RU2658596C1 - Sensitive element on surface acoustic waves for measuring pressure of liquids and gases - Google Patents
Sensitive element on surface acoustic waves for measuring pressure of liquids and gases Download PDFInfo
- Publication number
- RU2658596C1 RU2658596C1 RU2017128249A RU2017128249A RU2658596C1 RU 2658596 C1 RU2658596 C1 RU 2658596C1 RU 2017128249 A RU2017128249 A RU 2017128249A RU 2017128249 A RU2017128249 A RU 2017128249A RU 2658596 C1 RU2658596 C1 RU 2658596C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- pressure
- structures
- saw
- acoustic path
- piezoelectric
- Prior art date
Links
- 238000010897 surface acoustic wave method Methods 0.000 title claims abstract description 28
- 239000007788 liquid Substances 0.000 title abstract description 6
- 239000007789 gas Substances 0.000 title description 5
- 238000003491 array Methods 0.000 claims abstract description 4
- 239000004094 surface-active agent Substances 0.000 claims description 32
- 230000000903 blocking effect Effects 0.000 claims description 2
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 abstract description 9
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 5
- 238000009530 blood pressure measurement Methods 0.000 abstract description 4
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract 1
- 230000006835 compression Effects 0.000 description 10
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 10
- 239000000463 material Substances 0.000 description 6
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 5
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 4
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 4
- 238000005259 measurement Methods 0.000 description 4
- 239000013598 vector Substances 0.000 description 4
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 3
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 3
- 238000000034 method Methods 0.000 description 3
- 230000001902 propagating effect Effects 0.000 description 3
- 239000000523 sample Substances 0.000 description 3
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 2
- 238000003486 chemical etching Methods 0.000 description 2
- GQYHUHYESMUTHG-UHFFFAOYSA-N lithium niobate Chemical compound [Li+].[O-][Nb](=O)=O GQYHUHYESMUTHG-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 2
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 2
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 2
- 206010011878 Deafness Diseases 0.000 description 1
- 238000009412 basement excavation Methods 0.000 description 1
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 description 1
- 230000001419 dependent effect Effects 0.000 description 1
- 239000003814 drug Substances 0.000 description 1
- 238000009434 installation Methods 0.000 description 1
- 238000011089 mechanical engineering Methods 0.000 description 1
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 1
- 238000001465 metallisation Methods 0.000 description 1
- 230000037361 pathway Effects 0.000 description 1
- 238000000206 photolithography Methods 0.000 description 1
- 238000001771 vacuum deposition Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
- G01L9/08—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means by making use of piezoelectric devices, i.e. electric circuits therefor
Abstract
Description
Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в медицине, приборостроении и машиностроении для измерения давления жидких и газовых сред.The invention relates to the field of measuring equipment and can be used in medicine, instrumentation and mechanical engineering for measuring pressure of liquid and gas environments.
Известен сенсор давления на основе поверхностно-акустических волн (ПАВ) для измерения давления [1], содержащий пьезоплату, закрепленную в герметичном корпусе с возможностью деформации. На поверхности пьезоплаты размещены как минимум три резонатора на ПАВ. Электрические соединения расположены между резонаторами и выведены за пределы корпуса. Сенсор давления также включает антенну для получения и передачи электромагнитных сигналов к устройству и от него. Описанная конструкция сенсора давления на ПАВ является технологически сложной в изготовлении. Помимо этого недостатком данного технического решения является использование только одного вида механических напряжений для измерения давления, что ограничивает возможности сенсора по отклику и не обеспечивает достаточно высокой чувствительности.A known pressure sensor based on surface acoustic waves (SAW) for measuring pressure [1], containing a piezo plate fixed in a sealed enclosure with the possibility of deformation. At least three SAW resonators are placed on the surface of the piezoelectric board. Electrical connections are located between the resonators and out of the enclosure. The pressure sensor also includes an antenna for receiving and transmitting electromagnetic signals to and from the device. The described design of a pressure sensor for surfactants is technologically difficult to manufacture. In addition, the disadvantage of this technical solution is the use of only one type of mechanical stress for measuring pressure, which limits the sensor's response capabilities and does not provide a sufficiently high sensitivity.
