ЭЛЕКТРОАКУСТИЧЕСКИЙ СЕНСОР ДЛЯ СРЕД С ВЫСОКИМ ДАВЛЕНИЕМ Российский патент 2010 года по МПК H01L41/47 G01L9/08 

Область техники

[0001] Настоящее изобретение относится в целом к электроакустическим сенсорам, в частности к электроакустическому сенсору, способному работать в среде с высоким давлением.

Уровень техники

[0002] Пьезоэлектрические сенсоры хорошо известны. Они используются для контроля свойств вещества, таких как вязкость и плотность, для определения наличия определенных веществ в окружающей среде, для измерения чистоты жидкости и тому подобное. Диапазон конструкций, известных в области акустического контроля, включает простые кристаллические резонаторы, кристаллические фильтры, акустические устройства с плоскопараллельным резонатором, волновые устройства Ламба и тому подобное. Вкратце, эти устройства содержат подложку из пьезоэлектрического материала, такого как кварц, лангасит, или ниобат лития, или тонкие пленки из пьезоэлектрического материала, такие как нитрид алюминия, окись цинка, или сульфид кадмия на не пьезоэлектрической подложке. Подложка имеет на поверхности, по меньшей мере, одну активную пьезоэлектрическую область, которая хорошо отполирована. На поверхности нанесены входной и выходной преобразователи для преобразования подводимой электрической энергии в акустическую энергию внутри подложки и обратного преобразования акустической энергии в выходной электрический сигнал. Эти преобразователи могут состоять из параллельных пластин (объемная акустическая волна), или периодических встречно-штыревых преобразователей (поверхностная волна). Следует отметить, что одиночный преобразователь может действовать одновременно как входной и выходной преобразователь.

[0003] Каждый из вышеперечисленных сенсоров может быть выполнен так, чтобы работать, будучи полностью погруженным в жидкость. Однако чувствительная электроника в этом случае страдает, как минимум, от шумовых сигналов и ошибок считывания, а как максимум, от коррозии и даже возможного возгорания. Поверхностная защита для электроники хорошо известна и подходит для некоторых ограниченных применений, как можно видеть на примере сенсора с волной Лова и сенсора с поперечной поверхностной волной (ППВ), а также в описанных, например, Р.Л.Баером, С.А.Флори, М.Том-Моем и Д.С.Соломоном «ППВ химические сенсоры» Труды 1992 симпозиума по ультразвуку, с.293-298 (1991) [R.L.Baer, С.A.Flory, М.Tom-Moy and D.S.Solomon, "STW Chemical Sensors," Proc. 1992 Ultrasonics Symp., p.293-298 (1991)]. Однако поверхностная защита не является полной и электрические компоненты цепи все равно подвержены емкостному электрическому воздействию и шумовым наводкам. Кроме того, большинство методов поверхностной защиты требуют использования материала, имеющего плохие акустические характеристики в сравнении с материалами одиночных кристаллов. И наконец, эти ППВ сенсоры дают скорость относительного сдвига, нежелательно высокую для многих измерений в жидкостях. Тогда как такие сенсоры, в принципе, пригодны для многих применений, они не являются идеальными, например, при измерениях в жидкостях в нефтяной отрасли, особенно в среде глубоких минеральных источников.

[0004] В большинстве применений поверхность со стороны, противоположной преобразователям, прямо или косвенно контактирует с жидкостью, в которой производятся измерения, и обменивается с ней акустической энергией. Дополнительно к функции контакта со средой, пьезоэлектрический материал образует защитную мембрану между жидкостью и полостью. Поэтому предельная прочность материала ограничивает рабочее давление, которому сенсор может быть подвергнут. Даже если материал достаточно прочен, чтобы выдерживать давление, нелинейное воздействие на сенсор от изгибания мембраны очень сильно влияет на характеристики сенсора.

[0005] С другой стороны, многие области техники могут выиграть от возможности определять параметры жидкости при низкой чувствительности к колебаниям давления или при высоких уровнях давления. Примеры таких областей включают добычу газа, нефтяные скважины, нефтепроводы, гидравлические системы, литье под давлением, антитеррористические системы для определения биологических и химических веществ и тому подобное. По этой причине в промышленности существует давно ощущаемая и до сих пор не удовлетворенная потребность в электроакустическом сенсоре, способном работать с низкой чувствительностью к колебаниям давления и/или при высоком давлении окружающей среды. Настоящее изобретение направлено на удовлетворение этой потребности.

Сущность изобретения

[0006] Задача настоящего изобретения состоит в том, чтобы создать сенсор с погружаемым датчиком для исследования изобарического давления. Такой сенсор испытывал бы воздействие давления на намного более низком уровне, только от нелинейной составляющей постоянной упругости пьезоэлектрического материала, а не от более значительного изгибания пьезоэлектрической пластины. Кроме того, в отдельных аспектах настоящего изобретения, задача состоит также в том, чтобы обеспечить защиту электрических цепей сенсора от исследуемой среды, которая потенциально может быть едкой или опасной даже тогда, когда находится под высоким давлением. Дальнейшей задачей является защита электрических цепей без использования сенсорного элемента как диафрагмы между исследуемой средой и полостью с низким давлением.

[0007] Задача решается с помощью подложки для пьезоэлектрического сенсора, состоящей из двух практически одинаковых подложек. Такая композитная подложка представляет собой самозащищенный датчик, в котором активные электрические соединения и электроды пьезоэлектрического сенсора расположены на или вблизи средней линии композитной подложки, наружные поверхности которой либо заземлены, либо неактивны.

[0008] Специалисту в данной области понятно, что термин электроды может относиться к заземленным электродам, преобразователям (особенно в случае активно возбуждающих или возбуждаемых электродов) или другим устройствам, которые вызывают или передают возмущение в пьезоэлектрическом кристалле.

[0009] В одном из аспектов настоящее изобретение предоставляет композитное акустическое волновое устройство, содержащее первую и вторую пьезоэлектрические пластины, имеющие каждая внутреннюю и наружную поверхности, причем пластины ориентированы внутренними поверхностями друг к другу. По меньшей мере, первый электрод расположен между соответствующими внутренними поверхностями первой и второй пьезоэлектрических пластин и, по меньшей мере, один отражающий электрод. В отдельных реализациях отражающий электрод расположен, по меньшей мере, на одной из наружных поверхностей. В более предпочтительных реализациях дополнительный, второй электрод расположен между первой и второй пластинами дополнительно к отражающему электроду, однако в некоторых реализациях второй электрод является отражающим электродом.

[0010] Предпочтительно, первый электрод и второй электрод каждый образуют с отражающим электродом соответствующий резонатор на плоскопараллельной пластине, причем первый и второй электроды размещены друг от друга достаточно близко, чтобы делать возможным перенос звуковой энергии между первым и вторым резонатором. Первый электрод или второй электрод и возможно любое число других электродов могут быть электродами в виде одной пластины или встречно-штыревыми электродами.

[0011] В одной из предпочтительных реализаций настоящего изобретения подложка и конструкция электродов выбраны так, чтобы вызывать деформацию в пьезоэлектрических пластинах в ответ на приложение электрического заряда между электродами, причем эта деформация происходит параллельно наружным поверхностям. Сенсор, получающийся при таком выборе подложки и конструкции электродов, подобен хорошо известному сенсору с типом колебаний сдвига, поперечного толщине пластины.

[0012] Акустическое волновое устройство может содержать далее, по меньшей мере одно покрытие, расположенное, по меньшей мере, на части, по меньшей мере, одной из указанных наружных поверхностей. Следует отметить, что может быть множество слоев покрытия и термин «покрытие», как он используется здесь, относится к такому множеству покрытий, как к одному покрытию. Покрытие может представлять собой материал, стойкий к абразивам химически стойкий материал, алмазоподобный углерод, покрытие, чувствительное к измеряемой величине, такое как покрытие, чувствительное к присутствию или концентрации определенных химических веществ в исследуемой среде, или любую желаемую комбинацию покрытий.

[0013] В предпочтительной реализации первая и вторая пьезоэлектрические пластины имеют существенно одинаковые размеры. Более предпочтительно, первая и вторая пьезоэлектрические пластины имеют одинаковую кристаллическую ориентацию.

[0014] В то время как в наиболее предпочтительной реализации изобретения первый и/или второй преобразователи (электроды) выполнены как электроды в виде одной пластины, имеются в виду также встречно-штыревые преобразователи.

[0015] В некоторых реализациях для достижения желаемых частот, по меньшей мере, в одной из пластин, а предпочтительно в обеих, выполнены выемки в наружных поверхностях.

[0016] В отдельных предпочтительных реализациях изобретения любое из описанных выше акустических волновых устройств может иметь выемку, по меньшей мере, в одной из внутренних поверхностей. Эта выемка задает полость между первой и второй пластинами, которая образует область сенсора, чувствительную к давлению.

[0017] В еще одном аспекте изобретения предложен сенсор, содержащий композитное акустическое волновое устройство, аналогичное любому, описанному выше. Далее, электрическая цепь обеспечивает соединение для электрической энергии, по меньшей мере, между первым электродом и отражающим электродом. Понятно, что желательно также иметь измерительную цепь для измерения, по меньшей мере, одного параметра этой электрической энергии, однако такая схема может быть выполнена и отдельно.

[0018] Наиболее предпочтительная реализация изобретения содержит монтажный болт. Предпочтительно, электрическая цепь или ее часть вставлена в болт, например в тело болта, в то время как сенсорный элемент акустического волнового устройства выступает из тела болта в измеряемую среду. В реализациях, имеющих раздельные входной и выходной преобразователи, первый электрод действует как входной преобразователь для введения электрических сигналов в акустическое волновое устройство, а второй электрод действует как выходной преобразователь для выведения электрических сигналов из акустического волнового устройства. Обычно, электрическая цепь будет содержать источник сигнала, соединенный с входным преобразователем для передачи в него входного сигнала и измерительной цепи для измерения, по меньшей мере, одного соотношения между входным и выводимым сигналами.

[0019] Измеряемые параметры могут включать один или более из любых свойств акустического волнового устройства, которые можно контролировать по электрическим сигналам, например такие, как относительная фаза входного и выходного сигналов, абсолютные или относительные амплитуды входного и выходного сигналов, частота сигнала, на которой сохраняется постоянный фазовый сдвиг, время задержки прохождения импульсного сигнала через сенсор, импеданс преобразователя или любая желаемая комбинация этих параметров.

[0020] В еще одной реализации изобретения предложен способ измерения, по меньшей мере, одного физического параметра среды без помех из-за высокого давления, способ содержит этапы введения любого описанного выше акустического волнового устройства, или его части, в контакт со средой, подачу электрического сигнала на первый электрод и измерение электрического сигнала, выходящего из акустического волнового устройства. Причем выходящий сигнал отличается от подаваемого сигнала, и это отличие представляет собой измеряемый сенсором параметр. На этот параметр влияет химическая или физическая величина, измеряемая сенсором. Предпочтительно, этап измерения включает измерение параметра соотношения между выводимым сигналом и вводимым сигналом, причем этот параметр выбран из группы, состоящей из частоты, вносимых потерь, фазы, времени задержки, или представляет собой любую их комбинацию. В наиболее предпочтительных реализациях физический параметр, подлежащий измерению, выбран из группы, включающей вязкость, плотность, температуру, давление, химическую концентрацию, или представляет собой их комбинацию.

[0021] В наиболее предпочтительной реализации активные электроды акустического волнового устройства образуют, как описано, первый действующий сенсор. Далее акустическое волновое устройство включает сенсор давления, содержащий выемку, по меньшей мере, в одной из внутренних поверхностей, и более предпочтительно, в обеих внутренних поверхностях. Выемка образует полость между первой и второй внутренними поверхностями. Чувствительный элемент, чувствительный к давлению на участок пластины, в котором имеется выемка, расположен внутри полости. Чувствительный элемент может представлять собой тензодатчик, или, более предпочтительно, по меньшей мере, один преобразователь.

[0022] Наиболее предпочтительная реализация предусматривает выемки одинаковых размеров, расположенные напротив друг друга в обеих внутренних поверхностях, такая комбинация первой и второй выемок образует полость и далее содержит первый входной преобразователь и первый выходной преобразователь, осажденный на первой выемке, и второй входной преобразователь и второй выходной преобразователь, осажденный на второй выемке.

[0023] Способ или способы, описанные выше, предпочтительно далее включают этап сравнения выходного сигнала первого действующего сенсора с выходным сигналом сенсора давления.

Краткое описание чертежей.

[0024] Сущность изобретения, изложенная выше, и последующее подробное описание будут более понятны, принимая во внимание приложенные чертежи, изображающие предпочтительные реализации. При этом следует отметить, что изобретение не ограничивается точной компоновкой, изображенной на чертежах, и что чертежи представлены просто как примеры.

[0025] Фиг.1 изображает вид в поперечном сечении основной реализации изобретения.

[0026] Фиг.2 изображает упрощенно вид в перспективе поперечного сечения наиболее предпочтительной реализации изобретения.

[0027] Фиг.3а изображает предпочтительную реализацию электродов и электрических соединений.

[0028] Фиг.3b изображает другую предпочтительную реализацию электродов и электрических соединений.

[0029] Фиг.4 изображает предпочтительную реализацию в виде сбоку, где показаны электрические соединения.

[0030] Фиг.5 изображает сенсор, соединенный с болтом, представляющим наиболее предпочтительный способ монтажа.

[0031] Фиг.6 изображает реализацию вытравленной мембраны.

[0032] Фиг.7 изображает реализацию комбинированного сенсора давления и вязкости.

[0033] Фиг.8 изображает предпочтительную реализацию комбинированного сенсора, в котором применены дополняющие друг друга чувствительные к давлению и не чувствительные к давлению конструкции.

[0034] Фиг.9 изображает упрощенную схему предпочтительной электронной цепи, соединенной с сенсорным элементом.

[0035] Фиг.10 - упрощенную управляющую цепь для сенсора, действующего как вибратор.

Подробное описание

[0036] Термин композитная подложка означает по меньшей мере две области существенно одинаковых возбуждаемых подложек, которые обычно выполнены из пьезоэлектрического материала, но могут быть также магнитострикционными, электрострикционными, пьезомагнитными, ферроэлектрическими или ферромагнитными материалами, все они будут обобщенно называться возбуждаемыми подложками и эквивалентно как пьезоэлектрические, для ясности. Специалисту в данной области понятно, что упоминания пьезоэлектрического эффекта и пьезоэлектрической подложки или материала универсально применимы и включают другие способы, путем которых электрический сигнал может вызывать акустические или ультразвуковые волны в подложке, и наоборот. В настоящем описании и приложенной формуле изобретения области будут обычно называться «пьезоэлектрическими пластинами». Должно быть понятно, что этот термин относится к различным формам и поперечным сечениям любой возбуждаемой подложки, которые желательны, чтобы придать желаемые характеристики сенсору. Кроме того, следует отметить, что конструкции и решения описанные здесь могут быть применимы к измерению, по меньшей мере, одной первичной характеристики и могут быть применены к множеству характеристик среды, которые относятся ко вторичным характеристикам без какого-либо особенного предпочтения одного параметра по отношению к другому. В порядке примера, первичной характеристикой может быть вязкость, а вторичной характеристикой может быть плотность, как раскрывается, например, в РСТ патентной заявке PCT/US 2004/012546, или скорость относительного сдвига, как изложено в патентной заявке США US 10/958896.

[0037] Настоящее изобретение в своем главном аспекте включает композитную подложку из двух пьезоэлектрических пластин из любого возбуждаемого материала, как описано выше. Эти две пьезоэлектрические пластины имеют, предпочтительно, одинаковые размеры, выполнены из одного материала, имеют одинаковую кристаллическую ориентацию и так далее. Область контакта двух пьезоэлектрических пластин содержит, по меньшей мере, один, а предпочтительно, множество активных электродов. Несколько конструкций электродов описаны ниже в порядке не ограничивающих изобретение примеров. Для соединения двух пьезоэлектрических пластин используется соединительное вещество, которое является также уплотнителем, изолирующим электроды от окружающей среды. Если не требуется наличие полости между пьезоэлектрическими пластинами и если обе пластины испытывают одинаковое давление, усилия, изгибающие пластины, связанные с асимметричным давлением, оказываются эффективно нейтрализованы. Поэтому, тогда как пьезоэлектрический материал может сжиматься, он не будет при этом гнуться и ломаться до такого давления, при котором материал разрушится. Дополнительное преимущество вытекает из того факта, что сенсор имеет вдвое большую рабочую площадь преобразователя, обеспечивая этим более низкую величину сопротивления преобразователя и большую массу пьезоэлектрического материала, и обеспечивает меньшую эквивалентную скорость относительного сдвига при данном уровне акустической мощности. С использованием известного уровня техники эти улучшения потребовали бы удвоения площади электродов и соответствующего увеличения размеров и веса всего модуля сенсора. Каждый из перечисленных выше факторов обеспечивает создание сенсора более высокого качества с минимальными изменениями его объема.

[0038] В основной реализации изобретение включает две пьезоэлектрические пластины 10, 15 одинаковых размеров (то есть области) возбуждаемой подложки, каждая из которых имеет, по меньшей мере, одну плоскую отполированную поверхность. Эти плоские поверхности именуются «внутренними поверхностями» и обращены друг к другу. Между этими плоскими поверхностями расположен активный электрод 5. Две пьезоэлектрические пластины соединены вместе соединительным веществом 70, имеющим совместимые физические свойства и хорошие акустические свойства. Предпочтительно, соединительное вещество представляет собой боросиликатное стекло с низкой температурой плавления, но специалисту в данной области будет очевидна пригодность других материалов, таких как определенные эпоксидные, термопластмассы и полимидные материалы для низких частот, способы соединения плат с помощью силанов и полисилоксанов для более высоких частот и тому подобное. Заземляющие электроды 20 и 25 расположены на наружных поверхностях пластин. Следует отметить, что встречно-штыревые электроды могут использоваться вместо одиночного электрода 5, в этом случае использование заземляющих электродов является необязательным, притом что изобретение и формула изобретения распространяются на такую реализацию, эта реализация не показана, поскольку она является очевидной для специалиста.

[0039] На Фиг.2 представлена более предпочтительная реализация изобретения. Аналогично более простым реализациям, показанным на Фиг.1, две пьезоэлектрические пластины 10 и 15 образуют композитную подложку. Входной преобразователь 30 и выходной преобразователь 40 расположены между двумя пьезоэлектрическими пластинами. В наиболее предпочтительной реализации используется одиночный электрод для каждого преобразователя, как показано на Фиг.3а. Фиг.3b изображает альтернативную реализацию в которой использованы встречноштыревые преобразователи. Если требуется, в дополнение к активным электродам преобразователей 30 и 40, на участке 50 между двумя преобразователями может располагаться промежуточная решетка такая, как неактивный электрод, известный специалистам в данной области техники. Предпочтительно, необязательные к использованию заземляющие электроды 20 и 25 расположены на наружных поверхностях пьезоэлектрических пластин.

[0040] Как видно по схематическим изображениям волн 31 и 32, входной преобразователь 30, симметрично, подобно акустическому зеркалу, передает энергию как верхней, так и нижней пьезоэлектрическим пластинам, которая распространяется к выходному преобразователю 40, как показано схематическими изображениями волн 41 и 42. Предпочтительно, входной и выходной преобразователи размещены в достаточной близости друг от друга, чтобы способствовать акустическим связям 36, 37 между преобразователями. Наиболее предпочтительно, расстояние между преобразователями выбирается так, чтобы создать многополярный резонатор. Конструкция, показанная на Фиг.3а, соответствует так называемому монолитному пьезоэлектрическому сенсору, описанному в патенте США 6033852 того же изобретателя. Конструкция, показанная на 3b, соответствует акустическому волновому устройству на основе встречно-штыревых преобразователей, таких как акустическая пластина с типом колебаний Лава, Ламба, поверхностных акустических волн и подобных.

[0041] В наиболее предпочтительной реализации, показанной на Фиг.3a, электроды в виде простых пластин используются соответственно для входного и выходного преобразователей 30 и 40. Оба электрода выполнены осаждением на пьезоэлектрическую пластину 10. В реализации, показанной на Фиг.3b, преобразователи 30 и 40 содержат периодические электроды, осажденные на внутренней поверхности, по меньшей мере, одной из пьезоэлектрических пластин. Фиг.3b изображает также необязательную решетку 35. На обеих Фигурах 3a и 3b проводники 65 проходят от преобразователей к краю пьезоэлектрической пластины, где они огибают край пьезоэлектрической пластины и образуют площадки контактов 75, как показано на Фиг.4. Фиг.4 представляет вид сбоку края сенсора и показывает две пьезоэлектрические пластины 10 и 15. Контакты 75 электрически соединены с преобразователями и имеют форму, удобную для подключения к сенсору. Только один из необязательных заземляющих электродов 20 показан вместе с соответствующим контактом 80 заземления.

[0042] В наиболее предпочтительной реализации сенсорного элемента используется одиночный металлический электрод для каждого из преобразователей 30 и 40, связанных с замыкающей заземленной поверхностью и образующих резонаторы на плоскопараллельной пластине. Каждый преобразователь задает резонанс сдвигового типа колебаний поперечно толщине плоскопараллельной пластины на частоте, определяемой полной толщиной пьезоэлектрической пластины и представляющей желаемое кратное от длины акустической волны, отнесенной к толщине пьезоэлектрической пластины, поэтому положение активного металлического участка, соответствующее пику электрического потенциала, связано с этим желаемым кратным. Наиболее предпочтительно, чтобы кратное равнялось единице и соответствующие пьезоэлектрические пластины были практически одинаковой толщины. Надлежащий выбор расстояния между преобразователями позволяет энергии, подведенной к резонатору 30, переходить в резонатор, образованный преобразователем 40, и наоборот, как показано пунктирными линиями 36 и 37. Результирующий фильтр из объединенных резонаторов дает много преимуществ перед другими сенсорами, особенно если он выполнен в соответствии с настоящим изобретением. Эти преимущества включают простой металлический рисунок, крайне низкие уровни акустической мощности в области связывающего материала и превосходный контроль скорости относительного сдвига на сенсоре. Поскольку до настоящего времени применимость этих конструкций для измерений в жидкостях была ограничена как воздействием давления, так и избыточным импедансом преобразователя, настоящее изобретение дает особенные преимущества, поскольку компенсирует действие давления и вдвое уменьшает импеданс преобразователя.

[0043] В наиболее предпочтительной реализации предлагается вмонтировать сенсорный элемент в носитель, такой как болт 85, чтобы обеспечить простоту установки сенсора. Фиг.5 изображает упрощенно реализацию такой сборки. Сенсор соединен краем с болтом к или вблизи резьбовой части 90 болта. Электрические контакты выполнены так, чтобы совпадать с контактными площадками 75 и 80. Изолирующее от высокого давления вещество 95 используется, чтобы крепить сенсорный элемент на болте и изолировать контакты от окружающей среды. Изолирующее вещество может быть из любого материала и любой толщины, требуемой, чтобы выдерживать давление окружающей среды. В одной из предпочтительных реализаций в качестве изолятора используется керамический материал. Боросиликатное стекло, эпоксидная смола, силикон, полимид и их эквивалентные замены представляют собой дополнительные примеры, которые, как понятно специалисту в данной области, являются подходящими изоляторами.

