eng
Выпуск #9/2018
Анцев Иван Георгиевич, Богословский Сергей Владимирович, Сапожников Геннадий Анатольевич, Жгун Сергей Александрович, Швецов Александр Сергеевич
Датчик температуры на ПАВ на основе зеркальной топологии для интеллектуальных систем управления
Датчик температуры на ПАВ на основе зеркальной топологии для интеллектуальных систем управления
Просмотры: 2136
Предложена новая конструкция датчиков температуры, реализующая зеркальную топологию чувствительного элемента. Применение линий задержки позволяет создавать пассивные устройства, работающие на больших дальностях. Предлагаемое решение расширяет область применения зеркальных топологий для измерений температуры.
УДК 681.586.773
DOI: 10.22184/1993-8578.2018.82.514.523
УДК 681.586.773
DOI: 10.22184/1993-8578.2018.82.514.523
Теги: delay line surface acoustic waves temperature sensor датчик температуры линия задержки поверхностные акустические волны
ВВЕДЕНИЕ
Пассивные беспроводные датчики на поверхностных акустических волнах (ПАВ) находят применение в системах мониторинга различного назначения. Датчик на ПАВ состоит из антенны и пьезоплаты, на которой сформированы преобразователь электромагнитной энергии в механическую энергию и рефлекторы, выполненные в виде канавок или штырей. Как правило, для выполнения преобразований электрических сигналов в поверхностные акустические волны и обратно используется встречно-штыревой преобразователь (ВШП). Далее на пьезоплате расположены отдельные рефлекторы. Отдельные рефлекторы располагают на поверхности датчика таким образом, чтобы получить требуемый вид импульсной характеристики. В совокупности рефлекторы образуют отражающие структуры (ОС).
Обычно в рефлекторах устройств на ПАВ используют достаточно много отражающих элементов. Рефлекторы реализуются при помощи системы металлизированных штырей на пьезоэлектрической подложке или системы канавок, которые формируют путем травления поверхности звукопровода. Число отражательных штырей или канавок в каждой ОС выбирается из условия получения необходимого коэффициента отражения при приемлемом уровне вносимых потерь.
Конструкция датчика в виде линии задержки (ЛЗ) с отражательными структурами обеспечивает получение наилучших значений параметров датчика:
• хорошее согласование с антенной и минимальные потери на рассогласование;
• возможность реализовать различный вид импульсной характеристики;
• регулируемый коэффициент отражения от каждого отражателя (изменением толщины металла или глубины канавок) и возможность выбрать его оптимальную величину для получения желаемой импульсной характеристики.
В системах с датчиками на ПАВ чувствительным элементом акустоэлектронного датчика могут служить резонаторы или линии задержки на ПАВ. Для измерений по принципу температурного смещения центральной частоты резонанса необходимы относительно малый температурный коэффициент линейного расширения и по возможности большой температурный коэффициент частоты. Это обусловлено необходимостью исключения внутренних напряжений в пьезоплате и высокими требованиями по чувствительности.
Выбор материалов для изготовления чувствительных элементов датчиков производится с учетом их свойств. Так, кварц стабилен и биологически совместим, но имеет малые значения коэффициента электромеханической связи. Ниобат лития обладает высокими значениями коэффициента электромеханической связи (КЭМС, обозначаемого K2) и не является биологически совместимым материалом.
Поэтому наиболее подходящим материалом для изготовления инвазивного (имплантируемого) датчика температуры на основе резонатора является кварц.
Кварцевый резонансный датчик имеет несколько преимуществ. Во-первых, кварц является биологически совместимым материалом. Во-вторых, кварцевый резонатор будет иметь максимальную добротность, что увеличивает радиус действия всей системы. В-третьих, кварцевый резонатор представляет собой чрезвычайно стабильный прибор, который незначительно меняет свои характеристики в течение длительного срока эксплуатации.
В противоположность резонансному датчику, предназначенному для инвазивного применения, датчик на основе линии задержки требует обеспечения высокого значения КЭМС, а также большого значения температурного коэффициента частоты. Поэтому материалом для изготовления датчика температуры большой дальности выбран ниобат лития. Этот материал отличается высоким значением температурного коэффициента частоты (ТКЧ) или температурного коэффициента задержки (ТКЗ).
ВЫБОР МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ДАТЧИКОВ
Ниобат лития представляет собой материал с высокими акустоэлектронными характеристиками (малое затухание и высокий КЭМС) и в то же время значительной величиной температурных коэффициентов времени задержки (ТКЗ) на разных срезах, ориентации которых описываются углами Эйлера (j, θ, ψ). Поэтому был проведен теоретический анализ и моделирование распространения ПАВ в ниобате лития разных срезов в контексте температурной чувствительности. Проведен расчет ТКЗ ПАВ (скорость которых ниже скорости всех объемных акустических волн (ОАВ)), распространяющихся в различных направлениях на всевозможных срезах ниобата лития. Результаты расчета приведены на рис. 1–4.