Известен барочувствительный элемент [2], содержащий мембрану с выборкой, жестко скрепленную с основанием через прокладку. Между мембраной и основанием образована герметичная вакуумированная полость, внутри которой над выборкой своими концами жестко присоединен пьезоэлемент. Пьезоэлемент представляет собой ПАВ-резонатор, сформированный из ПАВ-структур на поверхности пьезоплаты, и установлен с возможностью его продольного сжатия-растяжения. Контакты пьезоэлемента выведены из вакуумированной полости наружу высокочастотными электродами, нанесенными на мембрану. Недостатком устройства является использование только одного направления векторов механического напряжения, что не обеспечивает достаточного уровня чувствительности барочувствительного элемента. Также отсутствует термокомпенсация, что вносит определенные искажения в результаты измерения давления.Known pressure sensitive element [2] containing a membrane with a sample, rigidly bonded to the base through the gasket. A sealed evacuated cavity is formed between the membrane and the base, inside of which a piezoelectric element is rigidly attached above the sample with its ends. The piezoelectric element is a SAW resonator formed from SAW structures on the surface of the piezoelectric plate and is installed with the possibility of its longitudinal compression-tension. The contacts of the piezoelectric element are removed from the evacuated cavity to the outside by high-frequency electrodes deposited on the membrane. The disadvantage of this device is the use of only one direction of the vectors of mechanical stress, which does not provide a sufficient level of sensitivity of the pressure sensitive element. Also, there is no thermal compensation, which introduces certain distortions in the pressure measurement results.
Известен датчик давления на поверхностных акустических волнах, использующийся для измерения внутрисосудистого давления в живых организмах [3]. Датчик давления имеет несколько вариантов исполнения, отличающихся реализацией пьезоэлектрического элемента. Например, датчик давления, содержащий субстратное основание, барочувствительную пьезоэлектрическую пленку с выполненными на ее поверхности ПАВ-структурами. В субстратном основании выполнена полость, закрытая барочувствительной пленкой. Полость является вакуумированной. Выходной сигнал, значения которого зависят от деформации барочувствительной пленки, формируется ПАВ-структурами на пьезопленке.A known pressure sensor on surface acoustic waves, used to measure intravascular pressure in living organisms [3]. The pressure sensor has several options for the implementation of the piezoelectric element. For example, a pressure sensor containing a substrate base, a pressure sensitive piezoelectric film with surfactant structures made on its surface. A cavity closed by a pressure-sensitive film is made in the substrate base. The cavity is evacuated. The output signal, the values of which depend on the deformation of the pressure-sensitive film, is formed by SAW structures on the piezoelectric film.
Недостатком описываемого технического решения является технологическая сложность изготовления чувствительного элемента. Также наличие глухой полости обуславливает наличие в ней установочного давления, влияющего на процесс измерения и требующего дополнительной калибровки устройства. Кроме того для измерения давления используется только одно направления механических напряжений, что приводит к ограничению результирующего разрешения датчика давления.The disadvantage of the described technical solution is the technological complexity of manufacturing a sensitive element. Also, the presence of a deaf cavity determines the installation pressure in it, which affects the measurement process and requires additional calibration of the device. In addition, only one direction of mechanical stress is used to measure pressure, which limits the resulting resolution of the pressure sensor.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению (прототипом) является датчик давления на поверхностно-акустических волнах [4], содержащий автогенератор с частотозависимым элементом, выполненным в виде пьезоэлектрической платы, на одной грани которой выполнена выемка, а на противоположной грани расположены два встречно-штыревых преобразователя (ВШП) ПАВ, формирующих линию задержки, подключенную к автогенератору. Выемка в пьезоэлектрической плате выполнена с поперечным сечением в форме прямоугольника, две стороны которого параллельны электродам ВШП и полностью перекрывают акустический путь по апертуре. Глубина выемки постоянна по апертуре акустического пути и монотонно изменяется в направлении, перпендикулярном электродам ВШП, уменьшаясь от центральной области выемки к ее периферии.The closest in technical essence to the claimed invention (prototype) is a pressure sensor on surface acoustic waves [4], containing a self-oscillator with a frequency-dependent element made in the form of a piezoelectric board, on one side of which a recess is made, and on the opposite side there are two oncoming pin transducers (IDT) surfactants forming a delay line connected to the oscillator. The recess in the piezoelectric board is made with a cross-section in the form of a rectangle, the two sides of which are parallel to the IDT electrodes and completely overlap the acoustic path along the aperture. The depth of the notch is constant along the aperture of the acoustic path and monotonically changes in the direction perpendicular to the IDT electrodes, decreasing from the central region of the notch to its periphery.
Недостатком устройства является низкая чувствительность измерений вследствие использования акустического пути, пролегающего только через одну область механического напряжения, что ограничивает возможность получения дополнительного количества значений откликов.The disadvantage of this device is the low sensitivity of the measurements due to the use of an acoustic path that runs through only one area of mechanical stress, which limits the possibility of obtaining an additional number of response values.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание высокочувствительного устройства для измерения низких значений давления.The problem to which the invention is directed, is the creation of a highly sensitive device for measuring low pressure values.
Техническим результатом настоящего изобретения является увеличение чувствительности устройства к небольшим изменениям давления.The technical result of the present invention is to increase the sensitivity of the device to small changes in pressure.