[0044] Тогда как электрические контакты сенсора, установленного на болте, могут быть выведены к вспомогательной электронике, установленной отдельно от сенсора, в наиболее предпочтительной реализации электронная схема 100 вспомогательной электроники вставлена в сенсорную сборку, и только стандартизированные и нормализованные данные поступают из этой сборки. В предпочтительной реализации электронная схема размещена внутри болта. В порядке примера, электронная схема может содержать радиочастотную цепь для возбуждения и измерения акустических волн, частотомер, цепь регистрации мощности и/или цепь фазовых измерений для преобразования радиочастотных сигналов в отклик сенсора, аналого-цифровой преобразователь и микропроцессор, имеющий соответствующий цифровой интерфейс для внешней управляющей системы или любую комбинацию из этих других желаемых электронных схем.

[0045] В наиболее предпочтительной реализации сенсорный элемент вставлен в элемент 93 крепления, содержащий керамику низкотемпературного совместного обжига, или сходное гибридное устройство, которое включает электронную схему и соединено с краем сенсора, на котором имеются контактные площадки. Элемент крепления соединен с болтом любым желательным способом, таким как резьбовое соединение, пайка и подобное. В этой реализации изолирующий от высокого давления элемент 95 предпочтительно выполнен как часть элемента 93 крепления.

[0046] Желательно, но не обязательно, чтобы соединительное вещество между двумя пьезоэлектрическими пластинами было существенно тоньше, чем фактическая толщина пьезоэлектрических пластин. Идеальное соединительное вещество должно иметь акустические характеристики высокого качества, плотно прилипать к любому рельефу, чтобы предотвращать образование пустот, быть термически совместимо с материалом пластин, или достаточно пластичным, чтобы допускать тепловое расширение. Поскольку оно находится между пьезоэлектрическими пластинами, оно должно также минимально влиять на передачу энергии между преобразователями и пластинами. Однако специалисту в данной области понятно, что пьезоэлектрические пластины могут быть расположены на любом желаемом расстоянии друг от друга, поскольку пространство между двумя пластинами заполнено соединительным веществом или другим материалом, которое противостоит действию давления и преобразователи расположены в равнозначных максимумах стоячих волн. Таким образом, если нужно, промежуточный слой может быть расположен между пьезоэлектрическими пластинами. Ясно, что в такой реализации потребуются отдельные преобразователи для каждой из пьезоэлектрических пластин.

00473 Предпочтительный способ изготовления устройства включает разделение кристалла на параллельные пластины. Полировку, по меньшей мере, одной поверхности каждой пластины, и более предпочтительно, обеих поверхностей. Если желательно иметь одну или более неплоских поверхностей, желаемая форма достигается травлением или другим способом выполняется в поверхности. Примеры таких поверхностей включают текстурированные поверхности, образующие ловушки для жидкости при измерениях плотности, с цилиндрическими, эллиптическими или круглыми контурами для улучшенного улавливания акустической волны и вытравленные тонкие мембраны. На Фиг.6, изображающей одну из предпочтительных реализаций, показана конструкция вытравленной мембраны, где выемка 105 выполнена с наружной стороны пьезоэлектрической пластины для того, чтобы достичь желаемой высокой рабочей частоты и массовой чувствительности, в то же время с сохранением более толстой и прочной поддерживающей области.

[0048] Когда поверхностям пьезоэлектрической пластины придана желаемая форма и гладкость, на стороны, которые станут наружными поверхностями сенсора, обеих пьезоэлектрических пластин может быть нанесена металлизация. Активные электроды осаждаются на противоположных поверхностях, по крайней мере, половины пластин. Электрические соединения также наносятся на край пьезоэлектрической пластины. Каждая пара пьезоэлектрических пластин соединяется вместе, и сенсорный элемент устанавливается в элемент 93 крепления. Очевидно, что имеются и другие способы. Один такой способ включает осаждение электродов на внутренних сторонах каждой из пьезоэлектрических пластин и их соединение, которое, в зависимости от желания, допускает или нет контакт между двумя электродами.