Также проведен расчет коэффициента электромеханической связи (КЭМС) ПАВ, распространяющихся в различных направлениях на всевозможных срезах ниобата лития. Результаты расчета приведены на рис. 5–7.
Сравним наиболее употребительные срезы ниобата лития: Y-срез, 128°Y-срез, 41°Y-срез, 64°Y-срез и X-срез. Параметры ПАВ с максимальными и минимальными значениями ТКЗ на перечисленных срезах приведены в табл. 1. PFA — угол отклонения потока энергии.
Использование пары линий задержек, изготовленных на разных срезах (один из них — Y-срез с распространением волны вдоль оси Z или Х-срез с распространением под углом 92° к оси Y, другой — 128°Y-срез с распространением вдоль оси X), позволяет получить разницу ТКЗ 25 • 10−6/°C при КЭМС более 4 % для каждой из них (при использовании невытекающих ПАВ). Вариант с использованием YZ-среза представляется предпочтительным из-за отсутствия отклонения потока энергии и близкого к минус 1 параметра дифракции, хотя ПАВ с максимальным ТКЗ на X-срезе свойственен немного более высокий КЭМС.
Использование пары линий задержек с разных срезов (один из них — Y-срез с распространением волны вдоль оси Z или Х-срез с распространением под углом 92° к оси Y, другой — 64°Y-срез с распространением перпендикулярно оси X) позволяет получить разницу ТКЗ 29 • 10−6/°C. Используемая при этом ПАВ, распространяющаяся на 64°Y-срезе, отличается тем, что ее скорость выше скорости одной из ОАВ; такая ПАВ является невытекающей только при распространении, строго перпендикулярном к оси X.
X-срез позволяет получить среди указанных срезов наибольшую разницу ТКЗ при использовании единой подложки для пары устройств, а также наибольшее значение меньшего среди пары направлений КЭМС. Срез 41°Y при использовании невытекающих ПАВ не представляет интереса по сравнению с другими рассмотренными срезами. Использование вытекающей ПАВ, распространяющейся с относительно слабым вытеканием на металлизированной поверхности 64°YX-среза, также не представляет интереса.
Наибольшую разницу ТКЗ среди рассмотренных вариантов, около 35 • 10−6/°C, можно получить при использовании вытекающей ПАВ, распространяющейся с относительно слабым вытеканием на свободной поверхности 41°YX-среза, в сочетании с невытекающей ПАВ с высоким ТКЗ, распространяющейся на другом срезе (Y-срез с распространением волны вдоль оси Z или Х-срез с распространением под углом 92° к оси Y).
Максимальный ТКЗ, согласно расчету, имеет величину 98 • 10−6/°C и достигается при распространении ПАВ перпендикулярно к оси X на −20°Y-срезе. Данному направлению распространения соответствует значение КЭМС около 4,6 % (что близко к локальному максимуму и немного меньше глобального для невытекающих волн) и нулевые значения угла отклонения потока энергии. Близкими свойствами обладает ПАВ на YZ-срезе (ТКЗ ниже на 2 • 10−6/°C и немного меньший КЭМС).
Минимальный ТКЗ среди невытекающих волн согласно расчета имеет величину 67 • 10−6/°C и достигается при распространении ПАВ перпендикулярно к оси X на 66°Y-срезе. Данному направлению распространения соответствует значение КЭМС около 1,7 % и нулевые значения угла отклонения потока энергии. Практически таким же расчетным ТКЗ и немного меньшим КЭМС обладает ПАВ, распространяющаяся перпендикулярно к оси X на 64°Y-срезе. Выбирая срез с немного большим углом поворота, можно получить более высокий КЭМС при небольшом повышении ТКЗ; так, на 69°Y-срезе по расчету ТКЗ выше примерно на четверть ×10−6/°C, а КЭМС достигает значения 2 %; в локальном максимуме (около 80°Y-среза) КЭМС достигает значения 2,6 %, а ТКЗ значения 70 • 10−6/°C. Упомянутые ПАВ отличаются тем, что их скорость выше скорости одной из ОАВ; такие ПАВ являются невытекающими только при распространении строго перпендикулярно к оси X.
Локальный минимум ТКЗ также существует в области ориентаций подложки, определяемых углами Эйлера (j, 5.25°, 110.160°); минимальное значение ТКЗ в этой области составляет около 69 • 10−6/°C. При этом наименьшим значениям ТКЗ (не превышающим 71 • 10−6/°C) в этой области соответствуют значения КЭМС не более 1,5 %.
