Чувствительный элемент для измерения физических величин

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в приборостроении и машиностроении для измерения физических величин, например температуры, давления, деформации. Техническим результатом изобретения является повышение чувствительности чувствительного элемента к изменению измеряемой физической величины. Чувствительный элемент для измерения физических величин состоит из пьезоплаты, на поверхности которой сформированы не менее одного встречно-штыревого преобразователя и не менее двух отражающих структур, расположенных с двух сторон от встречно-штыревого преобразователя и выполненных в виде системы канавок на поверхности пьезоплаты с переменным периодом. Встречно-штыревые преобразователи и отражающие структуры расположены под разными углами к линии базового среза пластины пьезоэлектрика. Встречно-штыревые преобразователи расположены так, что возбуждение поверхностных акустических волн происходит в направлении максимума коэффициента электромеханической связи. Отражающие структуры расположены с двух сторон от встречно-штыревых преобразователей в направлениях с наибольшей чувствительностью к изменению измеряемой физической величины. 1 ил.

 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в приборостроении и машиностроении для измерения физических величин, например температуры, давления, деформации.

Известен чувствительный элемент [1, pp.1-15] для измерения физических величин (температуры, давления, деформации), представляющий собой линию задержки на поверхностных акустических волнах (ПАВ), состоящий из двух встречно-штыревых преобразователей (ВШП), расположенных на пьезоплате напротив друг друга. Период следования штырей в ВШП равен , λ - длина поверхностной акустической волны, скважность равна 2. В качестве информационного сигнала используется время задержки.

Недостатком этих чувствительных элементов для измерения физических величин является низкая чувствительность измерения.

Известен также чувствительный элемент для измерения физических величин [2, стр.388-389], представляющий собой одновходовый резонатор, состоящий из ВШП структуры и расположенных по обе стороны от ВШП металлизированных штыревых отражающих структур. Период следования штырей в отражающих структурах равен , λ - длина поверхностной акустической волны, скважность равна 2. В качестве информационного сигнала используется собственная (резонансная) частота резонатора. Недостатком этих резонаторов применительно к измерению физических (температуры, давления, деформации) величин является малая девиация частоты и, как следствие, низкая чувствительность к измеряемой физической величине.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является чувствительный элемент для измерения физических величин [1, pp.1-15], представляющий собой дисперсионную линию задержки, состоящий из ВШП и расположенных на пьезоплате с одной стороны от ВШП отражающих структур (ОС) в виде системы канавок с переменным периодом, образующих дисперсионную структуру. В качестве информационного сигнала используется время задержки.

Недостатком этого известного чувствительного элемента, выбранного в качестве прототипа, является то, что абсолютное значение девиации времени задержки ограничено геометрическими размерами пьезоплаты, потерями на распространение ПАВ в материале, низкой чувствительностью используемых кристаллографических срезов (т.е. ориентации плоскости, в которой распространяется волна, по отношению к границам кристалла пьезоэлектрика) к измеряемым физическим величинам, что приводит к малой чувствительности чувствительного элемента к изменению измеряемой физической величины.

Задачей настоящего изобретения является повышение чувствительности чувствительного элемента к изменению измеряемой физической величины.

Технический результат достигается тем, в чувствительном элементе для измерения физических величин, состоящем из пьезоплаты, на поверхности которой сформированы не менее одного встречно-штыревого преобразователя и не менее двух отражающих структур, встречно-штыревые преобразователи и отражающие структуры расположены под разными углами к линии базового среза пластины пьезоэлектрика, достигая при этом более эффективного соотношения чувствительности к изменению физических величин и вносимых потерь.

Вносимые потери чувствительного элемента для измерения физических величин определяют радиус действия чувствительного элемента. Радиус действия чувствительного элемента определяется как максимальное расстояние между приемо-передающим устройством и чувствительным элементом, на котором возможно считывание информации (измерение физической величины) с чувствительного элемента. Как правило, минимум потерь и максимум чувствительности достигаются на разных направлениях распространения ПАВ.

Пьезоэффект характерен только для анизотропных материалов, т.е. материалов, внутренняя структура которых не имеет центра симметрии. В анизотропных материалах существует зависимость свойств среды от направления распространения волн. Характеристики распространения волн (скорость, затухание и др.) зависят не только от вида кристалла, но и от выбранного кристаллографического среза. Наиболее значимыми характеристиками среды для датчиков физических величин являются чувствительность к изменению физических величин и вносимые потери на пути распространения ПАВ, определяемые в большей мере коэффициентом электромеханической связи (КЭМС).

Одной из важнейших характеристик для датчиков физических величин является чувствительность к изменению физических величин, т.е. зависимость скорости распространения ПАВ от измеряемой физической величины (деформация, температура, механическое напряжение, давление). Можно соотнести время задержки сигнала принятого, относительно излученного, с измеряемой физической величиной и по изменению времени задержки оценить изменение физической величины.

Чем больше изменяется скорость (или время задержки) от изменения физической величины, тем более чувствителен чувствительный элемент.

Второй важнейшей характеристикой датчиков физических величин являются вносимые потери, которые могут быть представлены в виде явной функции коэффициента электромеханической связи (КЭМС).

КЭМС - величина, определяющая соотношение между электрической и механической энергиями в пьезоэлектрике.

КЭМС характеризует эффективность возбуждения ПАВ и соответствующие потери энергии в пассивном датчике.

Квадрат КЭМС можно выразить следующим соотношением [2, стр.24]:

где W₁, W₂, W₁₂ - соответственно: энергия механических колебаний (механическая энергия); энергия электрических колебаний (электрическая энергия); энергия взаимодействия механических и электрических колебаний (пьезоэлектрическая энергия).

Зависимости чувствительности к изменению физических величин (температура, давление, деформация) и вносимых потерь (КЭМС) от направления распространения ПАВ нелинейны и имеют свои максимумы при разных значениях угла распространения [3, pp.209-210, fig.14-17].

Так, например, для среза кварца (0; 60; 0) зависимость чувствительности к изменению физических величин от угла распространения имеет максимум при очень низком значении КЭМС, что затрудняет использование данного среза в чувствительных элементах для измерения физических величин.

Эффективно использовать срезы с высокой чувствительностью к изменению физических величин может позволить создание чувствительного элемента для измерения физических величин, состоящего из не менее одного ВШП и не менее двух ОС, в котором направление распространения ПАВ под ВШП отличается от направления распространения ПАВ на ОС. При этом для повышения чувствительности чувствительного элемента для измерения физических величин возбуждение ПАВ происходит в направлении, в котором КЭМС по возможности достигает наибольших значений, в то время как ОС, чувствительные к изменению физических величин, располагаются в направлении с наибольшей чувствительностью к изменению физических величин.

Одновременно использование в одном чувствительном элементе для измерения физических величин двух направлений распространения ПАВ (одно направление - направление распространения ПАВ под ВШП, второе направление - направление распространения ПАВ под ОС) обеспечивает еще большую чувствительность к изменению физических величин и снижение влияния вносимых потерь в чувствительном элементе для измерения физических величин, что приводит к повышению чувствительности чувствительного элемента к изменению измеряемой физической величины и увеличению радиуса действия.

На чертеже приведена структура чувствительного элемента для измерения физических величин.

Чувствительный элемент для измерения физических величин состоит из пьезоплаты 1, на поверхности которой сформированы ВШП 2 и ОС 3 и 4. При этом ОС 3 и 4 расположены с двух сторон от ВШП 2 таким образом, что направление 5 распространения ПАВ под ВШП 2 отличается от направления 6 распространения ПАВ на ОС 3 и 4.

Пьезоплата 1 может быть выполнена из пьезоэлектрического материала (например, кварца). ВШП 2 представляет собой систему металлических электродов и обеспечивает возбуждение и прием ПАВ. ОС 3 и 4 выполнены в виде системы канавок на поверхности пьезоплаты с переменным периодом.

Формирование ВШП реализовано по технологии фотолитографии и травления [1, 4]. Формирование канавок отражающих структур может быть реализовано по технологии травления через маску [1].

Устройство работает следующим образом.

С внешнего источника (на чертеже не показан) электрический сигнал (импульсный или непрерывный) [1] поступает на ВШП 2 чувствительного элемента для измерения физических величин, под действием пьезоэлектрического эффекта формируется ПАВ. Сформированная ВШП 2 ПАВ распространяется в двух противоположных направлениях от ВШП 2. Дойдя до ОС 3 в направлении распространения 5 ПАВ, отражается в направлении распространения 6 ПАВ на ОС. В направлении распространения 6 ПАВ достигает ОС 4 и отражается обратно к ОС 3 и далее к ВШП 2. С ВШП 2 электрический сигнал поступает на внешнее измерительное устройство (на чертеже не показано), например сетевой анализатор Agilent E5070B.

Под действием изменения измеряемой физической величины ОС 3 и 4 изменяют свои геометрические размеры (ширину и период следования ОС 3 и 4), вследствие чего скорость распространения ПАВ под ОС 3 и 4 изменяется, что приводит к изменению характеристик ПАВ и соответствующего информационного сигнала на ВШП 2.

Расположение ОС 3 и 4 с двух сторон от ВШП 2 позволяет использовать в два раза больше акустической энергии по сравнению с односторонним расположением ОС относительно ВШП, т.е. в два раза увеличить амплитуду отклика чувствительного элемента для измерения физических величин. Взаимодействие ПАВ с ОС известно [см. 4, стр.365-369].

Поскольку ПАВ распространяется под ВШП 2 в одном направлении, а под ОС 4 - в другом направлении, то направление распространения ПАВ под ВШП отличается от направления распространения ПАВ на ОС. Возбуждение ПАВ происходит в направлении, в котором КЭМС по возможности достигает наибольших значений, в то время как ОС 4, чувствительные к изменению физических величин, располагаются в направлении с наибольшей чувствительностью к изменению физических величин.

Таким образом, использование в одном чувствительном элементе для измерения физических величин двух направлений распространения ПАВ (одно направление - направление распространения ПАВ под ВШП, второе направление - направление распространения ПАВ под ОС) обеспечивает более эффективное соотношение чувствительности к изменению физических величин и вносимых потерь в чувствительном элементе для измерения физических величин. Вносимые потери определяют радиус действия чувствительного элемента для измерения физических величин, следовательно, предлагаемый чувствительный элемент обеспечивает больший радиус действия, поскольку с уменьшением вносимых потерь увеличивается излученная чувствительным элементом мощность радиосигнала.

В качестве информационного сигнала могут быть использованы время задержки отклика чувствительного элемента для измерения физических величин либо центральная частота ПАВ.

Частота сигнала измеряется, например, по амплитудно-частотной характеристике (например, с использованием сетевого анализатора Agilent Е5070В) [4].

Время задержки измеряется, например, с помощью осциллографа. На основе градуировочной зависимости (центральная частота, время задержки - измеряемая физическая величина) по изменению центральной частоты и/или времени задержки можно соотнести величину измеряемой физической величины.

Таким образом, предлагаемый чувствительный элемент для измерения физических величин позволяет совместно использовать наиболее чувствительное направление и направление с приемлемым значением коэффициента электромеханической связи на одной пластине заданного кристаллографического среза, что при заданном радиусе действия приводит к увеличению чувствительности чувствительного элемента к изменению измеряемой физической величины.

Источники информации

1. Reindl. «Wireless Passive SAW Identification Marks and Sensors», 2^nd Int. Symp. Acoustic Wave for Future Mobile Communication Systems, Chiba Univ. 3^rd-5^th March, 2004 - прототип.

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

3. J.Beckley, V.Kalinin, М.Lee, K.Voliansky. «Non-contact torque sensors based on SAW resonators», 2002 IEEE International Frequency Control Symposium and PDA Exhibiton.

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

Чувствительный элемент для измерения физических величин, состоящий из пьезоплаты, на поверхности которой сформированы не менее одного встречно-штыревого преобразователя и не менее двух отражающих структур, расположенных с двух сторон от встречно-штыревого преобразователя и выполненных в виде системы канавок на поверхности пьезоплаты с переменным периодом, встречно-штыревые преобразователи и отражающие структуры расположены под разными углами к линии базового среза пластины пьезоэлектрика, при этом встречно-штыревые преобразователи расположены так, что возбуждение поверхностных акустических волн происходит в направлении максимума коэффициента электромеханической связи, а отражающие структуры расположены с двух сторон от встречно-штыревых преобразователей в направлениях с наибольшей чувствительностью к изменению измеряемой физической величины.