научная статья по теме КРИТЕРИИ ВЫБОРА МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ДАТЧИКОВ НА ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ Энергетика

Текст научной статьи на тему «КРИТЕРИИ ВЫБОРА МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ДАТЧИКОВ НА ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ»

УДК 534.2;621.37

КРИТЕРИИ ВЫБОРА МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ДАТЧИКОВ НА ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ

CRITERIA OF A CHOICE OF MATERIALS FOR SENSORS ON SURFACE ACOUSTIC WAVES

Балышева Ольга Леонидовна

канд. техн. наук, доцент E-mail: balysheva@mail.ru

Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения

Факультет радиотехники, электроники и связи

Кафедра конструирования и технологии электронных и лазерных средств

Аннотация: Рассмотрены современные материалы и типы подложек, используемые для устройств на поверхностных акустических волнах (ПАВ), и особенности выбора материалов для чувствительных элементов датчиков на ПАВ. Приведена классификация датчиков, показаны учитываемые при разработке факторы, выделены критерии выбора материалов. Ключевые слова: поверхностные акустические волны (ПАВ), датчики, пьезоматериалы, монокристаллы, температурные свойства, лангасит.

ВВЕДЕНИЕ

Преимуществами датчиков на поверхностных акустических волнах (ПАВ) служат миниатюрность, надежность, пассивность, возможность совмещения функции измерения и идентификации. В последние 15—20 лет датчикам на ПАВ уделяется повышенное внимание благодаря возможности реализации беспроводных измерений различных физических величин, в том числе и при высоких (выше 200...300 °С) температурах.

Технические характеристики таких датчиков чрезвычайно критичны к конструктивным материалам. Системный подход к разработке и массовое производство устройств на ПАВ предполагают высокую степень автоматизации всех этапов проектирования и изготовления. Однако из-за отсутствия единого набора конструктивных материалов, используемых для различных устройств на ПАВ, возникает задача поиска и оптимального выбора материалов из перечня потенциально пригодных.

В статье обсуждается специфика и критерии оптимального выбора материалов для датчиков с чувствительными элементами на ПАВ, перечисляются учитываемые в процессе разработки факторы и параметры применяемых материалов.

ПАВ УСТРОЙСТВА КАК ДАТЧИКИ

Носителями информации в устройствах на ПАВ служат акустические волны, распространяющиеся в по-

Balysheva Olga L.

Ph. D. (Technical), Associate Professor E-mail: balysheva@mail.ru

Saint-Petersburg State University of Aerospace Instrumentation Faculty of radioengineering, electronics and communication

Chair of designing and technology of electronic and laser means

Abstract: The modern materials and types of the substrates used for the device on surface acoustic waves (SAW) are considered, their special requirements for SAW sensors are discussed. The classification of SAW sensors, factors and criteria of a choice of sensors materials are listed.

Keywords: surface acoustic waves (SAW), sensors, piezomaterials, monocrystals, temperature properties, langasite.

верхностном слое твердых тел — подложек. Из физического принципа действия следует, что все ПАВ устройства принципиально могут быть датчиками, поскольку они чувствительны к изменениям множества физических параметров, и любое возмущение поверхности приводит к изменению характеристик акустической волны и, в конечном итоге, выходного сигнала устройства. Такие изменения могут быть измерены и коррелированны с соответствующим физическим качеством предмета измерений. Оптимальный выбор материалов вместе с конструкцией датчика позволяет максимизировать чувствительность к измеряемому параметру.

Согласно терминологии действующих ГОСТ [1, 2], элемент на ПАВ является первичным измерительным преобразователем (ПИП) [1], на который непосредственно воздействует явление, физический объект или вещество, являющееся носителем величины, подлежащей измерению. Датчик — это конструктивно обособленное устройство, содержащее один или несколько ПИП [1]. Элемент на ПАВ в датчике является чувствительным элементом (ЧЭ) [2], т. е. функциональной частью электронного датчика, находящейся под непосредственным воздействием физической величины.

Принцип действия ЧЭ на ПАВ в датчиках поясняется на рис. 1.

мость поверхности а, давление р. Относительное изменение скорости может быть записано в виде:

^ £ 1 ( & Дт + & Дс + АТ + Зу Да + с* Ар + ...].

V V \дт дс дТ да др )

В датчиках необходимо максимизировать влияние измеряемой величины и минимизировать (или компенсировать) влияние остальных.

Среди существующих конструкций наибольшее распространение получили датчики с ЧЭ резонаторного типа (рис. 3, а), ЧЭ на основе линии задержки (рис. 3, б)

Рис. 1. К принципу действия ЧЭ на ПАВ

В основе действия ЧЭ лежит свойство ПАВ изменять свои характеристики (скорость, амплитуду, частоту) в зависимости от состояния поверхности среды, где они распространяются. ПАВ чувствительны к таким факторам среды, как температура, давление, деформация, влажность и т. д., что позволяет создавать соответствующие датчики.

В одних ЧЭ (например, датчиков деформации) воздействие измеряемого физического параметра приводит к изменениям свойств самой поверхности подложки, в которой распространяются акустические волны, в других ЧЭ (например, датчиков жидкостей) необходимо применение специальных чувствительных покрытий, не требуемых для возбуждения, распространения и регистрации ПАВ. Так, принцип построения газовых и других химических датчиков основан на применении покрытий, селективно абсорбирующих молекулы обнаруживаемого газа или жидкости, что также приводит к изменению условий распространения и характеристик ПАВ.