Еще один локальный минимум ТКЗ находится вблизи глобального максимума КЭМС, который достигается при распространении ПАВ вдоль оси X на 128°Y-срезе (ТКЗ 71 • 10−6/°C, КЭМС 5,5 %).
Таким образом, использование пары линий задержек с разных срезов (при использовании невытекающих ПАВ) позволяет получить разницу ТКЗ до 27 • 10−6/°C при КЭМС более 4 % для каждой из них.
Если допустить КЭМС около 2 %, то можно достичь 31 • 10−6/°C. Однако, если при использовании ПАВ со скоростью, превышающей скорость одной из ОАВ, обнаружатся неприемлемые потери, то максимальная разница ТКЗ при использовании других волн составляет около 29 • 10−6/°C, при условии что КЭМС будет иметь величину около 0,5 %.
Большую разницу ТКЗ (при КЭМС не менее 4 %) позволяет получить использование вытекающих волн. В частности, до 37 • 10−6/°C можно получить при использовании вытекающей ПАВ, распространяющейся на 41°YX-срезе.
Максимум разницы ТКЗ также существует в области ориентаций подложки, определяемых углами Эйлера (j, 60,90°, ψ). ПАВ с высоким ТКЗ (95,98 • 10−6/°C) распространяются в направлениях, соответствующих ψ = 75,95°. ПАВ с низким ТКЗ (72,75 • 10−6/°C) распространяются в направлениях, соответствующих ψ от 0 до 25°.
Максимальное значение разницы ТКЗ составляет около 24 • 10−6/°C. Возможно, при расчете с меньшим шагом по углам найдется значение, большее на 1,2 • 10−6/°C). Максимальная разница ТКЗ достигается при использовании двухповоротных срезов, используемые ПАВ имеют ненулевые значения угла отклонения потока энергии, в том числе превышающие 10°. КЭМС ПАВ с высоким ТКЗ принимает значения близкие к 4 %; КЭМС ПАВ с низким ТКЗ при максимальной разнице ТКЗ составляет 2–2,3 %. Разница ТКЗ более 20 • 10−6/°C может быть получена, при условии что минимальное допустимое значение КЭМС составляет 2,5–3 %.
Близкую к максимальной разницу ТКЗ в сочетании с близким к 2 % КЭМС (у ПАВ с низким ТКЗ) и умеренными значениями угла отклонения потока энергии можно получить при использовании X-среза. При использовании Y-среза можно получить разницу ТКЗ примерно на 20 % ниже максимальной в сочетании с более низким КЭМС ПАВ с низким ТКЗ и нулевыми значениями угла отклонения потока энергии.
Таким образом, ниобат лития позволяет разработать локальный сенсор температуры на основе ПАВ чувствительного элемента.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ДАТЧИКА ТЕМПЕРАТУРЫ НА ОСНОВЕ ЛИНИЙ ЗАДЕРЖКИ
Датчик температуры реализован в соответствии с принципами, изложенными в [1]. В данном случае зеркальная топология реализуется на двух разных пьезоплатах. Датчик температуры представляет собой чувствительный элемент на ПАВ для измерения температуры, состоящий из двух пьезоплат разных срезов с различными температурными коэффициентами задержки, на поверхности каждой из них сформированы не менее одного встречно-штыревого преобразователя (ВШП) и не менее двух ОС, ОС расположены по обе стороны от ВШП, ВШП соединены параллельно. Такая топология соответствует зеркальной топологии, предложенной в [1]. Данное устройство планируется использовать для дистанционного мониторинга температуры. Для этого измеритель должен быть оснащен антенной, а оценка текущей температуры производится путем излучения запросных сигналов опрашивающим устройством (рис. 8).
На рис. 9 приведены импульсные характеристики пьезоплат.
На рис. 10 приведена структура чувствительного элемента на ПАВ для измерения температуры (параллельное соединение).
Чувствительный элемент на ПАВ для измерения температуры (рис. 9, рис. 10) состоит из двух пьезоплат: пьезоплаты (1) и пьезоплаты (2), на которых сформированы ВШП (3) и ВШП (4) и ОС (1a и 1b). ОС выполнены в виде периодической системы канавок.
На рис. 10 показано параллельное соединение пьезоплат.
Пьезоплаты выполнены из пьезоэлектрического материала: ниобат лития YZ-срез и ниобат лития 128° Y-X-срез.
При этом каждый срез обладает различными температурными коэффициентами задержки.
Для формирования ВШП использованы такие технологии, как фотолитография и травление. Канавки (отражающие структуры) сформированы травлением через маску.
Как показано на рис. 9, импульсные характеристики пьезоплат различны, а минимальные значения импульсной характеристики одной пьезоплаты во временной области соответствуют максимальным значениям импульсной характеристики другой пьезоплаты во временной области.
Под действием изменения температуры пьезоплаты изменяются геометрические размеры электродов ВШП (3) и ВШП (4), длина звукопровода, параметры системы канавок ОС (1a и 1b) на пьезоплатах 1 и 2. Изменение геометрических размеров пьезоплаты приводит к изменению времени задержки ответного сигнала.
При поступлении запросного радиосигнала от опрашивающего устройства на ВШП (3) пьезоплаты 1 и ВШП (4) пьезоплаты 2 за счет обратного пьезоэлектрического эффекта возникает ПАВ, распространяющаяся от ВШП (3) пьезоплаты 1 и ВШП (4) пьезоплаты 2 к отражающим структурам (1a и 1b) пьезоплаты 1 и пьезоплаты 2, соответственно.
Дойдя до ОС (1a и 1b) пьезоплаты 1 и пьезоплаты 2, ПАВ отражается и возвращается на ВШП (3) и ВШП (4), соответственно.
Если измеряемая чувствительным элементом температура постоянна, то разница времен задержки запросного сигнала на различных пьезоплатах будет определяться направлением распространения ПАВ и будет пропорциональна разности температурных коэффициентов задержки.
Поскольку во временной области минимальные значения импульсной характеристики одной пьезоплаты соответствуют максимальным значениям импульсной характеристики другой пьезоплаты (рис. 9), то при изменении скорости ПАВ ответный сигнал будет иметь различную форму при различных температурах.
Различие времен задержки запросного сигнала различными пьезоплатами приведет к искажению формы сигнала, пришедшего на ВШП (3) пьезоплаты 1 и ВШП (4) пьезоплаты 2 от ОС (1a и 1b) пьезоплаты 1 и пьезоплаты 2.
Информационным сигналом является отраженный сигнал, обеспечивающий максимальное по амплитуде значение отклика датчика температуры.
Изменение формы сигнала может быть сопоставлено значению температуры. Для измерений используется градуировочная зависимость (форма — температура).
В устройстве реализуется свертка принятого запросного сигнала с импульсной характеристикой устройства, зависящей от текущей температуры. Сформированный таким образом отклик переизлучается в эфир и принимается опрашивающим устройством. Анализируя принятый отклик, можно произвести оценку температуры. Очевидно, что для синтеза оптимального запросного сигнала (или набора запросных сигналов), а также эффективной обработки принятого отклика в опрашивающем устройстве необходимо знание соответствия формы импульсной характеристики и переизлученного датчиком сигнала конкретной температуре.
Данное соответствие может быть установлено экспериментально путем последовательного достижения каждого значения из набора значений эталонной температуры и записи соответствующих импульсных характеристик и откликов датчика (свертки импульсной характеристики и запросного сигнала).
Для оценки импульсных характеристик устройства осуществляется непосредственное измерение комплексного сопротивления устройства при помощи анализатора цепей и дальнейший пересчет в импульсные характеристики посредством применения программной среды MATLAB.
В ходе проведенных экспериментов исследуемый образец подвергался воздействию положительных температур в диапазоне от 20 до 50 °C. Для анализа импульсных характеристик при воздействии температуры установленный образец помещался в термокамеру (рис. 11).
В каждом из проведенных экспериментов величина установленных температур менялась в диапазоне от 20 до 50 °C с шагом в 5°.
Была выполнена оценка S11 параметра устройства (коэффициента отражения) при помощи анализатора цепей Rohde&Schwarz ZVA 24.
Структура экспериментальной установки, использованной при проведении данных измерений, приведена на рис. 11–12.
S11 параметр регистрировался в диапазоне 200–600 МГц с шагом по частоте 10 кГц.
Оценка вносимого затухания была выполнена путем воздействия на устройство радиоимпульсами, с частототами несущей, обеспечивающими максимальную энергетическую эффективность [1], длительностью 1,8 мкс, сформированными стандартным аналоговым генератором сигналов Agilent.
Отклик устройства регистрировался и записывался в файл при помощи цифрового осциллографа Agilent. После измерения амплитуды отклика устройства вносимое затухание рассчитывается по формуле
,(1)
где авн — вносимое затухание, дБ; U2 — амплитуда отраженного сигнала, В.
Вид экспериментальной установки, использованной при проведении измерений, приведен на рис. 13–16.
Авторы считают, что в данной работе новыми являются следующие положения и результаты:
1. Методология проектирования пассивных беспроводных датчиков на основе линий задержки на ПАВ;
2. Конструкция датчика температуры на ПАВ;
3. Зеркальная топология датчика температуры на ПАВ.
