RU151201U1

RU151201U1 - SENSOR ON SURFACE ACOUSTIC WAVES

Info

Publication number: RU151201U1
Application number: RU2014125891/28U
Authority: RU
Inventors: Сергей Александрович Жгун; Александр Сергеевич Шевцов
Priority date: 2014-06-26
Filing date: 2014-06-26
Publication date: 2015-03-27

Abstract

Датчик на поверхностных акустических волнах, содержащий пьезоэлектрическую подложку, по крайней мере, один встречно-штыревой преобразователь, содержащий две группы электродов, и не менее двух отражательных решеток отличающийся тем, что отражательные решетки расположены по обеим сторонам встречно-штырькового преобразователя, датчик снабжен, по крайней мере, одним слоем, расположенным поверх встречно-штыревого преобразователя и отражательных решеток, состоящим из материала, имеющего более высокую чувствительность физических свойств к измеряемым физическим воздействиям, чем материал пьезоэлектрической подложки.A sensor on surface acoustic waves containing a piezoelectric substrate, at least one interdigital transducer containing two groups of electrodes and at least two reflective gratings, characterized in that the reflective gratings are located on both sides of the interdigital transducer, the sensor is equipped with at least one layer located on top of the interdigital transducer and reflective gratings, consisting of a material having a higher sensitivity of physical properties measurable physical effects than the material of the piezoelectric substrate.

Description

Полезная модель относиться к области измерительной техники, и предназначена для измерения состояния окружающей среды и состояния объектов.The utility model belongs to the field of measurement technology, and is intended to measure the state of the environment and the state of objects.

Известно устройство на поверхностных акустических волнах, описанное в патенте США US №8006563, МПК G01L 11/04, опубл. 30.08.2011 г., содержащее пьезоэлектрическую подложку, на которой расположен встречно-штыревой преобразователь, закрепленную по краям на мембране так, чтобы растяжение пьезоэлектрической подложки происходило в заданном направлении.A device for surface acoustic waves is described in US patent US No. 8006563, IPC G01L 11/04, publ. 08/30/2011, containing a piezoelectric substrate on which an interdigital transducer is located, fixed at the edges on the membrane so that the piezoelectric substrate stretches in a predetermined direction.

Однако такое устройство имеет низкую чувствительность к деформации мембраны за счет давления.However, such a device has a low sensitivity to membrane deformation due to pressure.

Наиболее близким по технической сущности является датчик на поверхностных акустических волнах (ПАВ), описанный в описанный в патенте RU №2427943, МПК H01L 41/08, опубл. 27.08.2011 года, содержащий пьезоэлектрическую подложку, на которой расположен, по крайней мере, один встречно-штыревой преобразователь с встречно-штыревыми электродами, и отражательные решетки, размещенные с одной стороны встречно-штыревого преобразователя. Чувствительный к измеряемому воздействию слой нанесен на одну из отражательных решеток.The closest in technical essence is a sensor on surface acoustic waves (SAW), described in described in patent RU No. 2427943, IPC H01L 41/08, publ. 08/27/2011, containing a piezoelectric substrate on which at least one interdigital transducer with interdigital electrodes is located, and reflective gratings located on one side of the interdigital transducer. A layer sensitive to the measured effect is applied to one of the reflective gratings.

Недостатком такого датчика является низкая чувствительность к измеряемым физическим воздействиям.The disadvantage of this sensor is its low sensitivity to measured physical influences.

Технической задачей полезной модели является повышение точности измерения физических воздействий.The technical task of the utility model is to increase the accuracy of measuring physical effects.

Технический результат заключается в повышении чувствительности датчика к измеряемым физическим воздействиям, достигается при расположении отражательных решеток по обеим сторонам от встречно-штыревого преобразователя Этот результат достигается тем, что известный датчик на поверхностных акустических волнах, содержащий пьезоэлектрическую подложку, по крайней мере, один встречно-штыревой преобразователь, содержащий две группы электродов, и не менее двух отражательных решеток, которые расположены по обеим сторонам встречно-штыревого преобразователя, датчик снабжен, по крайней мере, одним слоем, расположенным поверх встречно-штыревого преобразователя и отражательных решеток, выполненным из материала, имеющего более высокую чувствительность физических свойств к измеряемым физическим воздействиям, чем материал пьезоэлектрической подложки.The technical result consists in increasing the sensitivity of the sensor to the measured physical influences, achieved when the reflective gratings are located on both sides of the interdigital transducer. This result is achieved by the fact that the known sensor on surface acoustic waves containing a piezoelectric substrate, at least one interdigital a transducer containing two groups of electrodes, and at least two reflective gratings, which are located on both sides of the interdigital reobrazovatelya sensor provided with at least one layer disposed over the interdigital transducer and grating reflector made of a material having a high sensitivity to the physical properties measured physical influences than the material of the piezoelectric substrate.

Сущность датчика поясняется чертежом, на котором представлен внешний вид датчика.The essence of the sensor is illustrated in the drawing, which shows the appearance of the sensor.

Датчик на поверхностных акустических волнах содержит пьезоэлектрическую подложку 1, по крайней мере, один встречно-штыревой преобразователь 2, состоящий из двух групп соединенных между собой электродов 3 и 4, по крайней мере, две отражательные решетки 5 и 6, расположенные по обеим сторонам встречно-штыревого преобразователя 2. Поверх встречно-штыревого преобразователя 2 и обеих отражательных решеток 5 и 6, расположен, по крайней мере, один слой 7 из материала, имеющего более высокую чувствительность скорости акустической волны к измеряемым физическим воздействиям, чем материал пьезоэлектрической подложки 1.The sensor on surface acoustic waves contains a piezoelectric substrate 1, at least one interdigital transducer 2, consisting of two groups of interconnected electrodes 3 and 4, at least two reflective gratings 5 and 6, located on both sides of the opposite pin transducer 2. On top of the interdigital transducer 2 and both reflective arrays 5 and 6, there is at least one layer 7 of material having a higher sensitivity of the speed of the acoustic wave to the measured phi nical influences, than the material of the piezoelectric substrate 1.

Датчик на поверхностных акустических волнах работает следующим образом.The sensor on surface acoustic waves operates as follows.

При приложении переменного электрического напряжения к встречно-штыревому преобразователю 2 (к одной группе электродов 3 относительно другой группы электродов 4), за счет обратного пьезоэффекта в пьезоэлектрической подложке 1 возбуждаются механические колебания. В результате этого в пьезоэлектрической подложке 1 распространяются акустические волны, в том числе, поверхностная акустическая волна. Поверхностная акустическая волна распространяется вдоль поверхности от встречно-штыревого преобразователя 2 в стороны отражательных решеток 5 и 6, которые отражают ее обратно в сторону встречно-штыревого преобразователя 2, при этом за счет прямого пьезоэффекта на встречно-штыревом преобразователем 2 появляется переменное электрическое напряжение, которое складывается с учетом соответствующей фазы с приложенным электрическим напряжением. Для работы устройства требуется, по крайней мере, один встречно-штыревой преобразователь 2, обеспечивающий возбуждение механических колебаний, и, по крайней мере, две отражательные решетки 5 и 6, обеспечивающие отражение поверхностной акустической волны в сторону встречно-штыревого преобразователя 2.When an alternating electric voltage is applied to the interdigital transducer 2 (to one group of electrodes 3 relative to another group of electrodes 4), mechanical vibrations are excited due to the inverse piezoelectric effect in the piezoelectric substrate 1. As a result of this, acoustic waves propagate in the piezoelectric substrate 1, including a surface acoustic wave. The surface acoustic wave propagates along the surface from the interdigital transducer 2 to the sides of the reflective gratings 5 and 6, which reflect it back to the direction of the interdigital transducer 2, and due to the direct piezoelectric effect, an alternating electric voltage appears on the interdigital transducer 2, which develops taking into account the corresponding phase with the applied voltage. The device requires at least one interdigital transducer 2, which provides excitation of mechanical vibrations, and at least two reflective gratings 5 and 6, which reflect the surface acoustic wave in the direction of the interdigital transducer 2.

