RU2581570C1

RU2581570C1 - Passive wireless surface acoustic wave sensor for measuring concentration of carbon monoxide

Info

Publication number: RU2581570C1
Application number: RU2015100497/08A
Authority: RU
Inventors: Геворк Яковлевич Карапетьян; Евгений Михайлович Кайдашев; Андрей Леонидович Николаев; Дмитрий Григорьевич Несветаев; Денис Анатольевич Жилин
Priority date: 2015-01-12
Filing date: 2015-01-12
Publication date: 2016-04-20

Abstract

FIELD: test and measurement equipment.

SUBSTANCE: invention relates to piezoelectric sensors intended for remote control of various physical and chemical values. Gas-sensitive element is made of two parts, one of which is located inside sealed housing on a piezoelectric acoustic line between adjacent SAW reflectors and comprises two inserted one into another partitioned IDT, first section IDT have upper common bus, and second section IDT have lower common bus, buses of sections of first IDT located between sections of second IDT are connected by a meander electrode, common for both IDT, wherein buses of first IDT is lower bus and meander electrode, and buses of second IDT are upper bus and meander electrode, and second part of gas-sensitive element is located outside sealed housing and is composed of two gas-sensitive films, having same impedance and made in form of arrays of zinc oxide nanorods connected in parallel, each gas-sensitive film is arranged on sapphire substrate and has upper and lower electrodes, which are connected to each of partitioned IDT, respectively.

EFFECT: technical result is prevention of destruction interdigital transducers (IDT) and reflectors, increasing sensitivity and reducing SAW attenuation.

5 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к конструкции датчика газов и паров на поверхностных акустических волнах (ПАВ), который может быть использован в качестве детектирующего устройства в приборах идентификации газов и паров для дистанционного контроля концентрации моноокиси углерода.The invention relates to the design of a sensor of gases and vapors on surface acoustic waves (SAW), which can be used as a detecting device in gas and vapor identification devices for remote monitoring of carbon monoxide concentration.

Из уровня техники широко известны датчики на поверхностных акустических волнах (ПАВ), содержащие корпус, внутри которого расположен пьезоэлектрический звукопровод, на рабочей поверхности которого расположены два встречно-штыревых преобразователя (ВШП) и акустопоглотитель, нанесенный на торцы звукопровода (Dias J.F. Hewlett-Packard J. - 1981 / - V. 32, N 12. - Р. 21-37) [1], (RU 2132584 С1, ⁶МПК H01L 41/18 дата публ. 1999.06.27) [2], (SU 1681229 A, G01N 29/02, 29/24, 30.01.91) [3], (SU 1105803, G01N 29/00, 30/07/84) [4], RU 2479849, 20.04.2013, WO 2009/102587, 2009.08.20, G01R 27/00 [5]. В известных беспроводных датчиках [1, 2] пьезоэлектрический звукопровод представляет собой линию задержки с ВШП на рабочей поверхности, между которыми расположено пленочное покрытие, которое, поглощая диоксид углерода, меняет свои свойства, что приводит к изменению скорости ПАВ под ним. Линия задержки включена в цепь обратной связи усилителя и представляет собой генератор электрических колебаний, частота которого зависит от величины задержки, а, следовательно, и скорости ПАВ под покрытием, что приводит к изменению частоты генератора. Сигнал от датчика с помощью передающей антенны, подсоединенной к генератору, передается на приемное устройство, которое осуществляет дистанционный контроль. Наличие усилителя требует источника питания, который необходимо периодически заряжать, что затруднительно в труднодоступных местах, например на вершине дымовой трубы.Sensors based on surface acoustic waves (SAWs) are widely known in the art, containing a housing inside which a piezoelectric sound duct is located, on the working surface of which there are two interdigital transducers (IDT) and an acoustic absorber deposited on the ends of the sound duct (Dias JF Hewlett-Packard J . - 1981 / - V. 32, N 12. - P. 21-37) [1], (RU 2132584 C1, ⁶ IPC H01L 41/18 date publ. 1999.06.27) [2], (SU 1681229 A, G01N 29/02, 29/24, 01/30/91) [3], (SU 1105803, G01N 29/00, 30/07/84) [4], RU 2479849, 04.20.2013, WO 2009/102587, 2009.08. 20, G01R 27/00 [5]. In known wireless sensors [1, 2], a piezoelectric sound pipe is a delay line with IDT on the working surface, between which is a film coating, which, absorbing carbon dioxide, changes its properties, which leads to a change in the speed of the surfactant under it. The delay line is included in the feedback circuit of the amplifier and is an electric oscillation generator, the frequency of which depends on the delay value, and, consequently, the surfactant speed under the coating, which leads to a change in the generator frequency. The signal from the sensor using a transmitting antenna connected to the generator is transmitted to the receiving device, which performs remote monitoring. The presence of an amplifier requires a power source, which must be periodically charged, which is difficult in hard-to-reach places, for example, at the top of a chimney.

Этот недостаток устранен в пассивном беспроводном датчике на поверхностных акустических волнах для измерения концентрации моноокиси углерода, который содержит герметичный корпус, внутри которого расположен пьезоэлектрический звукопровод, на рабочей поверхности которого расположены приемопередающий встречно-штыревой преобразователь (ВШП), нагруженный на антенну, которая расположена вне герметичного корпуса, и несколько отражателей ПАВ (Wen Wang, Keekeun Lee, Taehyun Kim, Ikmo Park and Sangsik Yang “A novel wireless, passive CO2 sensor incorporating a surface acoustic wave reflective delay line” Smart Mater. Struct. 16 (2007) 1382-1389) [6], принимаемом за прототип настоящего изобретения. Между двумя соседними отражателями расположена тонкая тефлоновая пленка, представляющая собой газочувствительный элемент, в которой изменяется задержка сигнала между отражателями при изменении концентрации диоксида углерода. При попадании на датчик считывающих электромагнитных импульсов приемо-передающий ВШП преобразует их в импульсы ПАВ, которые отражаясь от ПАВ отражателей попадают снова на приемопередающий ВШП, а далее через антенну на считыватель в виде последовательности импульсов. Расстояние между отраженными импульсами определяется расстояниями между отражателями на пьезоэлектрическом звукопроводе и скоростью ПАВ, которая под тефлоновым покрытием изменяется под действием диоксида углерода. Это приводит к тому, что задержка импульсов, отраженных от соседних ПАВ отражателей, между которыми находится тефлоновое покрытие, зависит от концентрации диоксида углерода, что позволяет определять концентрацию газа по величине изменения задержки. Измеряя это изменение в считывателе можно определять концентрацию газа дистанционно, облучая датчик считывающими импульсами со считывателя. Так как датчик не содержит усилителя, то ему не надо источника питания. При этом корпус не может быть сделан герметичным, так как необходим подвод исследуемого газа непосредственно к покрытию на подложке, на которой расположены ВШП и отражатели. Это снижает надежность датчика, так как различные агрессивные вещества могут разрушать металлическую пленку, из которой сделаны ВШП и отражатели и загрязнять поверхность пьезоэлектрического звукопровода между ВШП и отражателями, что приводит к увеличению затухания ПАВ особенно на частотах СВЧ диапазона, где наиболее предпочтительно использовать такие датчики из-за небольшого размера антенн, диапазона (Морган Д. Устройства обработки сигналов на поверхностных акустических волнах, М., «Радио и связь». 1991, с. 150) [7].This disadvantage is eliminated in a passive wireless sensor on surface acoustic waves for measuring carbon monoxide concentration, which contains a sealed enclosure, inside which there is a piezoelectric sound duct, on the working surface of which there is a transceiver interdigital transducer (IDT) loaded on an antenna that is located outside the sealed enclosures and several SAW reflectors (Wen Wang, Keekeun Lee, Taehyun Kim, Ikmo Park and Sangsik Yang “A novel wireless, passive CO2 sensor incorporating a surface acoustic wave reflective delay line” Smart Mater. Struct. 16 (2007) 1382-1389) [6], taken as a prototype of the present invention. Between two adjacent reflectors is a thin Teflon film, which is a gas-sensitive element in which the signal delay between the reflectors changes with a change in the concentration of carbon dioxide. When the sensor picks up electromagnetic pulses, the transceiver IDT converts them into surfactant pulses, which are reflected from the surfactant reflectors and fall back on the transceiver IDT, and then through the antenna to the reader as a train of pulses. The distance between the reflected pulses is determined by the distances between the reflectors on the piezoelectric sound duct and the speed of the surfactant, which under the Teflon coating changes under the influence of carbon dioxide. This leads to the fact that the delay of pulses reflected from neighboring surfactant reflectors between which there is a Teflon coating depends on the concentration of carbon dioxide, which allows you to determine the gas concentration by the magnitude of the change in delay. By measuring this change in the reader, it is possible to determine the gas concentration remotely by irradiating the sensor with read pulses from the reader. Since the sensor does not contain an amplifier, it does not need a power source. In this case, the housing cannot be made airtight, since it is necessary to supply the test gas directly to the coating on the substrate on which the IDT and reflectors are located. This reduces the reliability of the sensor, since various aggressive substances can destroy the metal film from which IDTs and reflectors are made and contaminate the surface of the piezoelectric sound duct between IDTs and reflectors, which leads to an increase in SAW attenuation, especially at microwave frequencies, where it is most preferable to use such sensors from - for the small size of the antennas, the range (Morgan D. Signal Processing Devices on Surface Acoustic Waves, M., “Radio and Communication. 1991, p. 150) [7].

Техническим результатом заявляемого изобретения является исключение разрушения ВШП и отражателей за счет выполнения корпуса датчика герметичным и размещения газочувствительной пленки вне герметичного корпуса, а также повышение при этом чувствительности за счет уменьшения загрязнения поверхности пьезоэлектрического звукопровода, которое приводит увеличению затухания ПАВ.The technical result of the claimed invention is to eliminate the destruction of IDT and reflectors by making the sensor housing leakproof and placing the gas-sensitive film outside the sealed housing, as well as increasing the sensitivity by reducing the surface contamination of the piezoelectric sound duct, which leads to an increase in the attenuation of the surfactant.

Указанный технический результат достигается тем, что пассивный беспроводной датчик на поверхностных акустических волнах (ПАВ) для измерения концентрации моноокиси углерода, содержащий герметичный корпус, внутри которого расположен пьезоэлектрический звукопровод, на рабочей поверхности которого расположены приемопередающий встречно-штыревой преобразователь (ВШП), нагруженный на антенну, которая расположена вне герметичного корпуса, ПАВ отражатели, причем между двумя соседними отражателями расположен газочувствительный элемент, а на торцах звукопровода расположены поглотители ПАВ. Согласно изобретению газочувствительный элемент выполнен из двух частей, одна из которых расположена внутри герметичного корпуса на пьезоэлектрическом звукопроводе между соседними отражателями ПАВ и содержит два вложенных друг в друга секционированных ВШП, расстояние между центрами которых в 5-50 раз меньше длины каждого ВШП и кратно четверти длины ПАВ на центральной частоте, причем секции первого ВШП имеют верхнюю общую шину, а секции второго ВШП имеют нижнюю общую шину, шины секций первого ВШП, расположенные между секциями второго ВШП, соединены меандровым электродом, общим для обоих ВШП, при этом шинами первого ВШП являются нижняя шина и меандровый электрод, а шинами второго ВШП - верхняя шина и меандровый электрод, а вторая часть газочувствительного элемента расположена вне герметичного корпуса и выполнена в виде двух газочувствительных пленок, имеющих одинаковый импеданс и выполненных в виде решеток параллельно соединенных наностержней окиси цинка, каждая газочувствительная пленка расположена на сапфировой подложке и имеет верхний и нижний электроды, которые подключены к шинам каждого из секционированных ВШП соответственно.The specified technical result is achieved by the fact that a passive wireless sensor on surface acoustic waves (SAW) for measuring the concentration of carbon monoxide, containing a sealed enclosure, inside which there is a piezoelectric sound duct, on the working surface of which there are transceiver interdigital transducer (IDT) loaded on the antenna , which is located outside the sealed enclosure, surfactant reflectors, and between the two adjacent reflectors is a gas sensor element, and and the acoustic conductor ends arranged absorbers surfactant. According to the invention, the gas-sensitive element is made of two parts, one of which is located inside a sealed enclosure on a piezoelectric sound duct between adjacent surfactant reflectors and contains two sectioned IDTs nested into each other, the distance between the centers of which is 5-50 times less than the length of each IDT and is a multiple of a quarter of the length SAW at the central frequency, and the sections of the first IDT have an upper common bus, and the sections of the second IDT have a lower common bus, the sections of the first IDT located between the sections of the second IDT are connected by a meander electrode common to both IDTs, the tires of the first IDT are the lower tire and the meander electrode, and the tires of the second IDT are the upper tire and the meander electrode, and the second part of the gas-sensitive element is located outside the sealed housing and is made in the form of two gas-sensitive films, having the same impedance and made in the form of gratings of zinc oxide nanorods connected in parallel, each gas-sensitive film is located on the sapphire substrate and has upper and lower electrodes, which Key to tires each partitioned IDT respectively.

Другие отличия состоят в следующем.Other differences are as follows.

- пассивный беспроводный датчик имеет период секционированных ВШП, равный длине ПАВ на центральной частоте;- the passive wireless sensor has a period of sectioned IDT equal to the length of the surfactant at the center frequency;

- расстояние между центрами секционированных ВШП составляет равным 7/4 длины ПАВ на центральной частоте;- the distance between the centers of the partitioned IDT is equal to 7/4 of the length of the surfactant at the center frequency;

- длина каждого секционированного ВШП равна 34 длинам ПАВ;- the length of each sectioned IDT is equal to 34 surfactant lengths;

- приемопередающий ВШП выполнен однонаправленным.- transceiver IDT made unidirectional.

На фиг. 1 приведена конструкция заявляемого пассивного беспроводного датчика на поверхностных акустических волнах для измерения концентрации моноокиси углерода.In FIG. 1 shows the design of the inventive passive wireless sensor on surface acoustic waves for measuring the concentration of carbon monoxide.

На фиг. 2 представлена схематически конструкция пленки на сапфировой подложке, где А - вид спереди, Б - вид сбоку, В - вид сверху.In FIG. 2 schematically shows the construction of a film on a sapphire substrate, where A is a front view, B is a side view, and C is a top view.

Пассивный беспроводный датчик на поверхностных акустических волнах для измерения концентрации моноокиси углерода содержит (фиг. 1) пьезоэлектрический звукопровод 1, на рабочей поверхности которого расположены приемопередающий ВШП 2, отражатели ПАВ 3. Между отражателями 3 расположены два секционированных ВШП 4 и ВШП 5, причем секции первого ВШП 4 имеют верхнюю общую шину, а секции второго ВШП 5 имеют нижнюю общую шину, а шины секций первого ВШП, расположенные между секциями второго ВШП, соединены меандровым электродом 6, который является общим для обоих ВШП. При этом шинами первого ВШП 4 являются нижняя шина и меандровый электрод 6, а шинами второго ВШП 5 - верхняя шина и меандровый электрод 6. Эти секционированные ВШП нагружены на импедансы 7, 8 (Z), из пленок, выполненных в виде решеток, параллельно соединенных наностержней окиси цинка 14, импеданс которых зависит от концентрации газа и которые расположены на сапфировых подложках 16 и имеющих верхний электрод 13 и нижний электрод 17, которые подсоединены к шинам первого и второго секционированных ВШП 4, 5 соответственно. На торцах пьезоэлектрического звукопровода 1 расположены поглотители ПАВ 9, 10, а ВШП 2 нагружен на приемопередающую антенну 11. Пьезоэлектрический звукопровод 1, на котором расположены ВШП 2, 4, 5, меандровый электрод 6, отражатели 3 и поглотители ПАВ 9, 10 установлены в герметичном корпусе 12.A passive wireless sensor on surface acoustic waves for measuring the concentration of carbon monoxide contains (Fig. 1) a piezoelectric sound duct 1, on the working surface of which there are transceiver IDTs 2, SAW reflectors 3. Between reflectors 3 are two sectioned IDTs 4 and IDT 5, with sections of the first IDT 4 have an upper common bus, and sections of the second IDT 5 have a lower common bus, and the sections of the first IDT located between the sections of the second IDT are connected by a meander electrode 6, which is common for both IDTs. In this case, the tires of the first IDT 4 are the lower bus and the meander electrode 6, and the tires of the second IDT 5 are the upper bus and the meander electrode 6. These sectioned IDTs are loaded with impedances 7, 8 (Z) of films made in the form of gratings connected in parallel zinc oxide nanorods 14, the impedance of which depends on the gas concentration and which are located on sapphire substrates 16 and having an upper electrode 13 and a lower electrode 17, which are connected to the buses of the first and second sectioned IDTs 4, 5, respectively. At the ends of the piezoelectric sound duct 1, surfactant absorbers 9, 10 are located, and the IDT 2 is loaded on the transceiver antenna 11. The piezoelectric sound duct 1, on which the IDTs 2, 4, 5, the meander electrode 6, reflectors 3 and absorbers 9, 10 are installed, is sealed case 12.

Верхний электрод 13 (фиг. 2А, Б, В) нанесен непосредственно на решетку наностержней оксида цинка 14, которые выращены на буферном подслое оксида цинка 15 для улучшения вертикальной ориентации ZnO наностержней 14. Пленочный подслой оксида цинка 15 напылен на сапфировую подложку 16. Нижний золотой электрод 17 напылен на подслой оксида цинка 14, который выступает слева из-под наностержней 13 (фиг. 2А, Б).The upper electrode 13 (Fig. 2A, B, C) is deposited directly on the lattice of zinc oxide nanorods 14, which are grown on a buffer sublayer of zinc oxide 15 to improve the vertical orientation of ZnO nanorods 14. A film sublayer of zinc oxide 15 is sprayed onto a sapphire substrate 16. Lower gold the electrode 17 is sprayed onto a sublayer of zinc oxide 14, which protrudes to the left of the nanorods 13 (Fig. 2A, B).

