RU180725U1

RU180725U1 - HIGH TEMPERATURE MASS-SENSITIVE ELEMENT FOR Piezoresonance sensors

Info

Publication number: RU180725U1
Application number: RU2018102388U
Authority: RU
Inventors: Владимир Владимирович Аленков; Светлана Сергеевна Базалевская; Алексей Николаевич Забелин; Сергей Александрович Сахаров
Original assignee: Открытое акционерное общество "ФОМОС-МАТЕРИАЛС"
Priority date: 2018-01-22
Filing date: 2018-01-22
Publication date: 2018-06-21

Abstract

Использование: для измерения малых изменений массы с точностью до нескольких микрограммов при высоких температурах в режиме реального времени. Сущность полезной модели заключается в том, что высокотемпературный резонансный масс-чувствительный элемент для пьезорезонансных датчиков содержит плосковыпуклую пластину и электроды, выполненные в виде слоев металлизации на плоской и выпуклой сторонах пластины, где пластина выполнена из пьезоэлектрического материала, относящегося к семейству лангасита, и имеет ориентацию Y-среза, при этом электрод плоской стороны пластины выполнен в виде сплошного слоя металлизации, а электрод выпуклой стороны и пластины выполнен дискретным и состоит из центральной части и периферической части, указанные части электрода выпуклой стороны пластины соединены между собой слоем металлизации в направлении кристаллофизической оси Z, а в направлении кристаллофизической оси Y в слое металлизации периферической части электрода выполнен разрыв. Технический результат: обеспечение возможности увеличения интервала температур эксплуатации датчиков в области высоких температур. 6 з.п. ф-лы, 7 ил.Usage: for measuring small changes in mass with an accuracy of several micrograms at high temperatures in real time. The essence of the utility model is that a high-temperature resonant mass-sensitive element for piezoresonance sensors contains a plano-convex plate and electrodes made in the form of metallization layers on the flat and convex sides of the plate, where the plate is made of piezoelectric material belonging to the langasite family and has an orientation Y-cut, while the electrode of the flat side of the plate is made in the form of a continuous layer of metallization, and the electrode of the convex side and the plate is made discrete and um from the central portion and peripheral portion, said convex portion side of the electrode plate are interconnected metallization layer in the direction of crystallographic axis Z, and a crystallographic Y axis direction in the layer of metallization of the peripheral part of the electrode gap is formed. Effect: providing the possibility of increasing the temperature range of operation of the sensors in the high temperature region. 6 c.p. f-ly, 7 ill.

Description

пПолезная модель относится к измерительной технике, в частности к устройствам для измерения малых изменений массы (10^-6 г) с точностью до нескольких микрограммов в режиме реального времени. Более конкретно, полезная модель относится к масс-чувствительным элементам резонансного типа с колебаниями сдвига по толщине, содержащим пьезоэлектрические кристаллы семейства лангасита. В частности, данный чувствительный элемент предназначен для контроля толщины и скорости нанесения диэлектрических, полупроводниковых и проводящих пленок в высокотемпературном диапазоне.The useful model relates to measuring equipment, in particular, to devices for measuring small changes in mass (10 ^-6 g) with an accuracy of several micrograms in real time. More specifically, the utility model relates to mass-sensitive elements of a resonance type with thickness shear oscillations containing piezoelectric crystals of the langasite family. In particular, this sensor is designed to control the thickness and deposition rate of dielectric, semiconductor and conductive films in the high temperature range.

Известно, что важнейшим функциональным узлом систем контроля являются датчики физических величин, воспринимающие информацию о состоянии параметров контролируемого объекта техники. Первичным узлом датчиков, регистрирующим и передающим информацию о параметрах объекта, является чувствительный элемент из пьезоэлектрического материала, который преобразует неэлектрические физические величины в электрические сигналы (см., например, патент Японии JP, 2014157099, патент US, 5869763). Достоинствами таких датчиков являются малые размеры, безинерционность и пассивный принцип действия (не требуется внешний источник электрической энергии).It is known that the most important functional unit of control systems are sensors of physical quantities that perceive information about the state of the parameters of the controlled object. The primary sensor node that registers and transmits information about the parameters of the object is a sensitive element made of piezoelectric material that converts non-electric physical quantities into electrical signals (see, for example, Japanese Patent JP, 2014157099, US Pat. No. 5,869,763). The advantages of such sensors are small size, inertia-free and passive principle of operation (an external source of electrical energy is not required).

Масс-чувствительный датчик, находящийся в рабочей камере установки для нанесения пленок на подложку в тех же условиях, что и подложка, является так называемым спутником подложки, при этом резонансная структура чувствительного элемента используется как шкала для определения массы в режиме реального времени и позволяет контролировать толщину наносимых пленок в диапазоне от нескольких нанометров до единиц микрометров.The mass-sensitive sensor located in the working chamber of the installation for applying films to the substrate under the same conditions as the substrate is the so-called satellite of the substrate, while the resonant structure of the sensor is used as a scale for determining mass in real time and allows you to control the thickness deposited films in the range from a few nanometers to units of micrometers.

В основе работы масс-чувствительных элементов для пьезорезонансных чувствительных датчиков лежит обратный пьезоэлектрический эффект, который заключается в преобразовании электрического напряжения, подводимого к электродам, расположенным на противоположных поверхностях пьезоэлектрической пластины, в механические деформации пластины. Принцип работы пьезорезонансного масс-чувствительного элемента основан на зависимости собственной резонансной частоты механических колебаний чувствительного элемента от величины присоединяемой к его поверхности массы вещества, причем относительное изменение собственной резонансной частоты механических колебаний чувствительного элемента пропорционально относительному изменению массы чувствительного элемента. Изменение массы чувствительного элемента в течение процесса нанесения пленок материалов приводит к изменению его резонансной частоты, что обеспечивает возможность расчета толщины нанесенной пленки и скорости ее нанесения при известной плотности материала пленки.The operation of mass-sensitive elements for piezoresonance sensitive sensors is based on the inverse piezoelectric effect, which consists in converting the electrical voltage supplied to the electrodes located on opposite surfaces of the piezoelectric plate into mechanical deformations of the plate. The principle of operation of the piezoresonant mass-sensitive element is based on the dependence of the natural resonant frequency of the mechanical vibrations of the sensitive element on the amount of mass of substance attached to its surface, and the relative change in the natural resonant frequency of the mechanical vibrations of the sensitive element is proportional to the relative change in the mass of the sensitive element. A change in the mass of the sensitive element during the process of applying films of materials leads to a change in its resonant frequency, which makes it possible to calculate the thickness of the deposited film and its deposition rate at a known film material density.