Актуальность работы определяется необходимостью измерения основных физических параметров в экстремальных условиях (низкие или высокие температуры, космическая радиация и т. д.).
Работа частично поддерживается Министерством образования и науки РФ, задание 8.6108.2017/6.7
ЛИТЕРАТУРА
1. Ivan Antsev, Sergei Bogoslovsky, Gennadiy Sapozhnikov, Sergei Zhgoon. SAW Force Sensor Based on Reflective Delay Line Quasi-Mirror Topology // 2015 IEEE International Ultrasonics Symposium Proceedings.
Пассивные беспроводные датчики на поверхностных акустических волнах (ПАВ) находят применение в системах мониторинга различного назначения. Датчик на ПАВ состоит из антенны и пьезоплаты, на которой сформированы преобразователь электромагнитной энергии в механическую энергию и рефлекторы, выполненные в виде канавок или штырей. Как правило, для выполнения преобразований электрических сигналов в поверхностные акустические волны и обратно используется встречно-штыревой преобразователь (ВШП). Далее на пьезоплате расположены отдельные рефлекторы. Отдельные рефлекторы располагают на поверхности датчика таким образом, чтобы получить требуемый вид импульсной характеристики. В совокупности рефлекторы образуют отражающие структуры (ОС).
Обычно в рефлекторах устройств на ПАВ используют достаточно много отражающих элементов. Рефлекторы реализуются при помощи системы металлизированных штырей на пьезоэлектрической подложке или системы канавок, которые формируют путем травления поверхности звукопровода. Число отражательных штырей или канавок в каждой ОС выбирается из условия получения необходимого коэффициента отражения при приемлемом уровне вносимых потерь.
Конструкция датчика в виде линии задержки (ЛЗ) с отражательными структурами обеспечивает получение наилучших значений параметров датчика:
• хорошее согласование с антенной и минимальные потери на рассогласование;
• возможность реализовать различный вид импульсной характеристики;
• регулируемый коэффициент отражения от каждого отражателя (изменением толщины металла или глубины канавок) и возможность выбрать его оптимальную величину для получения желаемой импульсной характеристики.
В системах с датчиками на ПАВ чувствительным элементом акустоэлектронного датчика могут служить резонаторы или линии задержки на ПАВ. Для измерений по принципу температурного смещения центральной частоты резонанса необходимы относительно малый температурный коэффициент линейного расширения и по возможности большой температурный коэффициент частоты. Это обусловлено необходимостью исключения внутренних напряжений в пьезоплате и высокими требованиями по чувствительности.
Выбор материалов для изготовления чувствительных элементов датчиков производится с учетом их свойств. Так, кварц стабилен и биологически совместим, но имеет малые значения коэффициента электромеханической связи. Ниобат лития обладает высокими значениями коэффициента электромеханической связи (КЭМС, обозначаемого K2) и не является биологически совместимым материалом.
Поэтому наиболее подходящим материалом для изготовления инвазивного (имплантируемого) датчика температуры на основе резонатора является кварц.
Кварцевый резонансный датчик имеет несколько преимуществ. Во-первых, кварц является биологически совместимым материалом. Во-вторых, кварцевый резонатор будет иметь максимальную добротность, что увеличивает радиус действия всей системы. В-третьих, кварцевый резонатор представляет собой чрезвычайно стабильный прибор, который незначительно меняет свои характеристики в течение длительного срока эксплуатации.
В противоположность резонансному датчику, предназначенному для инвазивного применения, датчик на основе линии задержки требует обеспечения высокого значения КЭМС, а также большого значения температурного коэффициента частоты. Поэтому материалом для изготовления датчика температуры большой дальности выбран ниобат лития. Этот материал отличается высоким значением температурного коэффициента частоты (ТКЧ) или температурного коэффициента задержки (ТКЗ).
ВЫБОР МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ДАТЧИКОВ
Ниобат лития представляет собой материал с высокими акустоэлектронными характеристиками (малое затухание и высокий КЭМС) и в то же время значительной величиной температурных коэффициентов времени задержки (ТКЗ) на разных срезах, ориентации которых описываются углами Эйлера (j, θ, ψ). Поэтому был проведен теоретический анализ и моделирование распространения ПАВ в ниобате лития разных срезов в контексте температурной чувствительности. Проведен расчет ТКЗ ПАВ (скорость которых ниже скорости всех объемных акустических волн (ОАВ)), распространяющихся в различных направлениях на всевозможных срезах ниобата лития. Результаты расчета приведены на рис. 1–4.
Также проведен расчет коэффициента электромеханической связи (КЭМС) ПАВ, распространяющихся в различных направлениях на всевозможных срезах ниобата лития. Результаты расчета приведены на рис. 5–7.