При подаче на приемо-передающую антенну 11 считывающего электромагнитного импульса, последний в ВШП 2 преобразуется в импульсы ПАВ, которые отражаются от отражателей ПАВ 3. ВШП2 выполнен однонаправленным (RU 2195069 С1, ⁷ МПК Н03Н 9/145 дата публ. 2002.12.20) [8], чтобы ПАВ излучались преимущественно в сторону отражателей, что приведет к уменьшению затухания отраженных от датчика электромагнитных импульсов, так как излучение ПАВ в противоположную сторону (в сторону поглотителя ПАВ 9) в 10 раз меньше, чем в сторону отражателей ПАВ 3, что уменьшает потери энергии электромагнитного импульса на преобразование в ПАВ, распространяющихся в сторону отражателей ПАВ 3 и секционированных ВШП 4, 5. Чтобы ПАВ, излученные в сторону поглотителя ПАВ 9, не искажали работу датчика (приводили к ложным импульсам) на торце пьезоэлектрического звукопровода нанесен поглотитель ПАВ 9, который поглощает ПАВ и не дает им попасть снова на ВШП 2. При этом длина ВШП должна быть такой, чтобы число отражателей было бы не менее 4/π·k², где k - квадрат коэффициента электромеханической связи для ПАВ. Для пьезоэлектрического звукопровода из YX/128° ниобата лития это число должно быть не менее 13 и выбирается равным 17. Тогда длина ВШП 2 равна 34 длины ПАВ на центральной частоте f₀, а его полоса рабочих частот равна f₀/34. Отраженные импульсы от отражателей ПАВ 3 преобразуются обратно с помощью ВШП 2 в электромагнитные импульсы, которые излучаются антенной 11. Между двумя соседними отражателями 3 расположены вложенные друг в друга секционированные ВШП 4 и 5. К шинам каждого их этих ВШП подсоединены импедансы 7, 8 (Z), представляющие пленку, состоящую из наностержней из окиси цинка 14. Пленки расположены на сапфировых подложках 16 и имеют верхний электрод 13 и нижний электрод 17. Один из этих импедансов через электроды 13 и 17 подсоединен к первому секционированному ВШП 4 через нижнюю шину и меандровый электрод 6, а другой через такие же электроды - ко второму секционированному ВШП 5 через шину и меандровый электрод 6. Длина секционированных ВШП 4, 5 выбирается равной длине приемопередающего ВШП 2, т.е. 34 длины ПАВ на центральной частоте f₀. Тогда импульс ПАВ, полоса частот которого не может быть менее полосы рабочих частот ВШП 2 не искажается при его прохождении под секционированными ВШП 4 и 5, если их центральные частоты совпадают, т.е. период секционированных ВШП равен длине ПАВ на центральной частоте. Расстояние между центрами этих ВШП выбрано много меньше их длины и кратно четверти длины ПАВ (λ) на центральной частоте f₀ и равно (2n+1)λ/4, где n=1, 2, 3 и т.д. Это число выбирается таким образом, чтобы расстояние между центрами секционированных ВШП всегда было много меньше (в 5-50 раз) их длины вдоль направления распространения ПАВ. Тогда ПАВ, отраженные от секционированных ВШП 4, 5, складываются в противофазе на центральной частоте, что приводит к значительному ослаблению коэффициента отражения от этих ВШП, а в фазе они складываются на частотах, которые находятся вне полосы рабочих частот ВШП, что не повлияет на работу датчика. Так, например, при длине секционированных ВШП 4, 5 в 34 длины ПАВ на центральной частоте расстояние между их центрами равно 7 четвертей длин ПАВ на центральной частоте, т.е. n=1, а это расстояние в 19,4 раза меньше длины секционированных ВШП 4, 5, что укладывается в диапазон 5-50 раз. В этом случае частоты, на которых складываются в фазе ПАВ, отраженные от секционированных ВШП 4,5, равны f₀±4·f₀/7 и находятся вне полосы рабочих частот, секционированных ВШП 4, 5, которая равна f₀/34. Тогда ПАВ подходят к отражателю ПАВ 3 почти без ослабления. Далее эти ПАВ отразятся от отражателей ПАВ 3 и достигнут приемо-передающего ВШП 2 и далее через антенну 11 отраженный считывающий электромагнитный импульс в виде последовательности радиоимпульсов, число которых равно числу отражателей, попадет на считыватель. Импульс ПАВ, дошедший до торца пьезоэлектрического звукопровода, поглощается поглотителем ПАВ 10 и не влияет на работу датчика. Так как фазы и модули коэффициентов отражения и прохождения ПАВ под ВШП 4, 5 зависят от нагрузок 7, 8 (Z), подсоединяемых к нему, то фаза ПАВ, прошедших под системой секционированных ВШП 4, 5, также зависит от нагрузок, поскольку коэффициент отражения значительно ослабляется из-за взаимного расположения секционированных ВШП 4, 5 относительно друг друга. Чтобы ПАВ, отраженные от обоих секционированных ВШП 4, 5, компенсировали бы друг друга при отражении от них, импедансы, подсоединенные к ним, должны быть одинаковыми. В противном случае коэффициенты отражения от секционированных ВШП 4, 5 становятся разными, что приведет к значительному росту отражений ПАВ от системы секционированных ВШП 4, 5. Тогда при изменении этих импедансов одинаковым образом изменяется фазы ПАВ, отраженных от отражателей 3 при их прохождении под системой секционированных ВШП 4, 5. Но величина импедансов 7, 8 (Z), сделанных из наностержней окиси цинка 14, изменяется при изменении концентрации моноокиси углерода, что приведет к изменению фазы ПАВ при их прохождении под системой секционированных ВШП между соседними отражателями ПАВ 3, где находятся секционированные ВШП 4, 5. При этом импедансы Z расположены вне герметичного корпуса 12, и газ не попадает на поверхность пьезоэлектрического звукопровода, по которой распространяются ПАВ, не вызывая ее загрязнения и разрушения металлической пленки, из которой выполнены ВШП и отражатели, а также к уменьшению загрязнения пьезоэлектрического звукопровода примесями газовой измеряемой среды, что приводит к повышению чувствительности датчика на частотах СВЧ-диапазона.When a reading electromagnetic pulse is applied to the transceiver antenna 11, the latter in IDT 2 is converted into SAW pulses, which are reflected from the reflectors of SAW 3. IDT2 is made unidirectional (RU 2195069 C1, ⁷ IPC Н03Н 9/145 date publ. 2002.12.20) [ 8] so that the surfactants are radiated mainly in the direction of the reflectors, which will lead to a decrease in the attenuation of electromagnetic pulses reflected from the sensor, since the radiation of the surfactant in the opposite direction (towards the absorber of the surfactant 9) is 10 times less than towards the reflectors of the surfactant 3, which reduces energy loss conversion of the electromagnetic pulse into surfactants propagating towards the reflectors of surfactants 3 and sectioned IDTs 4, 5. So that surfactants radiated towards the absorber of surfactants 9 do not distort the sensor operation (lead to false pulses), the surfactant absorber 9 is applied to the end of the piezoelectric sound duct, which absorbs the surfactant and prevents them from reaching the IDT 2. Again, the IDT should be such that the number of reflectors is at least 4 / π · k ² , where k is the square of the electromechanical coupling coefficient for the surfactant. For piezoelectric acoustic line of the YX / 128 ° lithium niobate, this number should not be less than 13 and is chosen equal to 17. Then the IDT 34 is equal to the length of two lengths of the surfactant at the central frequency f _0, and its working frequency band is f _0/34. The reflected pulses from the SAW 3 reflectors are converted back using IDT 2 into electromagnetic pulses that are emitted by the antenna 11. Between two adjacent reflectors 3 there are sectionalized IDTs 4 and 5 inserted into each other. Impedances 7, 8 are connected to the buses of each of these IDTs (Z ), representing a film consisting of zinc oxide nanorods 14. The films are located on sapphire substrates 16 and have an upper electrode 13 and a lower electrode 17. One of these impedances is connected through the electrodes 13 and 17 to the first sectioned IDT 4 through the lower bus and the meander electrode 6, and the other through the same electrodes to the second sectioned IDT 5 through the bus and the meander electrode 6. The length of the sectioned IDT 4, 5 is chosen equal to the length of the transceiver IDT 2, i.e. 34 the length of the surfactant at the center frequency f ₀ . Then the SAW pulse, the frequency band of which cannot be less than the operating frequency band of IDT 2, is not distorted when it passes under the partitioned IDT 4 and 5, if their central frequencies coincide, i.e. the period of sectioned IDTs is equal to the length of the surfactant at the center frequency. The distance between the centers of these IDTs is much smaller than their length and a multiple of a quarter of the surfactant length (λ) at the center frequency f ₀ and is equal to (2n + 1) λ / 4, where n = 1, 2, 3, etc. This number is chosen so that the distance between the centers of the partitioned IDTs is always much less (5-50 times) their length along the direction of surfactant propagation. Then the surfactants reflected from the partitioned IDTs 4, 5 are added in antiphase at the center frequency, which leads to a significant weakening of the reflection coefficient from these IDTs, and in phase they are added at frequencies that are outside the operating frequency band of the IDT, which will not affect the operation sensor. So, for example, with a sectional IDT of 4, 5 in length, 34 SAW lengths at the center frequency, the distance between their centers is 7 quarters of the SAW lengths at the center frequency, i.e. n = 1, and this distance is 19.4 times less than the length of the partitioned IDT 4, 5, which fits into the range of 5-50 times. In this case, frequencies at which the surfactants are added in phase from the reflected partitioned IDTs 4.5, f are ₀ 4 ± ₀ · f / 7 and located outside the band of operating frequencies, partitioned IDTs 4, 5, which is equal to f _0/34. Then the surfactants approach the reflector surfactant 3 almost without attenuation. Further, these surfactants will be reflected from the reflectors of SAW 3 and the transceiver IDT 2 will be reached, and then through the antenna 11 the reflected read-out electromagnetic pulse in the form of a sequence of radio pulses, the number of which is equal to the number of reflectors, will be transferred to the reader. The surfactant pulse reaching the end of the piezoelectric sound duct is absorbed by the surfactant absorber 10 and does not affect the operation of the sensor. Since the phases and modules of the reflection and transmission coefficients of the surfactant under IDT 4, 5 depend on the loads 7, 8 (Z) connected to it, the phase of the surfactant passed under the partitioned IDT 4, 5 system also depends on the loads, since the reflection coefficient significantly weakened due to the relative position of the partitioned IDT 4, 5 relative to each other. In order for surfactants reflected from both sectioned IDTs 4, 5 to compensate each other when reflected from them, the impedances connected to them should be the same. Otherwise, the reflection coefficients from the partitioned IDTs 4, 5 become different, which will lead to a significant increase in SAW reflections from the system of partitioned IDTs 4, 5. Then, when these impedances change, the phases of the surfactant reflected from the reflectors 3 when they pass under the partitioned system change in the same way. IDT 4, 5. But the value of impedances 7, 8 (Z) made of zinc oxide nanorods 14 changes with a change in the concentration of carbon monoxide, which will lead to a change in the surfactant phase when they pass under a sectioner system of IDTs between adjacent reflectors of surfactant 3, where sectioned IDTs 4, 5 are located. In this case, the impedances Z are located outside the sealed enclosure 12, and gas does not enter the surface of the piezoelectric sound duct through which the surfactant propagates without causing contamination and destruction of the metal film from which made IDT and reflectors, as well as to reduce the pollution of the piezoelectric sound pipe by impurities of the gas medium being measured, which leads to an increase in the sensitivity of the sensor at microwave frequencies.

Решетка ZnO наностержней 14 на сапфировой подложке 15 (см. фиг. 2А, Б, В) изготавливалась методом импульсного лазерного напыления при высоком давлении аргона (М. Lorenz, М.; Kaidashev, Е.М.; Rahm, A.; Nobis, Th.; Lenzner, J.; Wagner, J.G.; Spemann, D.; Hochmuth, H.; Grundmann, M. Appl. Phys. Lett. 2005, 86, 143113) [9]. Напыление проводили в вакуумируемой кварцевой ячейке с внешним резистивным нагревателем. Лазерное излучение KrF лазера (λ=248 нм, Е=300 мДж) фокусировалось на поверхность вращающейся керамической мишени ZnO. Плотность мощности на поверхности мишени составляла 2 Дж/см². Расстояние мишень - подложка составляло 5-35 мм. Частота следования лазерных импульсов составляла 3-10 Гц. Синтез микро- и нанокристаллов осуществляли за 12000-24000 лазерных импульсов. Температура подложки 16 варьировалась в диапазоне 850-950°C. Поток аргона составлял 50 см³/мин при давлении 75-300 мбар. Монокристаллические подложки 16 с- и а-сапфира с буферным слоем оксида цинка 15 располагались параллельно лазерному факелу. Буферный пленочный подслой оксида цинка 15 напылялся для улучшения вертикальной ориентации ZnO наностержней 14 и для подсоединения нижнего золотого электрода 17. Пленка ZnO напылялась за 10000 лазерных импульсов при давлении кислорода 2×10^-2 мбар, расстоянии мишень - подложка ~70 мм, температуре 670°C. В качестве катализатора использована пленка золота толщиной 1-2 нм. Для создания верхнего электрода 13 к решетке наностержней оксида цинка осуществляли напыление золота под углом в 45° в высоком вакууме через маску с круглым отверстием. Благодаря плотному расположению (10⁸-10⁹ штук/см²) наностержни экранируют друг друга, что препятствуют запылению основания структуры. Таким образом, золотой контакт создается в верхней части наностержней и объединяет их между собой.The ZnO lattice of nanorods 14 on a sapphire substrate 15 (see Fig. 2A, B, C) was produced by pulsed laser spraying at high argon pressure (M. Lorenz, M .; Kaidashev, E.M .; Rahm, A .; Nobis, Th .; Lenzner, J .; Wagner, JG; Spemann, D .; Hochmuth, H .; Grundmann, M. Appl. Phys. Lett. 2005, 86, 143113) [9]. Spraying was carried out in an evacuated quartz cell with an external resistive heater. Laser radiation from a KrF laser (λ = 248 nm, E = 300 mJ) was focused on the surface of a rotating ZnO ceramic target. The power density on the target surface was 2 J / cm ² . The target – substrate distance was 5–35 mm. The laser pulse repetition rate was 3-10 Hz. The synthesis of micro- and nanocrystals was carried out for 12000-24000 laser pulses. The temperature of the substrate 16 was varied in the range 850-950 ° C. The argon flow was 50 cm ³ / min at a pressure of 75-300 mbar. Single-crystal substrates 16 of c- and a-sapphire with a buffer layer of zinc oxide 15 were parallel to the laser plume. A buffer film sublayer of zinc oxide 15 was sprayed to improve the vertical orientation of ZnO nanorods 14 and to connect the lower gold electrode 17. A ZnO film was sprayed for 10,000 laser pulses at an oxygen pressure of 2 × 10 ^-2 mbar, target-substrate distance ~ 70 mm, temperature 670 ° C. As a catalyst, a gold film with a thickness of 1-2 nm was used. To create the upper electrode 13 to the lattice of zinc oxide nanorods, gold was sputtered at an angle of 45 ° in high vacuum through a mask with a round hole. Due to the dense arrangement (10 ⁸ -10 ⁹ pieces / cm ² ), the nanorods shield each other, which prevents dusting of the base of the structure. Thus, a gold contact is created at the top of the nanorods and combines them together.

Датчик выполнен на пьезоэлектрическом звукопроводе 1 из YX/128° - среза ниобата лития размерами 8×1,4×0,5 мм. ВШП 2 выполнен с внутренними отражателями [8] на центральную частоту f₀=870 МГц и длиной в 33 длины ПАВ на центральной частоте, что обеспечивает однонаправленный режим в 15 дБ, отражатели выполнены в виде двунаправленных ВШП с числом электродов, равным 3. Период секционированных ВШП 4, 5 выбран равным длине ПАВ на центральной частоте и равен 4,4 мкм. Величина перекрытия электродов во всех ВШП выбрана равной 80 длинам ПАВ на центральной частоте. Расстояние между центрами секционированных ВШП 4, 5 выбрано равным 7/4 длин ПАВ на центральной частоте, а длина каждого из секционированных ВШП равна 34 длины ПАВ. В этом случае частоты, на которых ПАВ, отраженные от секционированных ВШП 4, 5, находятся на частотах f₀±4f₀/7=870±497,1 МГц, что вне полосы рабочих частот этих ВШП, которая равна f₀±f₀/34=870±25,6 МГц, и равна полосе рабочих частот приемопередающего ВШП 2. Пьезоэлектрический звукопровод расположен в герметичном SMD корпусе 12 (корпус KD-V99377-A фирмы «KYOCERA»), к выводам которого подсоединена антенна в виде полуволнового вибратора длиной 16 см. Пленки из наностолбиков оксида цинка 14, располагались на сапфировых подложках размером 10×10×0,5 мм.The sensor is made on a piezoelectric sound pipe 1 of YX / 128 ° - a cut of lithium niobate with dimensions of 8 × 1.4 × 0.5 mm. IDT 2 is made with internal reflectors [8] at the center frequency f ₀ = 870 MHz and a length of 33 SAW lengths at the center frequency, which provides a unidirectional mode of 15 dB, the reflectors are made in the form of bidirectional IDTs with the number of electrodes equal to 3. Sectioned period IDT 4, 5 is chosen equal to the length of the surfactant at the center frequency and is equal to 4.4 microns. The value of the electrode overlap in all IDTs was chosen equal to 80 surfactant lengths at the center frequency. The distance between the centers of the partitioned IDTs 4, 5 is chosen equal to 7/4 of the length of the surfactant at the center frequency, and the length of each of the partitioned IDTs is 34 the length of the surfactant. In this case, the frequencies on which the SAW reflected from the partitioned IDTs 4, 5, are at frequencies f ₀ ± 4f _0/7 = 870 ± 497,1 MHz, which is bandwidth of operating frequencies of the IDTs, which is equal to f ₀ ± f ₀ / 34 = 870 ± 25.6 MHz, and is equal to the operating frequency band of the transceiver IDT 2. The piezoelectric sound duct is located in a sealed SMD housing 12 (KD-V99377-A housing of KYOCERA firm), to the terminals of which a half-wave antenna with a length of half 16 cm. Films from zinc oxide nanostubes 14 were placed on sapphire substrates 10 × 10 × 0.5 mm in size.

Если наностолбики ZnO 14 находятся в атмосфере моноокиси углерода, то при изменении ее концентрации на 50-100 ppm, как показали измерения, фаза ПАВ между отражателями 3, где расположены секционированные ВШП 4, 5 изменяется на несколько десятков градусов.If ZnO 14 nanostubes are in an atmosphere of carbon monoxide, then when its concentration changes by 50-100 ppm, as shown by measurements, the surfactant phase between reflectors 3, where sectioned IDTs 4, 5 are located, changes by several tens of degrees.

Источники информацииInformation sources

1. Dias J.F. Hewlett- Packard J. - 1981 / - V. 32, N 12. - P. 21-371. Dias J.F. Hewlett-Packard J. - 1981 / - V. 32, N 12. - P. 21-37

2. RU 2132584 C1, ⁶ МПК H01L 41/18 дата публ. 1999.06.272. RU 2132584 C1, ⁶ IPC H01L 41/18 date publ. 1999.06.27

3. SU 1681229 A, G01N 29/02, 29/24, 30.01.913. SU 1681229 A, G01N 29/02, 29/24, 01/30/91

4. SU 1105803, G01N 29/00, 30/07/844.SU 1105803, G01N 29/00, 30/07/84

5. RU 2479849, 20.04.2013, WO 2009/102587, 2009.08.20, G01R 27/005. RU 2479849, 04.20.2013, WO 2009/102587, 2009.08.20, G01R 27/00

6. Wen Wang, Keekeun Lee, Taehyun Kim, Ikmo Park and Sangsik Yang “A novel wireless, passive CO2 sensor incorporating a surface acoustic wave reflective delay line” Smart Mater. Struct. 16 (2007) 1382-1389 - прототип6. Wen Wang, Keekeun Lee, Taehyun Kim, Ikmo Park and Sangsik Yang “A novel wireless, passive CO2 sensor incorporating a surface acoustic wave reflective delay line” Smart Mater. Struct. 16 (2007) 1382-1389 - prototype

7. Морган Д. Устройства обработки сигналов на поверхностных акустических волнах, М., «Радио и связь». 1991, с. 150.7. Morgan D. Devices for processing signals on surface acoustic waves, M., "Radio and Communications". 1991, p. 150.

8. RU 2195069 С1, ⁷ МПК Н03Н 9/145, дата публ. 2002.12.208. RU 2195069 C1, ⁷ IPC Н03Н 9/145, date publ. 2002.12.20

9. М. Lorenz, М.; Kaidashev, Е.М.; Rahm, A.; Nobis, Th.; Lenzner, J.; Wagner, J.G.; Spemann, D.; Hochmuth, H.; Grundmann, M. Appl. Phys. Lett. 2005, 86, 143113.9. M. Lorenz, M .; Kaidashev, E.M .; Rahm, A .; Nobis, Th .; Lenzner, J .; Wagner, J.G .; Spemann, D .; Hochmuth, H .; Grundmann, M. Appl. Phys. Lett. 2005, 86, 143113.

Claims

1. A passive wireless sensor on surface acoustic waves (SAWs) for measuring the concentration of carbon monoxide, containing a sealed enclosure, inside which there is a piezoelectric sound duct, on the working surface of which there is a transceiver interdigital transducer (IDT) loaded on an antenna that is located outside the hermetic casings, surfactant reflectors, moreover, between the two adjacent reflectors there is a gas-sensitive element, and surfactant absorbers are located at the ends of the sound duct, characterized in that the gas-sensitive element is made of two parts, one of which is located inside a sealed enclosure on a piezoelectric sound duct between adjacent surfactant reflectors and contains two sectional IDTs nested into each other, the distance between the centers of which is 5-50 times less than the length of each IDT and is multiple quarters of the length of the surfactant at the center frequency, and the sections of the first IDT have an upper common bus, and the sections of the second IDT have a lower common bus, the sections of the first IDT located between the sections of the second IDT are connected by a meander electrode common to both IDTs, the tires of the first IDT are the lower tire and the meander electrode, and the tires of the second IDT are the upper tire and the meander electrode, and the second part of the gas-sensitive element is located outside the sealed housing and is made in the form of two gas-sensitive films, having the same impedance and made in the form of gratings of zinc oxide nanorods connected in parallel, each gas-sensitive film is located on the sapphire substrate and has upper and lower electrodes, which Key to tires each partitioned IDT respectively.

2. The passive wireless sensor according to claim 1, characterized in that the period of the partitioned IDT is equal to the length of the surfactant at the center frequency.

3. The passive wireless sensor according to claim 1, characterized in that the distance between the centers of the partitioned IDTs is equal to 7/4 of the length of the surfactant at the center frequency.

4. The passive wireless sensor according to claim 1, characterized in that the length of each sectioned IDT is 34 SAW lengths.

5. The passive wireless sensor according to claim 1, characterized in that the transceiver IDT is unidirectional.