Чувствительный элемент имеет набор собственных резонансных частот механических колебаний, спектр которых определяется упругими свойствами пьезоматериала, ориентацией, размерами и конструктивным выполнением пьезоэлектрической пластины и электродов, а также типом деформаций пьезоэлектрической пластины в процессе колебаний. Для того, чтобы заданный тип колебаний был возбужден, необходимо, чтобы электрическое поле, создаваемое при подводе к электродам электрического сигнала, возбуждало на основе обратного пьезоэлектрического эффекта соответствующий тип деформаций в объеме пьезоэлектрической пластины.The sensitive element has a set of natural resonant frequencies of mechanical vibrations, the spectrum of which is determined by the elastic properties of the piezoelectric material, the orientation, dimensions and design of the piezoelectric plate and electrodes, as well as the type of deformation of the piezoelectric plate during the oscillations. In order for a given type of oscillation to be excited, it is necessary that the electric field created when an electric signal is applied to the electrodes excite, on the basis of the inverse piezoelectric effect, the corresponding type of deformation in the volume of the piezoelectric plate.

Последнее время востребованы устройства для измерения толщины пленок в условиях высоких температур. В процессе вакуумного нанесения пленок на подложку датчики для измерения толщины пленок работают в экстремальных условиях, т.к. средняя температура в установке нанесения пленок достигает величины порядка 1000°С. Кроме того, датчик, предназначенный для контроля толщины пленок в условиях повышенных температур, должен обладать высокой точностью измерения контролируемого параметра и быть надежен.Recently, devices for measuring film thickness at high temperatures are in demand. In the process of vacuum deposition of films on a substrate, sensors for measuring the thickness of films operate under extreme conditions, since the average temperature in the film-coating installation reaches a value of the order of 1000 ° C. In addition, the sensor, designed to control the thickness of the films at elevated temperatures, should have high accuracy of measurement of the controlled parameter and be reliable.

В связи с этим к материалу для изготовления чувствительного элемента пьезорезонансных масс-чувствительных датчиков предъявляются жесткие требования: отсутствие фазовых переходов в пьезоэлектрическом кристалле вплоть до температур вакуумного нанесения пленок, отсутствие пироэлектрического эффекта, отсутствие гистерезиса физических свойств, высокая чувствительность, определяемая высоким значением пьезомодулей материала; высокое удельное электрическое сопротивление; низкая деградация поверхности материала при контакте с электродами (см., например, J. Stade, et. all. "Electro-optic, Piezoelectric and Dielectric Properties of Langasite (La₃Ga₅SiO₁₄), Langanite (La₃Ga_5.5Nb_0.5O₁₄) and Langataite (La₃Ga_5.5Ta_0:5O₁₄)". Crystall Res. Technology 37, p. 1113-1120, 2002, а также патент US, 7622851, "High temperature piezoelectric material").In this regard, strict requirements are imposed on the material for the manufacture of the sensitive element of piezoresonant mass-sensitive sensors: the absence of phase transitions in the piezoelectric crystal up to the temperatures of vacuum film deposition, the absence of the pyroelectric effect, the absence of hysteresis of physical properties, high sensitivity, determined by the high value of the piezoelectric modules of the material; high electrical resistivity; low degradation of the surface of the material upon contact with the electrodes (see, for example, J. Stade, et. all. "Electro-optic, Piezoelectric and Dielectric Properties of Langasite (La ₃ Ga ₅ SiO ₁₄ ), Langanite (La ₃ Ga _5.5 Nb _0.5 O ₁₄ ) and Langataite (La ₃ Ga _5.5 Ta _{0: 5} O ₁₄ ). "Crystall Res. Technology 37, p. 1113-1120, 2002, and also US patent 7622851," High temperature piezoelectric material ").

Типичные резонансные конструкции чувствительных элементов основаны на использовании кристаллов кварца для контроля изменений по массе в процессе осаждения пленок при производстве твердотельных электронных устройств. Так, опубликованная Европейская патентная заявка ЕР 1365227 раскрывает датчики, которые состоят из кварцевого резонатора АТ-среза или ВТ-среза. Увеличение или удаление массы с резонатора приводит к изменению частоты. Изменение по массе может быть рассчитано на основе изменения частоты. Для малых изменений по массе, изменение частоты линейно пропорционально изменению по массе, при условии, что температура остается постоянной в процессе нанесения пленки.Typical resonant designs of sensitive elements are based on the use of quartz crystals to control changes in mass during the deposition of films in the manufacture of solid-state electronic devices. So, published European patent application EP 1365227 discloses sensors that consist of a quartz resonator AT-cut or BT-cut. An increase or removal of mass from the resonator leads to a change in frequency. The change in mass can be calculated based on the change in frequency. For small changes in mass, the change in frequency is linearly proportional to the change in mass, provided that the temperature remains constant during film deposition.

Известны резонансные кварцевые масс-чувствительные датчики, предназначенные для измерения толщины пленки в процессе их напыления на подложку (см. Малов В.В. «Пьезорезонансные датчики», 1989, а также патенты US, 8925385 и US, 5869763; патент JP, 2008026099 и опубликованная патентная заявка US, Patent Appln. 2002/0088284). Кварц является наиболее широко распространенным пьезоэлектрическим материалом для масс-чувствительных датчиков благодаря его физическо-химическим свойствами. Достоинством известного типа датчиков на кварце является то, что резонаторы на основе кварца могут производиться в большом количестве при невысокой себестоимости, а также позволяют работать в температурном диапазоне от абсолютного нуля до температуры 350°С. К недостатку кварцевых датчиков относится ограниченный температурный диапазон применения в области высоких температур. Применение кварцевых масс-чувствительных датчиков в установках вакуумного напыления, в частности при молекулярно-лучевой эпитаксии, где процесс выращивания пленок происходит в глубоком вакууме при температуре 400-800°С, невозможно, так как у кристаллов кварца наблюдается фазовый переход при температуре 573°С, при этом рабочая температура кварцевых масс-чувствительных датчиков значительно ниже и составляет 350°С. Еще одним существенным недостатком кварца является относительно малое значение коэффициента электромеханической связи (КЭМС), приблизительно 7%.Known resonant quartz mass-sensitive sensors designed to measure the thickness of the film during their deposition on the substrate (see Malov V.V. "Piezoresonance sensors", 1989, as well as US patents, 8925385 and US, 5869763; JP patent, 2008026099 and published patent application US, Patent Appln. 2002/0088284). Quartz is the most widely used piezoelectric material for mass-sensitive sensors due to its physical and chemical properties. An advantage of the known type of sensors on quartz is that quartz-based resonators can be produced in large quantities at low cost, and also allow you to work in the temperature range from absolute zero to a temperature of 350 ° C. The disadvantage of quartz sensors is the limited temperature range of application in the field of high temperatures. The use of quartz mass-sensitive sensors in vacuum deposition plants, in particular for molecular beam epitaxy, where the film growing process takes place in high vacuum at a temperature of 400-800 ° C, is impossible, since a phase transition is observed in quartz crystals at a temperature of 573 ° C , while the operating temperature of quartz mass-sensitive sensors is much lower and is 350 ° C. Another significant disadvantage of quartz is the relatively low value of the coefficient of electromechanical coupling (CEMS), approximately 7%.

Опубликованная патентная заявка US, 2002/0088284 раскрывает конструкцию масс-чувствительного элемента, в котором коммуникационная плата и диафрагма соединены друг с другом соответствующими сторонами в направлении, перпендикулярном направлению, в котором диафрагма соединена с платой, а пьезоэлектрический элемент, состоящий из пьезоэлектрической пленки и электрода, установлен на одной из плоских поверхностей чувствительной платы, и резонансной части, включающей диафрагму, плату, коммуникационную плату, а пьезоэлектрический элемент соединен с сенсорной подложной. Изменение массы диафрагмы измеряется путем измерения изменения резонансной частоты резонансной части элемента, сопровождающей изменение массы диафрагмы. Известный масс-чувствительный датчик позволяет точно измерять массу с помощью нанограммы, в том числе массу микроорганизмов, таких как бактерии и вирусы, химические субстанции, а также известный датчик позволяет измерять толщину пленок, осажденных из паровой фазы.US Patent Application Publication No. 2002/0088284 discloses a mass-sensitive element in which the communication board and the diaphragm are connected to each other by respective sides in a direction perpendicular to the direction in which the diaphragm is connected to the board and the piezoelectric element consisting of a piezoelectric film and an electrode mounted on one of the flat surfaces of the sensitive board, and the resonant part, including the diaphragm, board, communication board, and the piezoelectric element is connected with touch fake. The change in the mass of the diaphragm is measured by measuring the change in the resonant frequency of the resonant part of the element accompanying the change in mass of the diaphragm. The well-known mass-sensitive sensor allows you to accurately measure the mass using nanograms, including the mass of microorganisms such as bacteria and viruses, chemical substances, as well as the known sensor allows you to measure the thickness of the films deposited from the vapor phase.

Известен также масс-чувствительный датчик на основе кристалла лангасита для контроля свертываемости крови (D. Shen et al., Sensor and Actuator В 119 (2006) 99-14). Пьезоэлектрические кристаллы из семейства лангасита, принадлежащие к точечной группе симметрии 32, представляют большой интерес для современной акустоэлектроники и пьезотехники. В отличие от кварца, кристаллы из семейства лангасита, сохраняют свои пьезоэлектрические свойства вплоть до температуры плавления 1470°С, что позволяет создавать на их основе различные типы высокотемпературных датчиков.Also known is a mass-sensitive sensor based on a langasite crystal for controlling blood coagulation (D. Shen et al., Sensor and Actuator B 119 (2006) 99-14). Piezoelectric crystals from the langasite family, belonging to the point group of symmetry 32, are of great interest for modern acoustoelectronics and piezotechnics. Unlike quartz, crystals from the langasite family retain their piezoelectric properties up to a melting point of 1470 ° C, which allows them to create various types of high-temperature sensors on their basis.

Преимуществом кристаллов лангасита La₃Ga₅SiO₁₄ (LGS) является также коэффициент электромеханической связи КЭМС, величина которого в три раза превышает значение КЭМС кварца. Однако известный чувствительный элемент вследствие его конструктивных особенностей не пригоден для контроля толщины и скорости нанесения диэлектрических, полупроводниковых и проводящих пленок. Хотя резонансная частота кристаллического резонатора из лангасита высоко чувствительна к изменениям массы, она также чувствительна к изменениям температуры, т.е. изменение резонансной частоты, зависит от обоих изменений как по массе, так и по температуре. Поскольку температура испарителя материала пленки может превышать 1000-1300°С, то потоки тепла с него могут изменить среднюю температуру резонатора на 20-100°С. Поэтому для обеспечения точности измерения масс-чувствительными датчиками резонансного типа необходимо, чтобы чувствительные элементы имели минимальное влияние температуры на изменение частоты.The advantage of the La ₃ Ga ₅ SiO ₁₄ (LGS) langasite crystals is also the electromechanical coupling coefficient of CEMS, the value of which is three times higher than the value of CEMS of quartz. However, the known sensitive element due to its design features is not suitable for controlling the thickness and deposition rate of dielectric, semiconductor and conductive films. Although the resonant frequency of the langasite crystal resonator is highly sensitive to mass changes, it is also sensitive to temperature changes, i.e. a change in the resonant frequency depends on both changes in both mass and temperature. Since the temperature of the evaporator of the film material can exceed 1000–1300 ° С, the heat fluxes from it can change the average temperature of the resonator by 20–100 ° С. Therefore, to ensure the accuracy of measurements by mass-sensitive sensors of a resonant type, it is necessary that the sensitive elements have a minimal effect of temperature on the frequency change.

По этой причине имеется потребность в промышленном производстве экономически эффективных миниатюрных высокоточных чувствительных элементов, которые могли бы обеспечить работу датчиков массы и толщины пленок при температурах не ниже 250°С в режиме реального времени, при этом точность измерения толщины должна составлять нанометры.For this reason, there is a need for the industrial production of cost-effective miniature high-precision sensitive elements that could ensure the operation of the sensors of mass and film thickness at temperatures not lower than 250 ° C in real time, while the accuracy of the thickness measurement should be nanometers.

В рамках данной заявки решается задача разработки такой конструкции масс-чувствительного элемента для пьезорезонансных датчиков, которая позволила бы увеличить интервал температур эксплуатации датчиков в область высоких температур и обеспечить их работоспособность при температуре не ниже 250°С путем исключения фазового перехода в пьезоэлектрическом материале датчика. Решается также задача сохранения точности и надежности измерения массы и толщины сверхтонких пленок в процессе их напыления на подложку. Имеется потребность в решении задачи разработки такой конструкции высокотемпературных чувствительных элементов для пьезорезонансных датчиков, резонансная частота которых практически не зависела бы от температуры эксплуатации датчиков при температуре в диапазоне не ниже 250°С, т.е. в диапазоне температур ≥ 250°С.Within the framework of this application, the task of developing such a design of a mass-sensitive element for piezoresonant sensors is solved that would allow to increase the temperature range of operation of the sensors to high temperatures and ensure their operability at a temperature of at least 250 ° C by eliminating the phase transition in the piezoelectric sensor material. The problem of preserving the accuracy and reliability of measuring the mass and thickness of ultrathin films during their deposition on a substrate is also being solved. There is a need to solve the problem of developing such a design of high-temperature sensitive elements for piezoresonance sensors, the resonant frequency of which would practically not depend on the operating temperature of the sensors at a temperature in the range of at least 250 ° C, i.e. in the temperature range ≥ 250 ° С.

Поставленная задача решается тем, что высокотемпературный резонансный масс-чувствительный элемент для пьезорезонансных датчиков содержит плосковыпуклую пластину и электроды, выполненные в виде слоев металлизации на плоской и выпуклой сторонах пластины, где пластина выполнена из пьезоэлектрического материала, относящегося к семейству лангасита, и имеет ориентацию Y-среза, при этом электрод плоской стороны пластины выполнен в виде сплошного слоя металлизации, а электрод выпуклой стороны пластины выполнен дискретным и состоит из центральной части и периферической части, указанные части электрода выпуклой стороны пластины соединены между собой слоем металлизации в направлении кристаллофизической оси Z, а в направлении кристаллофизической оси Y в слое металлизации периферической части электрода выполнен разрыв.The problem is solved in that the high-temperature resonant mass-sensitive element for piezoresonance sensors contains a plano-convex plate and electrodes made in the form of metallization layers on the flat and convex sides of the plate, where the plate is made of piezoelectric material belonging to the langasite family and has a Y- orientation cut, while the electrode of the flat side of the plate is made in the form of a continuous layer of metallization, and the electrode of the convex side of the plate is made discrete and consists of a center of the main part and the peripheral part, said electrode parts of the convex side of the plate are interconnected by a metallization layer in the direction of the crystalline axis Z, and a gap is made in the metallization layer of the peripheral part of the electrode in the direction of the crystalline axis Y.

Предпочтительно, плосковыпуклая пластина выполнена из материала, взятого из ряда: лангасит La₃Ga₅SiO₁₄, лангатат La₃Ta_0,5Ga_5,5O₁₄, катангасит Ca₃TaGa₃Si₂O₁₄, при этом данная пластина имеет ориентацию повернутого Y-среза с углом поворота β, взятым из диапазона 0°<β≤60°.Preferably, the plano-convex plate is made of material taken from the series: langasite La ₃ Ga ₅ SiO ₁₄ , langatate La ₃ Ta _0.5 Ga _5.5 O ₁₄ , catangasite Ca ₃ TaGa ₃ Si ₂ O ₁₄ , while this plate has an orientation a rotated Y-slice with a rotation angle β taken from the range 0 ° <β≤60 °.

Целесообразно, что пьезоэлектрическая пластина имеет толщину из диапазона от 0,060 до 0,69 мм и собственную частоту колебаний из диапазона от 2,0 МГц до 20,0 МГц, а отношение диаметра плоской стороны пластины к толщине пластины составляет величину не менее 50. Кроме того, радиус кривизны выпуклой стороны пластины составляет величину из диапазона 200-300 мм, при этом шероховатость поверхностей плосковыпуклой пластины не превышает 0,2 мкм.It is advisable that the piezoelectric plate has a thickness from the range from 0.060 to 0.69 mm and a natural oscillation frequency from the range from 2.0 MHz to 20.0 MHz, and the ratio of the diameter of the flat side of the plate to the thickness of the plate is at least 50. In addition , the radius of curvature of the convex side of the plate is a value from the range of 200-300 mm, while the surface roughness of the plano-convex plate does not exceed 0.2 μm.

Предпочтительно, что слои металлизации плоской и выпуклой сторон пластины выполнены из металлов, взятых из ряда: иридий, золото, платина.It is preferable that the metallization layers of the flat and convex sides of the plate are made of metals taken from the series: iridium, gold, platinum.

Сущность полезной модели состоит в том, что пьезоэлектрический масс-чувствительный элемент для датчиков содержит пластину, которая изготавливается из повернутых Y-срезов кристаллов семейства лангасита, при этом предъявляются требования к форме пластины и геометрии электродов. Для обеспечения в пьезоэлектрической пластине механических колебаний вида сдвиг по толщине, а также для обеспечения минимального ухода собственной частоты от температуры, пьезоэлектрическая пластина имеет плосковыпуклую форму и ориентацию, соответствующую кристаллографической плоскости (01.0), повернутой относительно кристаллофизической оси Y на угол β, величина которого предпочтительно взята из диапазона 0°<β≤60°.The essence of the utility model is that the piezoelectric mass-sensitive element for the sensors contains a plate, which is made of rotated Y-slices of crystals of the langasite family, with requirements for the shape of the plate and the geometry of the electrodes. In order to provide mechanical vibrations of the form in the piezoelectric plate, a shift in thickness, as well as to ensure a minimum deviation of the natural frequency from temperature, the piezoelectric plate has a plano-convex shape and orientation corresponding to the crystallographic plane (01.0), rotated relative to the crystalline axis Y by an angle β, the value of which is preferably taken from the range 0 ° <β≤60 °.

Как было указано выше, собственная частота колебаний чувствительного элемента может изменяться не только вследствие изменения его массы, но и вследствие температурной зависимости собственной частоты колебаний чувствительного элемента. Для того чтобы снизить влияние температуры на работу чувствительного элемента в данной полезной модели использованы повернутые Y-срезы монокристаллов (см. фиг. 2), таких как лангасит (ЛГС - La₃Ga₅SiO₁₄), лангатат (ЛГТ - La₃Ta_0,5Ga_5,5O₁₄), катангасит (КТГС - Ca₃TaGa₃Si₂O₁₄). Выбор монокристалла (ЛГС, ЛГТ или КТГС) определяется температурой эксплуатации датчика, при этом для более высокотемпературных диапазонов эксплуатации предпочтительнее использование монокристалла катангасита КТГС.As indicated above, the natural frequency of the oscillations of the sensitive element can vary not only due to changes in its mass, but also due to the temperature dependence of the natural frequency of the oscillations of the sensitive element. In order to reduce the influence of temperature on the operation of the sensitive element in this utility model, rotated Y-sections of single crystals (see Fig. 2), such as langasite (LGS - La ₃ Ga ₅ SiO ₁₄ ), langatate (LGT - La ₃ Ta _{0, were used , 5} Ga _5.5 O ₁₄ ), katangasit (CTGS - Ca ₃ TaGa ₃ Si ₂ O ₁₄ ). The choice of a single crystal (LGS, LGT or CTGS) is determined by the operating temperature of the sensor, while for higher-temperature ranges of operation, it is preferable to use a single crystal of catangasite KTGS.

Экспериментально было установлено, что спектр колебаний чувствительных элементов плосковыпуклого профиля пластины значительно чище, чем спектр колебаний чувствительных элементов плоского профиля пластины.It was experimentally found that the vibration spectrum of the sensitive elements of the plano-convex profile of the plate is much cleaner than the vibration spectrum of the sensitive elements of the flat profile of the plate.

Сущность высокотемпературного резонансного масс-чувствительного элемента для пьезорезонансных датчиков, согласно данной полезной модели, поясняется графическим материалом, где:The essence of the high-temperature resonant mass-sensitive element for piezoresonance sensors, according to this utility model, is illustrated by graphic material, where:

Фиг. 1 иллюстрирует вертикальное сечение пьезоэлектрической пластины плосковыпуклой формы.FIG. 1 illustrates a vertical section of a plane-convex piezoelectric plate.

Фиг. 2 иллюстрирует кристаллофизическую ориентацию пьезоэлектрической пластины и расположение кристаллофизических осей X, Y, Z для повернутых Y-срезов на поверхности пьезоэлектрической пластины.FIG. 2 illustrates the crystallophysical orientation of the piezoelectric plate and the arrangement of the crystallophysical axes X, Y, Z for rotated Y-slices on the surface of the piezoelectric plate.

Фиг. 3 изображает вид на плоскую сторону пластины чувствительного элемента.FIG. 3 depicts a view of the flat side of the plate of the sensing element.

Фиг. 4 изображает вид на выпуклую сторону пластины чувствительного элемента.FIG. 4 depicts a view of the convex side of the plate of the sensing element.

Фиг. 5 иллюстрирует пьезоэлектрический датчик с чувствительным элементом.FIG. 5 illustrates a piezoelectric sensor with a sensing element.

Фиг. 6 иллюстрирует зависимость изменения резонансной частоты чувствительного элемента от температуры.FIG. 6 illustrates the temperature dependence of the change in the resonant frequency of the sensor element.

Фиг. 7 иллюстрирует зависимость изменения резонансной частоты чувствительного элемента от изменения толщины нанесенной пленки.FIG. 7 illustrates the dependence of the change in the resonant frequency of the sensitive element on the change in the thickness of the deposited film.

Для пояснения сущности полезной модели на чертежах введены следующие обозначения: 1 - пьезоэлектрическая пластина; 2 - выпуклая сторона пластины; 3 - плоская сторона пластины; 4 - электрод плоской стороны пьезоэлектрической пластины; 5 - электрод выпуклой стороны пьезоэлектрической пластины; 6 - чувствительный элемент; 7 - металлический корпус; 8 - металлическая крышка; 9 - отверстие в металлическом корпусе.To clarify the essence of the utility model, the following notations are introduced in the drawings: 1 - piezoelectric plate; 2 - convex side of the plate; 3 - flat side of the plate; 4 - electrode of the flat side of the piezoelectric plate; 5 - electrode of the convex side of the piezoelectric plate; 6 - a sensitive element; 7 - metal case; 8 - metal cover; 9 - hole in a metal case.

Масс-чувствительный элемент 6, согласно полезной модели, представляет собой плосковыпуклую пьезоэлектрическую пластину 1 (см. фиг. 1) с нанесенными на ее стороны 2 и 3 электродами 4 и 5 (см. фиг. 3 и фиг. 4). Чувствительный элемент изготавливается путем осаждения пленки металла на обе стороны 2, 3 тонкой плосковыпуклой пьезоэлектрической пластины 1 с образованием пары металлических электродов 4 и 5, а электрическое напряжение подается на эти электроды. Когда прикладывается электрическое поле между парой электродов, пьезоэлектрическая пластина генерирует вибрацию, имеющую постоянную периодичность. Когда вещество осаждается на один электрод, генерируется сигнал уменьшения частоты. В этом случае существует линейная зависимость между весом осаждаемого вещества и изменением резонансной частоты чувствительного элемента. Например, когда Y-срез лангасита работает на частоте f=6 МГц, осаждение на один электрод вещества, имеющего вес 1 нг, вызывает изменение частоты примерно на 1 Гц, поэтому масса вещества, имеющая экстремально малый вес, может быть измерена.The mass-sensitive element 6, according to a utility model, is a flat-convex piezoelectric plate 1 (see Fig. 1) with electrodes 4 and 5 deposited on its sides 2 and 3 (see Fig. 3 and Fig. 4). The sensitive element is made by depositing a metal film on both sides 2, 3 of a thin plane-convex piezoelectric plate 1 with the formation of a pair of metal electrodes 4 and 5, and an electric voltage is supplied to these electrodes. When an electric field is applied between a pair of electrodes, the piezoelectric plate generates a vibration having a constant periodicity. When a substance is deposited on one electrode, a frequency reduction signal is generated. In this case, there is a linear relationship between the weight of the deposited substance and the change in the resonant frequency of the sensitive element. For example, when the Y-section of langasite operates at a frequency of f = 6 MHz, deposition on a single electrode of a substance having a weight of 1 ng causes a frequency change of about 1 Hz, so the mass of a substance having an extremely low weight can be measured.

Частота колебаний - удобный параметр для дальнейшей обработки информации о массе и толщине пленки, а при определенной кристаллографической ориентации пластины, выполненной согласно данной полезной модели, резонансная частота практически не зависит от температуры, что позволяет измерять массу и толщину с высокой точностью.The oscillation frequency is a convenient parameter for further processing information about the mass and thickness of the film, and for a certain crystallographic orientation of the plate, made according to this utility model, the resonant frequency is practically independent of temperature, which makes it possible to measure mass and thickness with high accuracy.