Поверх встречно-штыревого преобразователя 2 и отражательных решеток 5 и 6 расположен, по крайней мере, один слой 7, имеющий более высокую чувствительность физических свойств к измеряемым физическим воздействиям, чем пьезоэлектрическая подложка 1. Добавление слоя 7 приводит к модификации поверхностной акустической волны таким образом, что часть энергии волны распространяется в слое. За счет этого физические свойства слоя 7 оказывают влияние на скорость модифицированной слоем поверхностной акустической волны, а в результате на резонансную частоту датчика, несущую информацию о результатах измерения.At least one layer 7 is located on top of the interdigital transducer 2 and the reflective gratings 5 and 6, having a higher sensitivity of the physical properties to the measured physical influences than the piezoelectric substrate 1. The addition of layer 7 leads to a modification of the surface acoustic wave in such a way that part of the wave energy propagates in the layer. Due to this, the physical properties of layer 7 affect the speed of the surface acoustic wave modified by the layer, and as a result, the resonant frequency of the sensor, which carries information about the measurement results.

На некоторых частотах, называемых резонансными, за счет синфазного сложения волн, приходящих на встречно-штыревой преобразователь 2 в результате многократных отражений, электрические параметры устройства существенно отличаются от параметров на иных частотах. Резонансные частоты зависят от скорости распространения поверхностной акустической волны. При наличии физического воздействия скорость поверхностной волны в подложке изменяется, что приводит к изменению резонансных частот. Измерение резонансных частот производится посредством измерения электрических характеристик устройства, например, его частотной характеристики, или его импульсной характеристики.At some frequencies, called resonant, due to the in-phase addition of the waves arriving at the interdigital transducer 2 as a result of multiple reflections, the electrical parameters of the device differ significantly from the parameters at other frequencies. Resonant frequencies depend on the propagation velocity of a surface acoustic wave. In the presence of physical impact, the speed of the surface wave in the substrate changes, which leads to a change in the resonant frequencies. The resonance frequencies are measured by measuring the electrical characteristics of the device, for example, its frequency response, or its impulse response.

В режиме, использующим многократные отражения, устройство работает на резонансной частоте, как резонатор, при этом свойства отражательных решеток 5 и 6 должны быть одинаковыми, иначе они будут отражать на разных частотах и синфазного сложения акустических волн не произойдет. Поэтому отражательные решетки 5 и 6 должны быть расположены по обеим сторонам от втречно-штыревого преобразователя 2 и могут быть покрыты одинаковым слоем 7 из материала, имеющего более высокую чувствительность скорости акустической волны к измеряемым физическим воздействиям, чем материал пьезоэлектрической подложки 1In the regime using multiple reflections, the device operates at a resonant frequency, like a resonator, while the properties of the reflective gratings 5 and 6 must be the same, otherwise they will reflect at different frequencies and in-phase addition of acoustic waves will not occur. Therefore, the reflective gratings 5 and 6 should be located on both sides of the pin-pin transducer 2 and can be coated with the same layer 7 of a material having a higher sensitivity of the speed of the acoustic wave to the measured physical effects than the material of the piezoelectric substrate 1

Так как свойства пьезоэлектрической подложки 1 определяются свойствами пьезоэлектрического материала, например, монокристалла, то для наиболее чувствительного датчика выбирают не только сам монокристалл, но и ориентацию подложки, а именно, ориентацию среза и направление распространения поверхностной акустической волны. После осуществления выбора материала и среза монокристалла дальнейшее повышение чувствительности датчика, невозможно.Since the properties of the piezoelectric substrate 1 are determined by the properties of the piezoelectric material, for example, a single crystal, for the most sensitive sensor, not only the single crystal itself is selected, but also the orientation of the substrate, namely, the slice orientation and the propagation direction of the surface acoustic wave. After making a choice of material and cutting a single crystal, a further increase in the sensitivity of the sensor is impossible.

