокоточным устройством для измерения деформации, а также связанных с деформацией параметров: сосредоточенных сил, давления газов и жидкостей.

Библиографические данные

1. Зеленка И. Пьезоэлектрические резонаторы на объемных и поверхностных акустических волнах. М.: Мир, 1990. 584 с.

2. Морган Д. Устройства обработки сигналов на поверхностных акустических волнах / Пер. с англ. М.: Радио и связь, 1990. 416 с.

1. Двухвходовый резонатор на поверхностных акустических волнах для измерения деформации, состоящий из пьезоплаты, на поверхности которой сформированы два встречно-штыревых преобразователя и эквидистантные отражающие структуры, выполненные в виде отражающих канавок и расположенные по обе стороны от пары встречно-штыревых преобразователей, отличающийся тем, что отражающие структуры расположены с периодом, равным , ширина канавки равна , скважность больше 1, λ - длина поверхностной акустической волны, n - целое число, большее или равное 1, m - целое число, большее или равное 1.

2. Резонатор на поверхностных акустических волнах для измерения деформации по п.1, отличающийся тем, что период отражающих структур кратен четверти длины поверхностной акустической волны.

3. Резонатор на поверхностных акустических волнах для измерения деформации по п.1, отличающийся тем, что скважность следования отражающих структур равна 2.

4. Резонатор на поверхностных акустических волнах для измерения деформации по п.1, отличающийся тем, что встречно-штыревые преобразователи выполнены неэквидистантными.