Колебания, соответствующие резонансной частоте, возбуждаются, согласно полезной модели, в области центрального слоя металлизации выпуклой стороны пластины 2, выполненного, например, в форме круга. Данная форма слоя металлизации выпуклой стороны пластины выбрана таким образом, чтобы обеспечить моночастотность амплитудно-частотной характеристики чувствительного элемента. Резонансная частота чувствительного элемента выбирается из диапазона от 2,0 МГц до 20,0 МГц.Oscillations corresponding to the resonant frequency are excited, according to a utility model, in the region of the central metallization layer of the convex side of the plate 2, made, for example, in the form of a circle. This shape of the metallization layer of the convex side of the plate is selected in such a way as to ensure the mono-frequency amplitude-frequency characteristics of the sensitive element. The resonant frequency of the sensor is selected from the range from 2.0 MHz to 20.0 MHz.

Материал электродов не оказывает влияние на частотный отклик и температурно-частотные характеристики чувствительных элементов. Материал электродов должен быть выбран в зависимости от рабочей температуры и среды, в которой используется чувствительный элемент. В качестве материала для электродов в зависимости от конкретной температуры применения датчика, служит золото, иридий или платина. Для применения датчика при относительно невысоких температурах (до 500°С) используются как золото, так и иридий. Для высокотемпературного диапазона эксплуатации датчика (выше 500°С) в качестве материала электрода используется только иридий.The material of the electrodes does not affect the frequency response and temperature-frequency characteristics of the sensitive elements. The material of the electrodes should be selected depending on the operating temperature and the environment in which the sensitive element is used. As a material for the electrodes, depending on the specific temperature of the sensor, is gold, iridium or platinum. To use the sensor at relatively low temperatures (up to 500 ° C), both gold and iridium are used. For the high-temperature range of operation of the sensor (above 500 ° C), only iridium is used as the electrode material.

Ниже приведены неограничивающие примеры реализации высокотемпературного чувствительного элемента, согласно данной полезной модели, для контроля толщины пленки в режиме реального времени, т.е. во время процесса напыления в установке вакуумного напыления пленок и химического осаждения пленок.Below are non-limiting examples of the implementation of a high-temperature sensitive element, according to this utility model, for monitoring film thickness in real time, i.e. during the deposition process in a vacuum deposition of films and chemical deposition of films.

Пример 1.Example 1

Чувствительный элемент, согласно данной полезной модели, изготавливается путем резки предварительно выращенного объемного кристалла лангасита на пьезоэлектрические пластины, имеющие ориентацию Y-среза, последующей шлифовки полученных пластин семейства лангасита до заданного радиуса кривизны выпуклой стороны пластины и до заданной толщины, соответствующей заданной собственной резонансной частоте механических колебаний чувствительного элемента, и последующего формирования пары электродов на плоской и выпуклой сторонах пластины путем нанесения слоев металлизации заданной толщины и геометрии.The sensitive element, according to this utility model, is made by cutting a pre-grown bulk langasite crystal into piezoelectric plates having a Y-section orientation, then grinding the resulting langasite family plates to a given radius of curvature of the convex side of the plate and to a given thickness corresponding to a given natural resonant frequency of the mechanical oscillations of the sensitive element, and the subsequent formation of a pair of electrodes on the flat and convex sides of the plate p applying the metallization layers a predetermined thickness and geometry.

Предварительно изготавливается пьезоэлектрическая пластина 1 диаметром, равным 14 мм, одна сторона пластины плоская, а радиус кривизны R выпуклой стороны 2 равен R=250 мм (см. фиг. 1). При шлифовке плосковыпуклая форма пьезоэлектрической пластины 1 выполнятся с отношением диаметра плоской стороны 3 к толщине пластины равным 56. Пластина шлифуется до толщины из диапазона от 0,060 до 0,69 мм, что соответствует собственной частоте колебаний из диапазона от 2,0 МГц до 20,0 МГц. Толщина пластины чувствительного элемента 0,23 мм определяет собственную частоту колебаний величиной 6,0 МГц.A piezoelectric plate 1 with a diameter of 14 mm is preliminarily made, one side of the plate is flat, and the radius of curvature R of the convex side 2 is R = 250 mm (see Fig. 1). When grinding, the plane-convex shape of the piezoelectric plate 1 will be performed with the ratio of the diameter of the flat side 3 to the plate thickness equal to 56. The plate is ground to a thickness from the range from 0.060 to 0.69 mm, which corresponds to the natural frequency of oscillations from the range from 2.0 MHz to 20.0 MHz The thickness of the plate of the sensor element 0.23 mm determines the natural frequency of oscillations of 6.0 MHz.

Шероховатость выпуклой стороны 2 пьезоэлектрической пластины (обратная сторона чувствительного элемента 6) и плоской стороны 3 пьезоэлектрической пластины (лицевая сторона чувствительного элемента 6) не превышает 0,2 мкм. Электрод плоской стороны пьезоэлектрической пластины 4 и электрод выпуклой стороны пьезоэлектрической пластины 5 формируют в виде слоев металлизации методом вакуумного напыления. На плоской стороне 3 пластины (лицевой стороне) электрод 4 покрывает всю плоскую поверхность пьезоэлектрической пластины 1 с односторонней фаской, величина диаметра электрода равна 13 мм (см. фиг. 3). Для локализации энергии механических колебаний в пьезоэлектрической пластине 1, на выпуклой стороне пластины 2 (обратная сторона чувствительного элемента 6) методом вакуумного напыления формируется электрод 5 диаметром от 3 мм до 6 мм, покрывающий только центральную часть выпуклой стороны пьезоэлектрической пластины 1 (см. фиг. 4). В качестве материала электродов 4 и 5 используется золото, платина или иридий. Золотые электроды толщиной 100 нм наносятся резистивным методом, а иридиевые электроды аналогичных диаметра и толщины наносятся методом магнетронного напыления в вакууме.The roughness of the convex side 2 of the piezoelectric plate (back side of the sensor 6) and the flat side 3 of the piezoelectric plate (front of the sensor 6) does not exceed 0.2 μm. The electrode of the flat side of the piezoelectric plate 4 and the convex side electrode of the piezoelectric plate 5 are formed in the form of metallization layers by vacuum deposition. On the flat side 3 of the plate (front side), the electrode 4 covers the entire flat surface of the piezoelectric plate 1 with a one-sided chamfer, the diameter of the electrode is 13 mm (see Fig. 3). To localize the energy of mechanical vibrations in the piezoelectric plate 1, on the convex side of the plate 2 (the reverse side of the sensing element 6), an electrode 5 with a diameter of 3 mm to 6 mm is formed by vacuum spraying, covering only the central part of the convex side of the piezoelectric plate 1 (see Fig. four). As the material of the electrodes 4 and 5, gold, platinum or iridium is used. Gold electrodes with a thickness of 100 nm are deposited by the resistive method, and iridium electrodes of the same diameter and thickness are deposited by magnetron sputtering in vacuum.

Для работы датчика при температуре 250°С в данной полезной модели чувствительный элемент 6 выполнен из пьезоэлектрического материала лангатата Y-среза, угол поворота β равен 15°. Для данного среза температурно-частная характеристика представляет собой параболу с экстремумом при температуре 250°С (см. фиг. 6). В области экстремума зависимость резонансной частоты от температуры имеет минимальное значение. Соответственно при эксплуатации датчика при температуре 250°С данный чувствительный элемент имеет минимальный уход частоты от температуры и, следовательно, в данной области температур изменение частоты будет происходить только от присоединенной массы к чувствительному элементу, тем самым повышается точность измерения массы/толщины.For the sensor to operate at a temperature of 250 ° C in this utility model, the sensitive element 6 is made of the piezoelectric material of the Y-section langatate, the rotation angle β is 15 °. For this section, the temperature-private characteristic is a parabola with an extremum at a temperature of 250 ° C (see Fig. 6). In the region of the extremum, the temperature dependence of the resonant frequency has a minimum value. Accordingly, when the sensor is operated at a temperature of 250 ° C, this sensor has a minimum frequency deviation from temperature and, therefore, in this temperature range, a frequency change will occur only from the attached mass to the sensor, thereby increasing the accuracy of the mass / thickness measurement.

Резонансный масс-чувствительный элемент работает следующим образом. Для обеспечения снятия сигнала с чувствительного элемента 6 его устанавливают в металлический корпус 7, имеющий отверстие 9 и снабженный крышкой 8 (см. фиг. 5). Чувствительный элемент 6 установлен в металлическом корпусе 7 таким образом, что плоская сторона 3 пьезоэлектрической пластины 1 расположена напротив отверстия 9, сквозь которое во время процесса напыления на электрод плоской стороны 4 чувствительного элемента наносится пленка металла, вследствие чего происходит увеличение массы электрода и изменение резонансной частоты. Сверху чувствительный элемент 6 зажимается металлической крышкой 8 (фиг. 5). Металлический корпус 7 и металлическая крышка 8 предназначены для снятия электрического сигнала с чувствительного элемента. Электрический контакт чувствительного элемента с металлическим корпусом осуществляется за счет механического прижима металлической крышкой чувствительного элемента к металлическому корпусу.The resonant mass-sensitive element operates as follows. To ensure the removal of the signal from the sensing element 6, it is installed in a metal housing 7 having an opening 9 and provided with a cover 8 (see Fig. 5). The sensing element 6 is installed in the metal housing 7 so that the flat side 3 of the piezoelectric plate 1 is located opposite the hole 9, through which a metal film is deposited on the electrode of the flat side 4 of the sensing element during the deposition process, resulting in an increase in the mass of the electrode and a change in the resonant frequency . On top of the sensing element 6 is clamped by a metal cover 8 (Fig. 5). The metal housing 7 and the metal cover 8 are designed to remove the electrical signal from the sensing element. The electrical contact of the sensing element with the metal case is carried out by mechanically pressing the metal cover of the sensitive element to the metal case.

В процессе вакуумного нанесения пленок на подложку происходит изменение массы электрода плоской стороны пьезоэлектрической пластины 4, и изменяется собственная частота чувствительного элемента 6. Собственная резонансная частота механических колебаний, возникающих в чувствительном элементе при воздействии на него электрического поля, обратно пропорциональна толщине чувствительного элемента и массе электродов.During the vacuum deposition of films on the substrate, the electrode mass of the flat side of the piezoelectric plate 4 changes and the natural frequency of the sensitive element 6 changes. The natural resonant frequency of mechanical vibrations that occur in the sensitive element when an electric field is applied to it is inversely proportional to the thickness of the sensitive element and the mass of the electrodes .

Для определения зависимости изменения резонансной частоты чувствительного элемента от толщины пленки металла, предварительно проводится несколько процессов напыления пленки на пластину. С помощью измерителя «Micron-7» во время процесса напыления пленки фиксируется изменение резонансной частоты чувствительного элемента. После проведения каждого процесса напыления пленки измеряется толщина пленки на образце. По полученным данным строиться зависимость изменения частоты чувствительного элемента от толщины металлической пленки. На фиг. 7 представлена зависимость изменения частоты чувствительного элемента от изменения толщины нанесенной пленки металла. Изменение массы электрода чувствительного элемента в течение процесса нанесения пленок материалов приводит к изменению его резонансной частоты, а информация об изменении частоты в свою очередь обеспечивает возможность расчета толщины нанесенной пленки и скорости ее нанесения при известной плотности материала пленки. Зная зависимость изменения частоты от изменения массы электрода, можно определить толщину пленки и скорость напыления в режиме реального времени.To determine the dependence of the change in the resonant frequency of the sensitive element on the thickness of the metal film, several processes of film deposition on the plate are preliminarily carried out. Using the Micron-7 meter during the film deposition process, the change in the resonant frequency of the sensitive element is recorded. After each film deposition process, the film thickness on the sample is measured. According to the data obtained, the dependence of the change in the frequency of the sensitive element on the thickness of the metal film is built. In FIG. 7 shows the dependence of the change in the frequency of the sensitive element on the change in the thickness of the deposited metal film. A change in the mass of the electrode of the sensitive element during the process of applying films of materials leads to a change in its resonant frequency, and information about the change in frequency, in turn, makes it possible to calculate the thickness of the deposited film and its deposition rate at a known film material density. Knowing the dependence of the frequency change on the change in the mass of the electrode, it is possible to determine the film thickness and deposition rate in real time.

Пример 2.Example 2

Пьезорезонансный датчик с чувствительным элементом из кристалла лангатата Y-среза с углом поворота β, равным 26°, эксплуатируется в установке молекулярно-лучевой эпитаксии для нанесения пленки германия Ge на подложку из кремния Si. Температура подложки в процессе нанесения пленки составляет 600°С, а температура испарителя имеет величину выше величины температуры плавления германия 937°С. Потоки тепла с испарителя изменяют среднюю температуру чувствительного элемента датчика на величину из диапазона 20-100°С.A piezoresonance sensor with a sensitive element made of a Y-cut langatate crystal with a rotation angle β equal to 26 ° is used in a molecular beam epitaxy unit for depositing a Ge germanium film on a silicon Si substrate. The temperature of the substrate in the process of film deposition is 600 ° C, and the temperature of the evaporator is higher than the melting point of germanium 937 ° C. Heat fluxes from the evaporator change the average temperature of the sensor element of the sensor by an amount from the range of 20-100 ° C.

Данный чувствительный элемент изготавливается аналогично чувствительному элементу в примере 1. Для Y-среза кристалла лангатата температурно-частная характеристика представляет собой параболу с экстремумом при температуре 450°С. В области экстремума зависимость резонансной частоты от температуры имеет минимальное значение, поэтому при эксплуатации датчика при температуре в области температуры 450°С данный чувствительный элемент будет иметь минимальный уход резонансной частоты от температуры и, следовательно, в данной области температур изменение частоты будет происходить только от присоединенной массы к чувствительному элементу, и тем самым повышается точность измерения массы и толщины пленки германия.This sensitive element is made similarly to the sensitive element in example 1. For the Y-section of the langatate crystal, the temperature-specific characteristic is a parabola with an extremum at a temperature of 450 ° C. In the region of the extremum, the dependence of the resonant frequency on temperature has a minimum value, therefore, when the sensor is operated at a temperature in the temperature region of 450 ° C, this sensor will have a minimum deviation of the resonant frequency from temperature and, therefore, in this temperature range, the frequency will only change from the connected mass to the sensitive element, and thereby increases the accuracy of measuring the mass and thickness of the germanium film.

Возможность работы чувствительного элемента на основе кристалла лангатата при температуре 450°С обеспечивает точность измерения за счет того, что датчик можно расположить в непосредственной близости от подложки, а также за счет того, что вблизи температуры экстремума 450°±30°С зависимость резонансной частоты от температуры имеет минимальное значение.The possibility of operation of the sensitive element based on a langatate crystal at a temperature of 450 ° C ensures measurement accuracy due to the fact that the sensor can be located in close proximity to the substrate, and also due to the fact that the dependence of the resonance frequency on the extremum temperature is 450 ° ± 30 ° C temperature has a minimum value.

Пример 3.Example 3

На основе масс-чувствительного элемента резонансного типа с колебаниями сдвига по толщине изготовлен высокотемпературный ультрафиолетовый датчик, предназначенный для эксплуатации при температуре более 800°С. Пленки из оксида цинка ZnO наносятся на пластину лангасита Y-среза методом химического осаждения из газовой фазы при температуре более 800°С и имеют структуру так называемых нанотрубок. Для изготовления высокотемпературного чувствительного элемента для ультрафиолетового датчика на пластину из кристалла лангасита Y-среза наносится электрод, выполненный из материала, способного изменять свои свойства при облучении ультрафиолетом. Таким материалом являются нанотрубки из оксида цинка ZnO. При облучении чувствительного элемента ультрафиолетом из оксида цинка ZnO уходит кислород, тем самым меняется масса нанотрубок, а также меняется резонансная частота чувствительного элемента.Based on a mass-sensitive element of a resonant type with shear thickness variations, a high-temperature ultraviolet sensor is designed for operation at temperatures above 800 ° C. ZnO zinc oxide films are deposited on a Y-section langasite plate by chemical vapor deposition at temperatures above 800 ° C and have the structure of so-called nanotubes. To manufacture a high-temperature sensitive element for an ultraviolet sensor, an electrode made of a material capable of changing its properties when irradiated with ultraviolet light is applied to a plate of a Y-section langasite crystal. Such a material is zinc oxide ZnO nanotubes. When the sensitive element is irradiated with ultraviolet light, oxygen escapes from zinc oxide ZnO, thereby changing the mass of the nanotubes, and also changing the resonant frequency of the sensitive element.

Данная полезная модель с масс-чувствительным элементом резонансного типа на основе кристаллов семейства лангасита, имеющих ориентацию Y-среза, может применяться для высокотемпературных датчиков высокой точности и чувствительности в режиме реального времени при температуре не менее 250°С. Указанные кристаллы в виду отсутствия фазовых переходов остаются пьезоактивными вплоть до их температуры плавления.This utility model with a mass-sensitive element of a resonant type based on crystals of the langasite family with a Y-cut orientation can be used for high-temperature sensors of high accuracy and sensitivity in real time at a temperature of at least 250 ° C. These crystals, in view of the absence of phase transitions, remain piezoelectric up to their melting point.

Claims

1. A high-temperature resonant mass-sensitive element for piezoresonance sensors, containing a plano-convex plate and electrodes made in the form of metallization layers on the flat and convex sides of the plate, where the plate is made of piezoelectric material belonging to the langasite family and has a Y-section orientation, with this electrode of the flat side of the plate is made in the form of a continuous layer of metallization, and the electrode of the convex side and the plate is made discrete and consists of a Central part and peripheral h STI, said convex portion side of the electrode plate are interconnected metallization layer in the direction of crystallographic axis Z, and the crystallographic axis in the direction Y in the layer of metallization of the peripheral part of the electrode gap is formed.

2. The device according to p. 1, characterized in that the plate is made of material taken from the series: langasite La ₃ Ga ₅ SiO ₁₄ , langatate La ₃ Ta _0,5 Ga _5,5 O ₁₄ , catangasite Ca ₃ TaGa ₃ Si ₂ O ₁₄ .

3. The device according to claim 1, characterized in that the plate has an orientation of the rotated Y-slice with a rotation angle β taken from the range 0 ° ^< β≤60 °.

4. The device according to claim 1, characterized in that the piezoelectric plate has a thickness from a range from 0.060 to 0.69 mm, while the ratio of the diameter of the flat side of the plate to the thickness of the plate is at least 50, and the natural frequency of oscillation of the plate is in range from 2 MHz to 20 MHz.

5. The device according to p. 1, characterized in that the radius of curvature of the convex side of the plate is a value from the range of 200-300 mm

6. The device according to claim 1, characterized in that the roughness of the flat and convex sides of the plate does not exceed a value of 0.2 μm.

7. The device according to claim 1, characterized in that the metallization layers of the flat and convex sides of the plate are made of metals taken from the series: iridium, gold, platinum.