Технический результат достигается тем, что чувствительный элемент на поверхностных акустических волнах для измерения давления содержит пьезоплату, на поверхности которой сформированы образующие линию задержки (ЛЗ) ПАВ-структуры, включающие встречно-штыревой преобразователь, размещенный на акустическом пути, при этом на обратной стороне пьезоплаты выполнена выемка, перекрывающая акустический путь по апертуре. ЛЗ содержит, по крайней мере, две отражающие структуры (ОС), состоящие из массивов отражателей и расположенные по обе стороны от ВШП. Отражающие структуры позволяют реализовать по разные стороны от ВШП знакопеременные зоны механических напряжений. На обратной стороне пьезоплаты относительно поверхности с ПАВ-структурами выполнена, по меньшей мере, еще одна дополнительная выемка, смещенная относительно центральной оси акустического пути.The technical result is achieved by the fact that the sensitive element on the surface acoustic waves for measuring pressure contains a piezoelectric plate, on the surface of which are formed a delay line (LH) of the SAW structure, including an interdigital transducer located on the acoustic path, while on the reverse side of the piezoelectric plate is made a notch overlapping the acoustic path along the aperture. LZ contains at least two reflective structures (OS), consisting of arrays of reflectors and located on both sides of the IDT. Reflecting structures make it possible to realize alternating zones of mechanical stresses on different sides of the IDT. On the reverse side of the piezoelectric plate relative to the surface with SAW structures, at least one additional recess is made, offset from the central axis of the acoustic path.
Область пьезоплаты над выемкой образует мембрану для создания локальных зон механических напряжений на акустическом пути ЛЗ.The area of the piezoelectric plate above the recess forms a membrane for creating local zones of mechanical stresses on the acoustic path of the LZ.
Под воздействием внешнего давления в пьезоплате образуются локальные зоны механических напряжений: сжатие и растяжение. Распределение механического напряжения по площади пьезоплаты зависит от расположения выемок. Одна из выемок, перекрывающая акустический путь по апертуре, расположена по одну сторону от ВШП таким образом, что распространяющаяся над ней ПАВ проходит через область растяжения. Вторая выемка, расположенная по другую сторону от ВШП, смещена относительно центральной оси акустического пути, таким образом, что распространяющаяся над ней ПАВ проходит через область сжатия пьезоплаты.Under the influence of external pressure in the piezoelectric plate local zones of mechanical stress are formed: compression and tension. The distribution of mechanical stress over the area of the piezoelectric plate depends on the location of the recesses. One of the recesses, overlapping the acoustic path along the aperture, is located on one side of the IDT so that the surfactant propagating above it passes through the stretching region. The second recess located on the other side of the IDT is offset relative to the central axis of the acoustic path, so that the surfactant propagating above it passes through the compression region of the piezoelectric board.
Для корректной работы устройства необходимо соблюдение равенства значений механических напряжений растяжения и сжатия по модулю. С этой целью в области сжатия пьезоплаты выполнены две выемки, чтобы уравнять значения механических напряжений сжатия со значениями механических напряжений растяжения, поскольку механические напряжения по краям выемок менее выражены, чем напряжения в центре.For the correct operation of the device, it is necessary to observe the equality of the values of the mechanical tensile and compression stresses modulo. For this purpose, two recesses are made in the compression area of the piezoelectric plate in order to equalize the values of mechanical compression stresses with the values of mechanical tensile stresses, since the mechanical stresses at the edges of the recesses are less pronounced than the stresses in the center.
Предложенное изобретение позволяет повысить чувствительность устройства, за счет того, что при воздействии на пьезоплату внешнего давления по разные стороны от ВШП над выемками образуются знакопеременные механические напряжения пьезоплаты, что в свою очередь влияет на скорость распространения ПАВ, т.е. в областях сжатия скорость ПАВ увеличивается, а в областях растяжения - уменьшается. ПАВ, распространяясь от ВШП в двух направлениях вдоль пьезоплаты, имеют разное время задержки, поскольку растяжение пьезоплаты вызывает замедление распространения ПАВ, а сжатие - ускорение. В результате, из-за разных скоростей распространения ПАВ по сторонам линии задержки, поступивший на ВШП от отражающих структур сигнал разделен на две части, что приводит к увеличению возможных значений отклика в зависимости от давления. Когда используется только один вид механических напряжений, возможное отклонение сигнала физически ограничено свойствами пьезоматериала, влияющими на генерацию и распространение ПАВ. Используя ЛЗ, где по сторонам от ВШП преобладают знакопеременные механические напряжения, можно расширить диапазон значений отклика устройства, что позволяет добиться большего разрешения датчика. При использовании одного вида механических напряжений, значение давления интерпретируется по одной группе импульсов. Предлагаемое устройство позволяет разделить эту группу импульсов на две и производить измерение по амплитуде и временному сдвигу уже двух групп импульсов.The proposed invention allows to increase the sensitivity of the device due to the fact that when the piezoelectric board is exposed to external pressure on opposite sides of the IDT above the recesses, alternating mechanical stresses of the piezoelectric board are formed, which in turn affects the speed of SAW propagation, i.e. in the compression regions, the surfactant velocity increases, and in the expansion regions it decreases. Surfactants, propagating from IDT in two directions along the piezoelectric plate, have different delay times, since stretching the piezoelectric plate slows down the propagation of surfactants, and compression accelerates. As a result, due to different propagation velocities of the surfactant along the sides of the delay line, the signal received by IDT from reflecting structures is divided into two parts, which leads to an increase in the possible response values depending on pressure. When only one type of mechanical stress is used, the possible signal deviation is physically limited by the properties of the piezoelectric material, which affect the generation and propagation of surfactants. Using LZ, where alternating mechanical stresses prevail on the sides of the IDT, it is possible to expand the range of response values of the device, which allows for a higher resolution of the sensor. When using one type of mechanical stress, the pressure value is interpreted according to one group of impulses. The proposed device allows you to divide this group of pulses into two and measure the amplitude and time shift of two groups of pulses.
Таким образом, чувствительный элемент позволяет выявить даже незначительные изменения давления, так как знакопеременное изменение скоростей по сторонам от ВШП значительнее искажает отклик ЛЗ.Thus, the sensitive element makes it possible to detect even insignificant changes in pressure, since the alternating change in velocities on the sides of the IDT more significantly distorts the response of the LS.
Дополнительно для увеличения точности датчика возможно формирование двух линий задержки - измерительной и отсчетной, размещенных на одной пьезоплате параллельно друг другу.Additionally, to increase the accuracy of the sensor, it is possible to form two delay lines - measuring and reading, placed on the same piezoelectric board parallel to each other.
ПАВ-структуры второй ЛЗ идентичны ПАВ-структурам первой линии задержки.The SAW structures of the second LZ are identical to the SAW structures of the first delay line.
Линия задержки, подверженная воздействию внешнего давления, является измерительной, и измеряет текущее значение давления в соответствие с градуировочной характеристикой, составленной на основании заметного изменения амплитудно-частотной и импульсной характеристик. Не подверженная воздействию внешнего давления вторая линия задержки является отсчетной и предоставляет исходную импульсную характеристику сигнала, используемого для термокомпенсации измерения.The delay line, subject to external pressure, is a measuring line, and measures the current pressure value in accordance with the calibration characteristic, compiled on the basis of a noticeable change in the amplitude-frequency and pulse characteristics. The second delay line, which is not affected by external pressure, is a reference line and provides the initial impulse response of the signal used to thermally compensate the measurement.
Температурные явления одинаково влияют на обе линии задержки и температурный коэффициент задержки для них одинаков. При измерении давления сигнал измерительной линии задержки сопоставляется или смешивается с сигналом отсчетной линии задержки. Так как температурный коэффициент задержки оказывает одинаковое влияние на обе линии задержки, разница времен задержки между отсчетным и измерительным сигналами отражает изменение давления без влияния температуры.Temperature phenomena equally affect both delay lines and the temperature delay coefficient is the same for them. When measuring pressure, the signal of the measuring delay line is matched or mixed with the signal of the reference delay line. Since the temperature coefficient of delay has the same effect on both delay lines, the difference in the delay time between the reading and measuring signals reflects the pressure change without affecting the temperature.
Зондирующий сигнал на измерительной линии задержки значительнее подвержен искажению/затуханию, следовательно, отклонения относительно отсчетной линии задержки можно наблюдать сразу по ряду характеристик, таких как форма сигнала, амплитуда сигнала и затухание, время задержки.The probe signal on the measuring delay line is more susceptible to distortion / attenuation, therefore, deviations from the reference delay line can be observed immediately for a number of characteristics, such as waveform, signal amplitude and attenuation, delay time.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется графическими материалами и рисунками:The essence of the proposed technical solution is illustrated by graphic materials and drawings:
Фиг. 1 - конструкция чувствительного элемента на ПАВ для измерения давления жидкостей и газов;FIG. 1 - design of a sensitive element on a surfactant for measuring pressure of liquids and gases;
Фиг. 2 - конструкция чувствительного элемента на ПАВ для измерения давления жидкостей и газов, выполненная с двумя линиями задержки;FIG. 2 - design of a sensitive element on a surfactant for measuring pressure of liquids and gases, made with two delay lines;
Фиг. 3 - иллюстрация образования векторов механических напряжений в области выемок при воздействии давления на пьезоплату;FIG. 3 - illustration of the formation of vectors of mechanical stresses in the region of the recesses under the influence of pressure on the piezoelectric plate;
Фиг. 4 - иллюстрация распределения механического напряжения по пьезоплате под воздействием внешнего давления;FIG. 4 - illustration of the distribution of mechanical stress on the piezoelectric plate under the influence of external pressure;
Фиг. 5 - график изменения скорости распространения ПАВ при прохождении через различные области пьезоплаты.FIG. 5 is a graph of changes in the speed of propagation of surfactants when passing through various areas of the piezoelectric board.