Сравним наиболее употребительные срезы ниобата лития: Y-срез, 128°Y-срез, 41°Y-срез, 64°Y-срез и X-срез. Параметры ПАВ с максимальными и минимальными значениями ТКЗ на перечисленных срезах приведены в табл. 1. PFA — угол отклонения потока энергии.
Использование пары линий задержек, изготовленных на разных срезах (один из них — Y-срез с распространением волны вдоль оси Z или Х-срез с распространением под углом 92° к оси Y, другой — 128°Y-срез с распространением вдоль оси X), позволяет получить разницу ТКЗ 25 • 10−6/°C при КЭМС более 4 % для каждой из них (при использовании невытекающих ПАВ). Вариант с использованием YZ-среза представляется предпочтительным из-за отсутствия отклонения потока энергии и близкого к минус 1 параметра дифракции, хотя ПАВ с максимальным ТКЗ на X-срезе свойственен немного более высокий КЭМС.
Использование пары линий задержек с разных срезов (один из них — Y-срез с распространением волны вдоль оси Z или Х-срез с распространением под углом 92° к оси Y, другой — 64°Y-срез с распространением перпендикулярно оси X) позволяет получить разницу ТКЗ 29 • 10−6/°C. Используемая при этом ПАВ, распространяющаяся на 64°Y-срезе, отличается тем, что ее скорость выше скорости одной из ОАВ; такая ПАВ является невытекающей только при распространении, строго перпендикулярном к оси X.
X-срез позволяет получить среди указанных срезов наибольшую разницу ТКЗ при использовании единой подложки для пары устройств, а также наибольшее значение меньшего среди пары направлений КЭМС. Срез 41°Y при использовании невытекающих ПАВ не представляет интереса по сравнению с другими рассмотренными срезами. Использование вытекающей ПАВ, распространяющейся с относительно слабым вытеканием на металлизированной поверхности 64°YX-среза, также не представляет интереса.
Наибольшую разницу ТКЗ среди рассмотренных вариантов, около 35 • 10−6/°C, можно получить при использовании вытекающей ПАВ, распространяющейся с относительно слабым вытеканием на свободной поверхности 41°YX-среза, в сочетании с невытекающей ПАВ с высоким ТКЗ, распространяющейся на другом срезе (Y-срез с распространением волны вдоль оси Z или Х-срез с распространением под углом 92° к оси Y).
Максимальный ТКЗ, согласно расчету, имеет величину 98 • 10−6/°C и достигается при распространении ПАВ перпендикулярно к оси X на −20°Y-срезе. Данному направлению распространения соответствует значение КЭМС около 4,6 % (что близко к локальному максимуму и немного меньше глобального для невытекающих волн) и нулевые значения угла отклонения потока энергии. Близкими свойствами обладает ПАВ на YZ-срезе (ТКЗ ниже на 2 • 10−6/°C и немного меньший КЭМС).
Минимальный ТКЗ среди невытекающих волн согласно расчета имеет величину 67 • 10−6/°C и достигается при распространении ПАВ перпендикулярно к оси X на 66°Y-срезе. Данному направлению распространения соответствует значение КЭМС около 1,7 % и нулевые значения угла отклонения потока энергии. Практически таким же расчетным ТКЗ и немного меньшим КЭМС обладает ПАВ, распространяющаяся перпендикулярно к оси X на 64°Y-срезе. Выбирая срез с немного большим углом поворота, можно получить более высокий КЭМС при небольшом повышении ТКЗ; так, на 69°Y-срезе по расчету ТКЗ выше примерно на четверть ×10−6/°C, а КЭМС достигает значения 2 %; в локальном максимуме (около 80°Y-среза) КЭМС достигает значения 2,6 %, а ТКЗ значения 70 • 10−6/°C. Упомянутые ПАВ отличаются тем, что их скорость выше скорости одной из ОАВ; такие ПАВ являются невытекающими только при распространении строго перпендикулярно к оси X.
Локальный минимум ТКЗ также существует в области ориентаций подложки, определяемых углами Эйлера (j, 5.25°, 110.160°); минимальное значение ТКЗ в этой области составляет около 69 • 10−6/°C. При этом наименьшим значениям ТКЗ (не превышающим 71 • 10−6/°C) в этой области соответствуют значения КЭМС не более 1,5 %.
Еще один локальный минимум ТКЗ находится вблизи глобального максимума КЭМС, который достигается при распространении ПАВ вдоль оси X на 128°Y-срезе (ТКЗ 71 • 10−6/°C, КЭМС 5,5 %).
Таким образом, использование пары линий задержек с разных срезов (при использовании невытекающих ПАВ) позволяет получить разницу ТКЗ до 27 • 10−6/°C при КЭМС более 4 % для каждой из них.
Если допустить КЭМС около 2 %, то можно достичь 31 • 10−6/°C. Однако, если при использовании ПАВ со скоростью, превышающей скорость одной из ОАВ, обнаружатся неприемлемые потери, то максимальная разница ТКЗ при использовании других волн составляет около 29 • 10−6/°C, при условии что КЭМС будет иметь величину около 0,5 %.
Большую разницу ТКЗ (при КЭМС не менее 4 %) позволяет получить использование вытекающих волн. В частности, до 37 • 10−6/°C можно получить при использовании вытекающей ПАВ, распространяющейся на 41°YX-срезе.
Максимум разницы ТКЗ также существует в области ориентаций подложки, определяемых углами Эйлера (j, 60,90°, ψ). ПАВ с высоким ТКЗ (95,98 • 10−6/°C) распространяются в направлениях, соответствующих ψ = 75,95°. ПАВ с низким ТКЗ (72,75 • 10−6/°C) распространяются в направлениях, соответствующих ψ от 0 до 25°.
Максимальное значение разницы ТКЗ составляет около 24 • 10−6/°C. Возможно, при расчете с меньшим шагом по углам найдется значение, большее на 1,2 • 10−6/°C). Максимальная разница ТКЗ достигается при использовании двухповоротных срезов, используемые ПАВ имеют ненулевые значения угла отклонения потока энергии, в том числе превышающие 10°. КЭМС ПАВ с высоким ТКЗ принимает значения близкие к 4 %; КЭМС ПАВ с низким ТКЗ при максимальной разнице ТКЗ составляет 2–2,3 %. Разница ТКЗ более 20 • 10−6/°C может быть получена, при условии что минимальное допустимое значение КЭМС составляет 2,5–3 %.
Близкую к максимальной разницу ТКЗ в сочетании с близким к 2 % КЭМС (у ПАВ с низким ТКЗ) и умеренными значениями угла отклонения потока энергии можно получить при использовании X-среза. При использовании Y-среза можно получить разницу ТКЗ примерно на 20 % ниже максимальной в сочетании с более низким КЭМС ПАВ с низким ТКЗ и нулевыми значениями угла отклонения потока энергии.
Таким образом, ниобат лития позволяет разработать локальный сенсор температуры на основе ПАВ чувствительного элемента.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ДАТЧИКА ТЕМПЕРАТУРЫ НА ОСНОВЕ ЛИНИЙ ЗАДЕРЖКИ
Датчик температуры реализован в соответствии с принципами, изложенными в [1]. В данном случае зеркальная топология реализуется на двух разных пьезоплатах. Датчик температуры представляет собой чувствительный элемент на ПАВ для измерения температуры, состоящий из двух пьезоплат разных срезов с различными температурными коэффициентами задержки, на поверхности каждой из них сформированы не менее одного встречно-штыревого преобразователя (ВШП) и не менее двух ОС, ОС расположены по обе стороны от ВШП, ВШП соединены параллельно. Такая топология соответствует зеркальной топологии, предложенной в [1]. Данное устройство планируется использовать для дистанционного мониторинга температуры. Для этого измеритель должен быть оснащен антенной, а оценка текущей температуры производится путем излучения запросных сигналов опрашивающим устройством (рис. 8).
На рис. 9 приведены импульсные характеристики пьезоплат.
На рис. 10 приведена структура чувствительного элемента на ПАВ для измерения температуры (параллельное соединение).
Чувствительный элемент на ПАВ для измерения температуры (рис. 9, рис. 10) состоит из двух пьезоплат: пьезоплаты (1) и пьезоплаты (2), на которых сформированы ВШП (3) и ВШП (4) и ОС (1a и 1b). ОС выполнены в виде периодической системы канавок.
На рис. 10 показано параллельное соединение пьезоплат.
Пьезоплаты выполнены из пьезоэлектрического материала: ниобат лития YZ-срез и ниобат лития 128° Y-X-срез.
При этом каждый срез обладает различными температурными коэффициентами задержки.
Для формирования ВШП использованы такие технологии, как фотолитография и травление. Канавки (отражающие структуры) сформированы травлением через маску.
Как показано на рис. 9, импульсные характеристики пьезоплат различны, а минимальные значения импульсной характеристики одной пьезоплаты во временной области соответствуют максимальным значениям импульсной характеристики другой пьезоплаты во временной области.
Под действием изменения температуры пьезоплаты изменяются геометрические размеры электродов ВШП (3) и ВШП (4), длина звукопровода, параметры системы канавок ОС (1a и 1b) на пьезоплатах 1 и 2. Изменение геометрических размеров пьезоплаты приводит к изменению времени задержки ответного сигнала.