Преимуществом ЧЭ на ПАВ является вид выходной величины, представляющей собой электрический сигнал, что не требует введения дополнительных промежуточных измерительных преобразователей [1] в составе датчика. Измеряемыми параметрами могут быть амплитуда, частота, фаза и задержка ПАВ. Возможная классификация датчиков на ПАВ приведена на рис. 2.

Общими для всех датчиков вне зависимости от их типа, принципа действия являются такие характеристики, как передаточная функция, чувствительность, точность, диапазон измеряемых величин [2, 3]. Все эти характеристики зависят от используемых материалов и конструктивных решений. Правильный выбор материалов и конструкции датчика позволяет максимизировать чувствительность к контролируемому параметру, расширить диапазон измерения и т. д.

К изменению условий и скорости распространения ПАВ приводит изменение таких факторов, как поверхностная масса т, жесткость с, температура Т, проводи-

Измеряемая величина или определяемое вещество

Температура

Давление

Деформация

[ аз и тд.

Способ построения

Линия задержки Резонатор

Тип рабсчсй среды

Жидкость

Твердое таю

1шЛ Газ

Пакуум

Количество измеряемых величин или определяемых веществ

Датчик одной величины

Мульти датчик

РЧИД

Количество измерений

Однократные Многократные

Способ съема данных

Проводные Беспроводные

Размещение относительно объекга измерений

Контактные

Бесконтактные

Рис. 2. Классификация датчиков на ПАВ

Рис. 3. Датчик на ПАВ резонаторного типа (в); датчик на ПАВ на основе линии задержки (б); датчик с РЧИД (в):

1 — подложка; 2 — ВШП; 3 — отражательные решетки; 4 — чувствительное покрытие; 5 — антенна; 6 — приемопередающий блок считывания/идентификации

24 _ ввпвогв & Буагетв • № 2.2015

и датчики с функцией радиочастотной идентификации (РЧИД) (рис. 3, в). Датчики с ЧЭ первых двух типов могут реализовываться как в проводном, так и в беспроводном вариантах (с передачей данных по радиоканалу), ЧЭ датчиков, построенных по дифференциальному принципу измерений, имеют двухканальную структуру с опорным и чувствительными каналами.

Перспективными являются комбинированные датчики различных физических величин ("лаборатории на кристалле") [4] и интеллектуальные системы типа "электронный нос" и "электронный язык" [5, 6].

В ЧЭ используются рэлеевские волны, волны с горизонтально-сдвиговой (ГС) поляризацией, приповерхностные объемные волны, вытекающие ПАВ [7]. Все ЧЭ функционируют в газовой или вакуумной среде, но только некоторые из них эффективно работают в жидких средах. Для ЧЭ датчиков жидких сред обычно используются ГС волны, так как ПАВ этого типа не испытывают существенного затухания в жидких средах в отличие от рэлеевских волн, содержащих смещения, нормальные к поверхности.

МАТЕРИАЛЫ ДЛЯ УСТРОЙСТВ НА ПАВ

В устройствах на ПАВ возможно применение однородных по структуре пьезоэлектрических монокристаллических и пьезокерамических подложек, а также неоднородных структур, состоящих из двух или более слоев различных материалов. Для слоев используются пьезоэлектрические и непьезоэлектрические монокристаллы и пленки. Большое затухание акустических волн ограничивает применение дешевых пьезокерамических подложек частотами до 25 МГц.

Наибольшее распространение получили монокристаллические подложки, для которых характерно постоянство материальных констант и малое влияние эффектов старения. Многослойные подложки сложнее и дороже в изготовлении, и их применение, как правило, оправдано решением конкретной задачи [8]. Среди монокристаллов лидируют по применению кварц (8Ю2), ниобат и танталат лития ^№Оз, LiTaOз). В последние годы к ним присоединился, а по некоторым позициям занял лидирующее положение, кварцеподобный монокристалл — лангасит (LaзGa5 5^0 5О14), превосходящий кварц по ряду важнейших параметров. Другими потенциально пригодными материалами для коммерческих применений являются арсенид галлия ^аАв), ортофос-фат галлия ^аРО4), карбид кремния ^С), лангатат (LaзGa5 5Тао 5О14), сапфир, пьезокерамика РЪ(/г, Т_)Оз (ЦТС), пленки оксида цинка (7пО), нитрида алюминия (АШ).

При выборе подложки для любого ПАВ устройства учитываются следующие параметры материалов:

— скорость акустических волн V;

— коэффициент электромеханической связи к;

— температурные коэффициенты: задержки ТКЗ, скорости и др.;

Таблица 1

Основные параметры некоторых подложек

Материал/ ориентация Скорость ПАВ V, м/с ТКЗ, х10-6/°С Акустическое затухание на частоте 433/2450 МГц, дБ/мкс к2, %

ЯТД-ЯЮг 3158 0 0,75/18,6 0,11

УХ^Ю2 3159 -24 0,38/14 0,19

уг-итоз 3488 94 0,25/5,8 4,5

128 °У- П№03 3980 72 0,27/5,2 5,54

Уг-ЫТа03 3230 35 0,26/6,13 0,66

— потери при распространении акустиче

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком