Пассивный датчик на поверхностных акустических волнах



Пассивный датчик на поверхностных акустических волнах
Пассивный датчик на поверхностных акустических волнах
Пассивный датчик на поверхностных акустических волнах
Пассивный датчик на поверхностных акустических волнах

 


Владельцы патента RU 2427943:

Открытое акционерное общество "Авангард" (RU)

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для дистанционного измерения физических величин. Технический результат: снижение погрешности измерений, повышение чувствительности датчика и дальности считывания от него, упрощение конструкции устройства, повышение технологичности его изготовления и надежности работы. Сущность: датчик содержит расположенные на подложке 1 из пьезоэлектрического материала встречно штыревой преобразователь (ВШП) 2 и две структуры металлических отражателей 3 и 4 для поверхностных акустических волн (ПАВ). Первая структура отражателей предусмотрена в качестве опорного элемента, вторая - в качестве чувствительного элемента. Отражатели 3 ПАВ первой структуры и отражатели 4 ПАВ второй структуры выполнены с различными чувствительностями к измеряемой величине. ВШП 2 выполнен однонаправленным и расположен так, что направление распространения ПАВ от него происходит против естественной однонаправленности пьезоэлектрического материала подложки 1. Направление ПАВ от отражателей 3 и 4 совпадает с естественной однонаправленностью пьезоэлектрического материала подложки 1, при которой коэффициент анизотропии отраженной ПАВ γ≤0. Отражатели 3 и 4 ПАВ выполнены по направлению распространения ПАВ симметричными и разделенными между собой минимально возможным электрическим зазором 5 или выполнены без зазора. Отражатели 4 второй ПАВ структуры по всей поверхности покрыты слоем материала 6, чувствительного к измеряемой величине. 4 ил.

 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в приборостроении и машиностроении для измерения физических величин дистанционно по радио.

Известен пассивный датчик на поверхностных акустических волнах (ПАВ) по патенту РФ №2105993, опубл. 27.02.1998 года, МПК G01S 13/75, «Опрашиваемый по радио пассивный датчик на поверхностных акустических волнах» [1], содержащий расположенные на одной подложке из пьезоэлектрического материала встречно штыревой преобразователь (ВШП) и две структуры металлических отражателей ПАВ, первая из которых предусмотрена в качестве опорного элемента, а вторая - в качестве чувствительного элемента, причем металлические отражатели первой ПАВ структуры и металлические отражатели второй ПАВ структуры выполнены с различными чувствительностями по отношению к измеряемой величине.

Недостатками устройства [1] является то, что две структуры металлических отражателей ПАВ, первая из которых предусмотрена в качестве опорного элемента, а вторая - в качестве чувствительного элемента, расположены на сравнительно большом расстоянии друг от друга, а это в свою очередь вносит существенные погрешности в показания измерений.

Прототипом заявляемого технического решения является пассивный датчик на ПАВ по патенту США №7005964, опубл. 18.12.2003 года, МПК G06S 13/75, G06K 7/10, «Сенсор с двойной поверхностной акустической волной» [2], содержащий расположенные на одной подложке из пьезоэлектрического материала ВШП и две структуры металлических отражателей ПАВ, первая из которых предусмотрена в качестве опорного элемента, а вторая - в качестве чувствительного элемента, причем металлические отражатели ПАВ первой структуры и металлические отражатели ПАВ второй структуры выполнены с различными чувствительностями по отношению к измеряемой величине.

Недостатками известного устройства [2] является то, что металлические отражатели ПАВ структуры опорного элемента и чувствительного элемента совмещены соединительными шинами вдоль направления распространения ПАВ и дополнительно содержат общую шину электрической нейтрали, к которой и к шине чувствительного элемента подсоединен (пайкой) внешний чувствительный элемент, что в целом усложняет конструкцию устройства, увеличивает ее стоимость и снижает надежность.

Указанные недостатки ставят задачи снижения погрешности измерений, повышения чувствительности датчика и дальности его считывания, а также упрощения конструкции устройства, технологичности его изготовления и повышения надежности работы.

Указанные задачи решаются тем, что в пассивном датчике на поверхностных акустических волнах, содержащем расположенные на одной подложке из пьезоэлектрического материала ВШП и две структуры металлических отражателей ПАВ, первая из которых предусмотрена в качестве опорного элемента, а вторая - в качестве чувствительного элемента, причем металлические отражатели ПАВ первой структуры и металлические отражатели ПАВ второй структуры выполнены с различными чувствительностями по отношению к измеряемой величине, при этом ВШП выполнен однонаправленным и расположен так, что направление распространения ПАВ от него происходит против естественной однонаправленности пьезоэлектрического материала подложки, а направление ПАВ от металлических отражателей при этом совпадает с естественной однонаправленностью пьезоэлектрического материала подложки, при которой коэффициент анизотропии отраженной ПАВ γ≤0, причем металлические отражатели ПАВ структуры опорного элемента и чувствительного элемента выполнены по направлению распространения ПАВ симметричными и разделены между собой электрическим зазором (технологически минимально возможным), при этом металлические отражатели ПАВ второй структуры - чувствительного элемента по всей своей поверхности покрыты слоем материала, чувствительного к измеряемой величине. Симметричные металлические отражатели ПАВ структуры опорного и чувствительного элементов могут быть выполнены совмещенными без электрических зазоров.

Введение признаков «ВШП выполнен однонаправленным и расположен так, что направление распространения ПАВ от него происходит против естественной однонаправленности пьезоэлектрического материала подложки, а направление ПАВ от металлических отражателей при этом совпадает с естественной однонаправленностью пьезоэлектрического материала подложки, при которой коэффициент анизотропии отраженной ПАВ γ≤0» необходимо для повышения чувствительности датчика, и следовательно, для повышения дальности считывания показаний пассивного датчика. Чувствительность повышается из-за увеличения коэффициента отражения от отражателей (электродов) опорной и измерительных ПАВ структур за счет естественных свойств пьезоэлектрического материала.

Введение признака «металлические отражатели ПАВ структуры опорного элемента и чувствительного элемента выполнены по направлению распространения ПАВ симметричными и разделенными между собой минимальным электрическим зазором, при этом отражатели ПАВ второй структуры - чувствительного элемента по всей своей поверхности покрыты слоем материала, чувствительного к измеряемой величине» необходимо для создания соизмеримых уровней отраженных сигналов: опорного - от металлических отражателей без покрытия и сигнального (чувствительного) - от металлических отражателей с покрытием, которое чувствительно к измеряемой величине.

Создание соизмеримых уровней отраженных сигналов от опорного элемента и чувствительного (сигнального) элемента, в свою очередь, снижает погрешность измерений.

Кроме того, выполнение металлических отражателей ПАВ структур опорного и чувствительного элементов по направлению распространения ПАВ симметричными и разделенными между собой технологически минимально возможным электрическим зазором существенно упрощает конструкцию устройства, технологичность его изготовления, а также повышает надежность его работы.

Введение признака «симметричные отражатели ПАВ структуры чувствительного элемента и опорного элемента выполнены без электрических зазоров» необходимо для упрощения технологичности изготовления устройства, и следовательно, для уменьшения его стоимости.

На фиг.1 представлен «Пассивный датчик на ПАВ» с разделенными минимальным электрическим зазором симметричными металлическими отражателями ПАВ структур опорного и чувствительного элементов; на фиг.2 - разрез устройства, представленного на фиг.1 по А-А; на фиг.3 - «Пассивный датчик на ПАВ» с совмещенными (без электрических зазоров между ними) симметричными металлическими отражателями ПАВ структур опорного и чувствительного элементов; на фиг.4 - разрез устройства, представленного на фиг.3 по Б-Б.

Пассивный датчик на поверхностных акустических волнах содержит расположенные на одной подложке 1 из пьезоэлектрического материала встречно штыревой преобразователь (ВШП) 2 и две структуры металлических отражателей 3 и 4 для поверхностных акустических волн (ПАВ), первая из которых предусмотрена в качестве опорного элемента, а вторая - в качестве чувствительного элемента. Металлические отражатели 3 ПАВ первой структуры и металлические отражатели 4 ПАВ второй структуры выполнены с различными чувствительностями по отношению к измеряемой величине. ВШП 2 выполнен однонаправленным и расположен так, что направление распространения ПАВ от него происходит против естественной однонаправленности пьезоэлектрического материала подложки 1, а направление ПАВ от металлических отражателей 3 и 4 при этом совпадает с естественной однонаправленностью пьезоэлектрического материала подложки 1, при которой коэффициент анизотропии отраженной ПАВ: γ≤0. Металлические отражатели 3 и 4 ПАВ структур опорного элемента и чувствительного элемента выполнены по направлению распространения ПАВ симметричными и разделены между собой электрическим зазором 5 (минимально возможным технологически). Металлические отражатели 4 ПАВ второй структуры - чувствительного элемента по всей своей поверхности покрыты слоем материала 6, чувствительного к измеряемой величине. Симметричные металлические отражатели 3 и 4 ПАВ структур опорного и чувствительного элементов могут быть выполнены совмещенными без электрических зазоров 5.

Работа пассивного датчика на ПАВ заключается в следующем:

Поступающий от считывателя из антенны (на чертежах на показана) на однонаправленный ВШП 2 высокочастотный электромагнитный сигнал генерирует в подложке 1 из пьезоэлектрического материала ПАВ, которая распространяется по поверхности подложки 1 против естественной однонаправленности пьезоэлектрического материала, в сторону симметричных (по направлению распространения ПАВ) металлических отражателей 3 и 4, соответственно опорного и чувствительного элементов. При отражении ПАВ от металлических отражателей опорных и чувствительных элементов за счет разности комплексных коэффициентов отражения ПАВ и изменения этой разности при воздействии информационного фактора, изменяется фазовый сдвиг информационного сигнала, по которому в конечном итоге определяют искомую величину.

Металлические отражатели 3 и 4 могут быть разделены между собой минимально возможным технологически электрическими зазорами 5, или могут быть совмещенными (без электрических зазоров 5). Зазор 5 влияет на выравнивание электрических потенциалов металлических отражателей 3 и 4, соответственно опорного и чувствительного элементов. Наличие минимальных электрических зазоров 5 между металлическими отражателями 3 и 4 приводит к гальванической развязке между опорным и полезным сигналами, так как при своем распространении ПАВ сопровождается волной переменного электрического заряда, которая также отражается от структур опорного и чувствительного элементов с разной фазовой задержкой. При этом механическая и электрическая составляющие ПАВ отражаются со своими фазовыми задержками. Минимальные электрические зазоры 5 между металлическими отражателями 3 и 4 позволяют увеличить чувствительность датчика на ПАВ. Симметричные металлические отражатели 3 и 4 ПАВ структур опорного и чувствительного элементов из-за технологических трудностей и удешевления производства могут быть выполнены и без минимальных электрических зазоров 5 между ними.

Близко расположенные металлические отражатели 3 и 4 опорного и чувствительного элементов позволяют создать соизмеримые уровни отраженных сигналов: опорного - от металлических отражателей 3 без покрытия и сигнального (чувствительного) - от металлических отражателей 4 с покрытием 6, которое чувствительно к измеряемой величине. В свою очередь, создание соизмеримых уровней отраженных сигналов от опорного элемента и чувствительного (сигнального) элемента снижает погрешность измерений устройства.

После возвращения отраженной ПАВ, модулированной металлическими отражателями 3 и 4 - опорного и чувствительного элементов, она генерирует в ВШП 2 высокочастотный электромагнитный сигнал, который через антенну передается считывателю. При этом обратное направление распространения модулированной ПАВ совпадает с естественной однонаправленностью пьезоэлектрического материала подложки 1, при которой коэффициент анизотропии отраженной ПАВ γ≤0, и из-за естественных свойств пьезоэлектрического материала происходит повышение чувствительности датчика, и следовательно, происходит повышение дальности считывания показаний пассивного датчика.

Полагаем, что предложенное устройство обладает всеми критериями изобретения, так как:

- Пассивный датчик на ПАВ в совокупности с ограничительными и отличительными признаками формулы изобретения является новым для общеизвестных устройств и, следовательно, соответствует критерию “новизна”.

- Совокупность признаков формулы изобретения устройства неизвестна на данном уровне развития техники и не следует общеизвестным правилам конструирования пассивных датчиков на ПАВ, что доказывает соответствие критерию “изобретательский уровень”.

- Конструктивная реализация пассивного датчика на ПАВ не представляет никаких конструктивно-технических и технологических трудностей, откуда следует соответствие критерию “промышленная применимость”.

Источники информации

1. Патент РФ: RU 2105993, опубл. 27.02.1998 года, МПК G01S 13/75, «Опрашиваемый по радио пассивный датчик на поверхностных акустических волнах».

2. Патент США: US 7005964, опубл. 18.12.2003 года, МПК G06S 13/75, G06K 7/10, «Сенсор с двойной поверхностной акустической волной» - прототип.

Пассивный датчик на поверхностных акустических волнах, содержащий расположенные на одной подложке из пьезоэлектрического материала встречно штыревой преобразователь (ВШП) и две структуры металлических отражателей для поверхностных акустических волн (ПАВ), первая из которых предусмотрена в качестве опорного элемента, а вторая - в качестве чувствительного элемента, причем металлические отражатели первой ПАВ структуры и металлические отражатели второй ПАВ структуры выполнены с различными чувствительностями по отношению к измеряемой величине, отличающийся тем, что ВШП выполнен однонаправленным и расположен так, что направление распространения ПАВ от него происходит против естественной однонаправленности пьезоэлектрического материала подложки, а направление ПАВ от металлических отражателей при этом совпадает с естественной однонаправленностью пьезоэлектрического материала подложки, при которой коэффициент анизотропии отраженной ПАВ γ≤0, причем металлические отражатели ПАВ структур опорного элемента и чувствительного элемента выполнены по направлению распространения ПАВ симметричными и разделенными между собой минимальным электрическим зазором или выполнены без зазора, при этом металлические отражатели второй ПАВ структуры - чувствительного элемента по всей своей поверхности покрыты слоем материала, чувствительного к измеряемой величине.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к ракетно-космической технике и предназначено для фиксации факта ударного воздействия на космический аппарат высокоскоростных частиц, например космического мусора.

Изобретение относится к устройствам для преобразования энергии переменного электрического поля посредством обратного пьезоэффекта в механическую энергию упругих резонансных колебаний ультразвуковой частоты.

Изобретение относится к ультразвуковой технике. .

Изобретение относится к измерению параметров динамических механических величин. .

Изобретение относится к пьезоэлектронике и может быть использовано в миниатюрных преобразователях механической энергии в электрическую и электрической энергии с механическую, датчиках перемещений, звукоизлучающих устройствах, исполнительных и регистрирующих элементах микроэлектромеханических систем.

Изобретение относится к системам, использующим пьезоэлектрические измерительные преобразователи, например системе датчика обнаружения движения (перемещения). .

Изобретение относится к оптоэлектронике, в частности акустооптическим и акустоэлектронным устройствам, в том числе микромеханическим и микрооптическим устройствам.

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к массочувствительным пьезорезонансным датчикам, предназначенным для детектирования водорода.

Изобретение относится к системам активной виброизоляции (подвескам и опорам), применяемым в мобильных машинах, инженерных сооружениях и космической технике. .

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано в системах точного позиционирования, для линейного и вращательно перемещения различных объектов и устройств в нанотехнологическом оборудовании и прецизионном приборостроении

Изобретение относится к способу изготовления акустооптических модуляторов

Изобретение относится к пьезоэлектронике

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

Изобретение относится к электронной технике, а именно: к области создания магнитоэлектрических преобразователей, применяемых в качестве основы для датчиков магнитных полей, устройств СВЧ-электроники, основы для технологии магнитоэлектрической записи информации и для накопителей электромагнитной энергии и энергии вибраций

Изобретение относится к области электромеханики и может быть использовано в системах точного позиционирования, для линейного перемещения различных объектов и устройств в нанотехнологическом оборудовании и прецизионном приборостроении. Техническим результатом является увеличение опорной базы устройства перемещения при уменьшении его габаритных размеров, увеличение рабочей частоты, компенсация паразитных тепловых уходов, вызванных нагреванием встроенных в устройство пьезоэлементов. Сущность изобретения: в пьезоустройстве пошагового перемещения, включающем группу из не менее двух пьезоэлементов, каждый из которых одним своим концом прикреплен к перемещаемой по основанию каретке, а другим - к прижатой к основанию опоре, все пьезоэлементы разделены на две подгруппы так, что концы с прикрепленными опорами у первой подгруппы пьезоэлементов и концы с прикрепленными опорами у второй подгруппы пьезоэлементов направлены в противоположные друг от друга стороны, причем пилообразное напряжение, подаваемое на пьезоэлементы первой подгруппы, противофазно напряжению, подаваемому на пьезоэлементы второй подгруппы. Кроме того, каретка прикреплена к опорам посредством упругих элементов. Кроме того, упругие элементы, соединяющие опоры с кареткой, выполнены в виде плоских пружин или упругих шарниров. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.
Наверх