Фиг. 6 - график зависимости механического напряжения пьезоплаты от внешнего давления (ниобат лития);FIG. 6 is a graph of the dependence of the mechanical stress of the piezoelectric plate on external pressure (lithium niobate);
Фиг. 7 - график зависимости механического напряжения пьезоплаты от внешнего давления (пьезокварц).FIG. 7 is a graph of the dependence of the mechanical stress of the piezoelectric plate on external pressure (piezoelectric quartz).
Чувствительный элемент на ПАВ для измерения давления содержит пьезоплату 1 (фиг. 1), на поверхности которой сформированы образующие линию задержки (ЛЗ) ПАВ-структуры, включающие встречно-штыревой преобразователь (ВШП) 2, размещенный на акустическом пути. На обратной стороне пьезоплаты выполнена выемка 3, перекрывающая акустический путь по апертуре. ЛЗ содержит, по крайней мере, две отражающие структуры (ОС) 4, состоящие из массивов отражателей. На обратной стороне пьезоплаты 1 относительно поверхности с ПАВ-структурами выполнена, по меньшей мере, одна дополнительная выемка 5, смещенная относительно центральной оси акустического пути.The pressure sensitive element on the surfactant for measuring pressure comprises a piezo plate 1 (Fig. 1), on the surface of which a delay line (LZ) of the SAW structure is formed, including an interdigital transducer (IDT) 2 located on the acoustic path. A
Для обеспечения необходимых свойств с целью размещения в различных средах чувствительный элемент заключается в корпус, состоящий из рамки 6 и крышки 7, предназначенный для герметизации устройства (фиг. 1).To ensure the necessary properties for placement in various environments, the sensitive element is enclosed in a housing consisting of a
ВШП 2 представляет собой систему металлических электродов и служит для возбуждения и приема ПАВ. Формирование ВШП 2 реализовано методом фотолитографии и вакуумного напыления. Формирование канавок отражающих структур 4 реализовано методами химического травления через маску.
В случае наличия двух идентичных ЛЗ (фиг. 2) встречно-штыревой преобразователь 2 первой ЛЗ и встречно-штыревой преобразователь 8 второй ЛЗ могут быть соединены параллельно или подключены отдельно, в зависимости от способа интерпретации результатов измерений и подключены к антенне 9 для беспроводной передачи данных и дистанционного измерения давления. В случае использования одной ЛЗ ВШП 2 также может быть подключен к антенне 9 для беспроводной передачи данных (на фиг. 1 не показано).If there are two identical LZs (Fig. 2), the
Сформированные на обратной относительно ПАВ-структур поверхности пьезоплаты выемки 3 и 5 (фиг. 1, фиг. 2) представляют собой углубления прямоугольной формы, геометрические размеры которых определяются апертурой ВШП и протяженностью линии задержки. Глубина выемки определяется диапазоном измеряемых значений и длиной ПАВ. Чем глубже выемка, тем тоньше мембрана над ней и, соответственно, тем большие механические напряжения возникают при приложении внешнего давления. Таким образом, диапазон измеряемых значений сужается и чувствительность датчика повышается.The
Выемки в пьезоплате формируют методом химического, магнетронного или плазмохимического травления в зависимости от пьезоматериала.The notches in the piezoelectric plate are formed by chemical, magnetron or plasma chemical etching, depending on the piezomaterial.
Чувствительный элемент для измерения давления жидкостей и газов содержит, по меньшей мере, две контактные площадки 10 (фиг. 2, на фиг. 1 не показано), представляющие собой слои металлизации, размещенные по краям пьезоплаты и предназначенные для подключения антенны 9 или устройства опроса (на фигуре не показано).The sensing element for measuring the pressure of liquids and gases contains at least two pads 10 (Fig. 2, not shown in Fig. 1), which are metallization layers located at the edges of the piezoelectric plate and designed to connect the
Выбор материалов исполнения чувствительного элемента в значительной степени определяет его технические характеристики, необходимые в зависимости от сферы приложений.The choice of materials for the performance of the sensitive element largely determines its technical characteristics, necessary depending on the scope of applications.