При поступлении запросного радиосигнала от опрашивающего устройства на ВШП (3) пьезоплаты 1 и ВШП (4) пьезоплаты 2 за счет обратного пьезоэлектрического эффекта возникает ПАВ, распространяющаяся от ВШП (3) пьезоплаты 1 и ВШП (4) пьезоплаты 2 к отражающим структурам (1a и 1b) пьезоплаты 1 и пьезоплаты 2, соответственно.
Дойдя до ОС (1a и 1b) пьезоплаты 1 и пьезоплаты 2, ПАВ отражается и возвращается на ВШП (3) и ВШП (4), соответственно.
Если измеряемая чувствительным элементом температура постоянна, то разница времен задержки запросного сигнала на различных пьезоплатах будет определяться направлением распространения ПАВ и будет пропорциональна разности температурных коэффициентов задержки.
Поскольку во временной области минимальные значения импульсной характеристики одной пьезоплаты соответствуют максимальным значениям импульсной характеристики другой пьезоплаты (рис. 9), то при изменении скорости ПАВ ответный сигнал будет иметь различную форму при различных температурах.
Различие времен задержки запросного сигнала различными пьезоплатами приведет к искажению формы сигнала, пришедшего на ВШП (3) пьезоплаты 1 и ВШП (4) пьезоплаты 2 от ОС (1a и 1b) пьезоплаты 1 и пьезоплаты 2.
Информационным сигналом является отраженный сигнал, обеспечивающий максимальное по амплитуде значение отклика датчика температуры.
Изменение формы сигнала может быть сопоставлено значению температуры. Для измерений используется градуировочная зависимость (форма — температура).
В устройстве реализуется свертка принятого запросного сигнала с импульсной характеристикой устройства, зависящей от текущей температуры. Сформированный таким образом отклик переизлучается в эфир и принимается опрашивающим устройством. Анализируя принятый отклик, можно произвести оценку температуры. Очевидно, что для синтеза оптимального запросного сигнала (или набора запросных сигналов), а также эффективной обработки принятого отклика в опрашивающем устройстве необходимо знание соответствия формы импульсной характеристики и переизлученного датчиком сигнала конкретной температуре.
Данное соответствие может быть установлено экспериментально путем последовательного достижения каждого значения из набора значений эталонной температуры и записи соответствующих импульсных характеристик и откликов датчика (свертки импульсной характеристики и запросного сигнала).
Для оценки импульсных характеристик устройства осуществляется непосредственное измерение комплексного сопротивления устройства при помощи анализатора цепей и дальнейший пересчет в импульсные характеристики посредством применения программной среды MATLAB.
В ходе проведенных экспериментов исследуемый образец подвергался воздействию положительных температур в диапазоне от 20 до 50 °C. Для анализа импульсных характеристик при воздействии температуры установленный образец помещался в термокамеру (рис. 11).
В каждом из проведенных экспериментов величина установленных температур менялась в диапазоне от 20 до 50 °C с шагом в 5°.
Была выполнена оценка S11 параметра устройства (коэффициента отражения) при помощи анализатора цепей Rohde&Schwarz ZVA 24.
Структура экспериментальной установки, использованной при проведении данных измерений, приведена на рис. 11–12.
S11 параметр регистрировался в диапазоне 200–600 МГц с шагом по частоте 10 кГц.
Оценка вносимого затухания была выполнена путем воздействия на устройство радиоимпульсами, с частототами несущей, обеспечивающими максимальную энергетическую эффективность [1], длительностью 1,8 мкс, сформированными стандартным аналоговым генератором сигналов Agilent.
Отклик устройства регистрировался и записывался в файл при помощи цифрового осциллографа Agilent. После измерения амплитуды отклика устройства вносимое затухание рассчитывается по формуле
,(1)
где авн — вносимое затухание, дБ; U2 — амплитуда отраженного сигнала, В.
Вид экспериментальной установки, использованной при проведении измерений, приведен на рис. 13–16.
Авторы считают, что в данной работе новыми являются следующие положения и результаты:
1. Методология проектирования пассивных беспроводных датчиков на основе линий задержки на ПАВ;
2. Конструкция датчика температуры на ПАВ;
3. Зеркальная топология датчика температуры на ПАВ.
Актуальность работы определяется необходимостью измерения основных физических параметров в экстремальных условиях (низкие или высокие температуры, космическая радиация и т. д.).
Работа частично поддерживается Министерством образования и науки РФ, задание 8.6108.2017/6.7
ЛИТЕРАТУРА
1. Ivan Antsev, Sergei Bogoslovsky, Gennadiy Sapozhnikov, Sergei Zhgoon. SAW Force Sensor Based on Reflective Delay Line Quasi-Mirror Topology // 2015 IEEE International Ultrasonics Symposium Proceedings.
Отзывы читателей