В качестве первого примера, рассмотрим датчик деформации на поверхностных акустических волнах. Его часто изготавливают из монокристаллического кварца. За счет выбора ориентации подложки и направления распространения поверхностной акустической волны можно увеличить чувствительность в 3-4 раза по сравнению с наиболее часто используемым ST-срезом кварца. Чувствительность скорости поверхностной акустической волны к статической деформации связана с соотношением между компонентами тензора модулей упругости третьего порядка и компонентами тензора модулей упругости второго порядка. В таблицах упругих свойств известных материалов присутствуют материалы, имеющие в несколько раз более высокие значения модулей упругости третьего порядка (по отношению к модулям упругости второго порядка), чем у пьезоэлектрических монокристаллов. Если слой 7 состоит из такого материала, то возможно дальнейшее повышение чувствительности датчика к деформации, по сравнению с тем значением, которое достигается только выбором пьезоэлектрического кристалла и ориентации.As a first example, consider a strain gauge on surface acoustic waves. It is often made from single crystal quartz. By choosing the orientation of the substrate and the direction of propagation of the surface acoustic wave, it is possible to increase the sensitivity by a factor of 3-4 compared with the most commonly used ST cut of quartz. The sensitivity of the surface acoustic wave velocity to static deformation is related to the relationship between the components of the third-order elastic modulus tensor and the components of the second-order elastic modulus tensor. In the tables of elastic properties of known materials there are materials having several times higher values of elastic moduli of the third order (relative to the elastic moduli of the second order) than piezoelectric single crystals. If layer 7 consists of such a material, then it is possible to further increase the sensitivity of the sensor to deformation, compared with the value that is achieved only by choosing a piezoelectric crystal and orientation.

В качестве другого примера рассмотрим датчик температуры. В пригодных для высоких частот пьезоэлектрических кристаллах, в зависимости от ориентации подложки, температурный коэффициент скорости поверхностных акустических волн может изменяться в пределах от -150 до +150 миллионных долей на градус Цельсия. Изменение резонансной частоты определяется температурным коэффициентом скорости поверхностных акустических волн и коэффициентом линейного расширения в направлении распространения поверхностных акустических волн (обычно, от -10 до +30 миллионных долей на градус Цельсия). Добавление слоя 7 из материала с высокой чувствительностью физических свойств к температуре приводит к повышению чувствительности скорости поверхностных акустических волн к температуре. В результате, применение такого слоя 7 позволяет довести нижний предел до -400 миллионных долей на градус Цельсия.As another example, consider a temperature sensor. In piezoelectric crystals suitable for high frequencies, depending on the orientation of the substrate, the temperature coefficient of the speed of surface acoustic waves can vary from -150 to +150 ppm per degree Celsius. The change in the resonant frequency is determined by the temperature coefficient of the velocity of the surface acoustic waves and the linear expansion coefficient in the direction of propagation of the surface acoustic waves (usually from -10 to +30 ppm per degree Celsius). Adding a layer 7 of a material with a high sensitivity of physical properties to temperature leads to an increase in the sensitivity of the speed of surface acoustic waves to temperature. As a result, the use of such a layer 7 allows you to bring the lower limit to -400 ppm per degree Celsius.

Использование полезной модели позволяет повысить точность измерения физических воздействийUsing a utility model allows to increase the accuracy of measuring physical effects

Claims

A sensor on surface acoustic waves containing a piezoelectric substrate, at least one interdigital transducer containing two groups of electrodes and at least two reflective gratings, characterized in that the reflective gratings are located on both sides of the interdigital transducer, the sensor is equipped with at least one layer located on top of the interdigital transducer and reflective gratings, consisting of a material having a higher sensitivity of physical properties measurable physical effects than the material of the piezoelectric substrate.