Для обеспечения высокой чувствительности целесообразно использовать ниобат лития, поскольку он имеет высокую чувствительность к внешним воздействиям, что позволяет обеспечить значительное изменение сигнала в зависимости от приложенного давления.To ensure high sensitivity, it is advisable to use lithium niobate, since it has a high sensitivity to external influences, which allows for a significant change in the signal depending on the applied pressure.
Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.
При поступлении запросного сигнала от внешнего источника на ВШП 2 линии задержки под действием обратного пьезоэлектрического эффекта формируется ПАВ. Образовавшаяся ПАВ распространяется в обе стороны от ВШП 2 по акустическому пути ЛЗ к отражающим структурам 4.Upon receipt of the request signal from an external source to
На пути к отражающим структурам 4 ПАВ проходят через области, где с обратной стороны пьезоплаты выполнены выемки 3 и 5. За счет этих выемок, при наличии внешнего давления, большего, чем давление в герметизированной части чувствительного элемента, расположенной между крышкой 7 и поверхностью пьезоплаты 1, акустический путь измерительной ЛЗ подвергается механическому напряжению, вследствие деформации пьезоплаты 1 в двух направлениях. Векторы механических напряжений над выемками 3 и 5 и вблизи выемок 3 и 5 при воздействии давления на пьезоплату 1 показаны на фиг. 3. В результате на поверхности пьезоплаты, по которой распространяется ПАВ, в области акустического пути, проходящего над выемкой 3, образуется зона растяжения, а в области акустического пути, проходящего между выемками 5, образуется зона сжатия (фиг. 4). Красные области, показанные на фиг. 4, обозначают зоны, в которых преобладает механическое напряжение растяжения, а синие области - механическое напряжение сжатия. Красными линиями обозначен возможный вариант расположения акустических путей распространения ПАВ.On the way to the reflecting
Механическое напряжение пьезоплаты в области расположения акустических путей является одним из ключевых параметров. Это напряжение существенно влияет на параметры распространения ПАВ. По мере увеличения внешнего давления время задержки будет изменяться в зависимости от характера деформации - в области сжатия пьезоплаты время задержки будет уменьшаться, а в области растяжения - увеличиваться.The mechanical stress of the piezoelectric plate in the region of the arrangement of acoustic paths is one of the key parameters. This voltage significantly affects the parameters of the propagation of surfactants. As the external pressure increases, the delay time will vary depending on the nature of the deformation - in the compression region of the piezoelectric plate, the delay time will decrease, and in the stretch region it will increase.
Дойдя до отражающих структур 4, ПАВ отражается и возвращается на ВШП 2, формируя ответный сигнал, который посредством пьезоэффекта преобразуется в электрический сигнал и передается на считывающее устройство для вычисления значения давления.Having reached the reflecting
Ответный сигнал разделяется на две части относительно времени опроса, изменяется время задержки ЛЗ, а также амплитуда частей ответного сигнала ЛЗ (фиг. 5).The response signal is divided into two parts relative to the polling time, the delay time of the LZ is changed, as well as the amplitude of the parts of the response signal of the LZ (Fig. 5).
В случае наличия двух ЛЗ (фиг. 2) измерение давления осуществляют одной, подверженной деформации ЛЗ (измерительной), затем сопоставляют и уточняют полученные значения показаниями второй (отсчетной) ЛЗ, которая не подвержена воздействию механического напряжения.In the case of two LHs (Fig. 2), the pressure measurement is carried out by one, which is prone to deformation of the LH (measuring), then the obtained values are compared and refined by the readings of the second (reference) LH, which is not subject to mechanical stress.
Непосредственную взаимосвязь характера распространения ПАВ и деформирующих внешних механических воздействий можно доказать следующим образом.The direct relationship between the nature of the propagation of surfactants and deforming external mechanical effects can be proved as follows.
Упругость тела обусловлена внутренними силами, возникающими в объеме твердого тела при его смещении из положения равновесия, т.е. из состояния при отсутствии сил. Силы можно описать через упругие напряжения Т, а перемещения - через деформации S.The elasticity of the body is due to internal forces arising in the volume of the solid when it is displaced from the equilibrium position, i.e. from a state in the absence of strength. Forces can be described through elastic stresses T, and displacements through deformations S.
В каждой точке однородного пьезоэлектрического диэлектрика компоненты тензора напряжений Tij зависят от компонентов тензора деформаций Sij. Для получения тензора напряжений Tij, необходимо преобразовать скалярное значение механического напряжения σ в тензорный вид, то есть разложить на составляющие по каждой оси.At each point of a uniform piezoelectric dielectric, the components of the stress tensor Tij depend on the components of the strain tensor Sij. To obtain the stress tensor Tij, it is necessary to transform the scalar value of the mechanical stress σ into tensor form, that is, decompose it into components along each axis.
Распространение ПАВ в твердом теле описывается уравнением движения [5]:The distribution of surfactants in a solid is described by the equation of motion [5]:
где:Where:
i, j - индексы, i, j=1, 2, 3;i, j are indices, i, j = 1, 2, 3;
ρ - плотность пьезоплаты;ρ is the density of the piezoelectric plate;
ui - смещения точки на пьезоплате;u i are the displacements of the point on the piezoelectric board;
t - время;t is the time;
Tij - тензор механических напряжений;T ij - tensor of mechanical stresses;
xj - направление оси.x j is the direction of the axis.
Согласно уравнению движения (1), смещения ui напрямую зависят от Тij - тензора механических напряжений. Тензор механических напряжений задается равенством:According to the equation of motion (1), the displacements u i directly depend on T ij - tensor of mechanical stresses. The tensor of mechanical stresses is given by the equality:
где:Where:
i, j, k, l - индексы, i, j, k, l=1, 2, 3;i, j, k, l - indices, i, j, k, l = 1, 2, 3;
Имея распределение механического напряжения вдоль пьезоплаты, с помощью волновых уравнений распространения ПАВ можно рассчитать относительное изменение скорости ПАВ Δv/v в зависимости от механического напряжения.Having the distribution of mechanical stress along the piezoelectric plate, using the wave equations of the propagation of surfactants, we can calculate the relative change in the velocity of surfactants Δv / v depending on the mechanical stress.
Относительное изменение фазы ΔФ/Ф вдоль пьезоплаты может быть определено по относительному изменению скорости ПАВ Δν/ν и относительному изменению длины акустического пути 
В зависимости от направления векторов механического напряжения, скорость ПАВ изменяется знакопеременно. То есть, в областях сжатия скорость ПАВ увеличивается, а в областях растяжения - уменьшается, что приводит к изменению фазы и увеличению возможных значений отклика.Depending on the direction of the vectors of mechanical stress, the speed of the surfactant changes alternately. That is, in the compression regions the surfactant velocity increases, while in the tension regions it decreases, which leads to a phase change and an increase in the possible response values.
На приведенных графиках (фиг. 6, фиг. 7) представлена зависимость механического напряжения пьезоплаты от внешнего давления при использовании различных материалов исполнения чувствительного элемента (пьезоплата - ниобат лития или пьезокварц).The graphs (Fig. 6, Fig. 7) show the dependence of the mechanical stress of the piezoelectric plate on external pressure when using various materials for the performance of the sensitive element (piezo-plate - lithium niobate or piezoelectric quartz).
Согласно графикам, механическое напряжение пьезоплаты линейно возрастает с увеличением внешнего давления.According to the graphs, the mechanical stress of the piezoelectric plateau increases linearly with increasing external pressure.
В зависимости от требуемого разрешения датчика и диапазона измеряемых величин осуществляется выбор материалов.Depending on the required resolution of the sensor and the range of measured values, materials are selected.
Ввиду значительной зависимости параметров ПАВ от механического напряжения пьезоплаты, вызванного наличием внешнего давления, чувствительный элемент представляет собой высокоточное измерительное устройство, способное регистрировать малейшие изменения давления.Due to the significant dependence of the parameters of the surfactant on the mechanical stress of the piezoelectric plate caused by the presence of external pressure, the sensitive element is a high-precision measuring device capable of detecting the slightest pressure changes.
Источники информацииInformation sources
1. Патент US 6571638 В2, МПК G01L 11/00, опубл. 03.06.2003 г.1. Patent US 6571638 B2, IPC G01L 11/00, publ. 06/03/2003
2. Патент RU 2402000 С1, МПК G01L 9/08, опубл. 20.10.2010 г.2. Patent RU 2402000 C1,
3. Патент US 7331236 В2, МПК G01L 7/00, опубл. 19.02.2008 г.3. Patent US 7331236 B2,
4. Авторское свидетельство на изобретение SU 1131024 А1, МПК G01L 11/04, опубл. 23.12.1984 г.4. Copyright certificate for the invention SU 1131024 A1, IPC G01L 11/04, publ. 12/23/1984
5. Д. Морган «Устройства обработки сигналов на поверхностных акустических волнах» ELSEVIER, 1985.5. D. Morgan “Devices for processing signals on surface acoustic waves” ELSEVIER, 1985.
Claims (3)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017128249A RU2658596C1 (en) | 2017-08-07 | 2017-08-07 | Sensitive element on surface acoustic waves for measuring pressure of liquids and gases |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2017128249A RU2658596C1 (en) | 2017-08-07 | 2017-08-07 | Sensitive element on surface acoustic waves for measuring pressure of liquids and gases |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2658596C1 true RU2658596C1 (en) | 2018-06-21 |
Family
ID=62713529
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2017128249A RU2658596C1 (en) | 2017-08-07 | 2017-08-07 | Sensitive element on surface acoustic waves for measuring pressure of liquids and gases |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2658596C1 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2738453C1 (en) * | 2020-05-28 | 2020-12-14 | Российская Федерация, От Имени Которой Выступает Министерство Промышленности И Торговли Российской Федерации | Sensor for measuring deformation on magnetostatic waves |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1131024A1 (en) * | 1983-07-15 | 1984-12-23 | Предприятие П/Я В-8941 | Pressure transducer based on surface acoustic waves |
| SU1636700A1 (en) * | 1988-08-02 | 1991-03-23 | Государственный Проектный Институт По Проектированию Систем Автоматического Пожаротушения, Пожарной И Охранной Сигнализации | Differential temperature sensor |
| RU2153221C2 (en) * | 1994-05-02 | 2000-07-20 | СИМЕНС МАЦУШИТА КОМПОНЕНТС ГмбХ УНД Ко. КГ | Packaging device for electronic structural components |
| WO2016100626A1 (en) * | 2014-12-17 | 2016-06-23 | Rf Micro Devices, Inc. | Multi-frequency guided wave devices and fabrication methods |
-
2017
- 2017-08-07 RU RU2017128249A patent/RU2658596C1/en active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| SU1131024A1 (en) * | 1983-07-15 | 1984-12-23 | Предприятие П/Я В-8941 | Pressure transducer based on surface acoustic waves |
| SU1636700A1 (en) * | 1988-08-02 | 1991-03-23 | Государственный Проектный Институт По Проектированию Систем Автоматического Пожаротушения, Пожарной И Охранной Сигнализации | Differential temperature sensor |
| RU2153221C2 (en) * | 1994-05-02 | 2000-07-20 | СИМЕНС МАЦУШИТА КОМПОНЕНТС ГмбХ УНД Ко. КГ | Packaging device for electronic structural components |
| WO2016100626A1 (en) * | 2014-12-17 | 2016-06-23 | Rf Micro Devices, Inc. | Multi-frequency guided wave devices and fabrication methods |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2738453C1 (en) * | 2020-05-28 | 2020-12-14 | Российская Федерация, От Имени Которой Выступает Министерство Промышленности И Торговли Российской Федерации | Sensor for measuring deformation on magnetostatic waves |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6293136B1 (en) | Multiple mode operated surface acoustic wave sensor for temperature compensation | |
| US3978731A (en) | Surface acoustic wave transducer | |
| US3863497A (en) | Acoustic delay surface wave motion transducers | |
| US4467235A (en) | Surface acoustic wave interferometer | |
| JP5956901B2 (en) | Device measurement device | |
| US6810750B1 (en) | Encoded surface acoustic wave based strain sensor | |
| WO2006044438A2 (en) | Mems saw sensor | |
| US7100451B2 (en) | Surface acoustic wave sensing system and method for measuring pressure and temperature | |
| EP1453199B1 (en) | Surface acoustic wave element, electric signal processing apparatus using the surface acoustic wave element, and environment evaluation apparatus using the electric signal processing apparatus | |
| CN109506808B (en) | SAW temperature sensor with monotone and linear output characteristics and design method thereof | |
| RU2658596C1 (en) | Sensitive element on surface acoustic waves for measuring pressure of liquids and gases | |
| JP2023171888A (en) | Acoustic wave sensor and interrogation of the same | |
| RU2585487C1 (en) | Passive temperature sensor operating on surface acoustic waves | |
| Anisimkin et al. | Aspects of using acoustic plate modes of higher orders for acoustoelectronic sensors | |
| RU2486646C1 (en) | Surface acoustic wave sensor for wireless passive measurement of displacements | |
| JP3095637B2 (en) | Ultrasonic humidity sensor | |
| US20220326102A1 (en) | Differential acoustic wave pressure sensors | |
| RU2592055C1 (en) | Sensitive element on surface acoustic waves for temperature measurement | |
| RU2393444C1 (en) | Detecting element of physical quantity sensor with reflecting structures | |
| RU2712723C1 (en) | Acoustic multichannel analyzer of micro samples of liquid media | |
| CN117928615A (en) | Surface acoustic wave temperature strain composite sensor and preparation, test and implementation methods thereof | |
| Von Schickfus et al. | SAW gas sensing using reflectors and multistrip couplers | |
| RU2396526C2 (en) | Deformation detecting element with dispersion structures | |
| Kondoh et al. | Shear horizontal surface acoustic wave sensor measurement system for liquid toward wireless and passive applications | |
| JP3407343B2 (en) | Method and apparatus for measuring film thickness |