[0049] Главное преимущество настоящего изобретения состоит в возможности избежать поломки пьезоэлектрической пластины вследствие деформации изгиба из-за разности давлений между наружной и внутренней поверхностями в решениях, известных из уровня техники. Однако важно также понимать, что эта разность давлений может быть использована с выгодой при определенных обстоятельствах. Например, как показано на Фиг.7, полость 110 тщательно выбранных размеров может быть выполнена на отдельном отрезке сенсора между двумя пьезоэлектрическими пластинами. Сенсор деформаций, такой как MEMS, тензометр или предпочтительно встречно-штыревой преобразователь 120 осажден внутри полости и используется для измерений напряжения изгиба, которое прямо связано с измеряемым давлением в среде. Сенсор, таким образом, обеспечивает комбинированные измерения давления в дополнение основному измеряемому параметру.

[0050] Фиг.8 изображает предпочтительную реализацию сенсора комбинированных измерений, в котором одной из измеряемых величин является давление. Он содержит по существу два дополняющих друг друга сенсора, расположенных на разных участках пьезоэлектрических пластин. Первый сенсор 150 выполнен, в основном, так, как описано в любом из предшествующих примеров, и предназначен для измерения любой желаемой величины или величин. Сенсор 150 снабжен выемками 105 на наружных сторонах пьезоэлектрических пластин, как описано выше. Дополнительный, второй сенсор 160, выполнен с аналогичными выемками 106, вытравленными в противоположных (внутренних) поверхностях пьезоэлектрических пластин так, чтобы образовывать полость 110, когда внутренние поверхности пьезоэлектрических пластин обращены друг к другу. Эти два сенсора имеют схожую общую толщину и импеданс в своих соответствующих активных областях. В обоих сенсорах могут быть использованы любые желаемые виды преобразователей. В предпочтительной реализации используется преобразователь на одиночном электроде в каждом из входных преобразователей 30 и 130 и выходных преобразователей 40 и 140. Предпочтительно, каждая из пьезоэлектрических пластин 10 и 15 имеет одинаковую конструкцию преобразователей так, что если два преобразователя используются для первого сенсора 150, то два преобразователя 130 и 140, один на каждой из пьезоэлектрических пластин соответственно, используются во втором сенсоре 160. Поскольку первый и второй сенсоры 150 и 160 имеют одинаковые импеданс, массу, частоту и чувствительность, они хорошо совпадают друг с другом по показаниям в отсутствие давления. Поскольку первый сенсор сконструирован так, что имеет очень низкую чувствительность к давлению, а второй сенсор, сконструированный с использованием внутренней полости 110, как известно, обладает чувствительностью к давлению, комбинация первого и второго сенсоров образует дифференциальную пару, обеспечивающую точное измерение воздействия давления с использованием только одной пьезоэлектрической конструкции. Кроме того, измеренное давление может быть использовано для коррекции любого остаточного действия давления на нечувствительный к давлению первый сенсор, что обеспечивает еще более точное измерение величин(ы), измеряемых(ой) первым участком сенсора.

[0051] Далее, один или более слоев покрытия, называемые совместно покрытием, могут быть нанесены на наружные поверхности сенсора или их части. Такое покрытие 55 и 60 может обеспечивать желаемые характеристики, такие как предотвращение налипания измеряемой субстанции, стойкость к абразивам, обеспечивать химическую стойкость и тому подобное. В предпочтительной реализации такое покрытие создается путем осаждения алмазоподобного углерода, нитрида бора, кремний-алюминий оксинитрид или аналогичных материалов на датчике. В наиболее предпочтительной реализации на заземленную поверхность из жаростойкого металла осажден слой фторированного алмазоподобного углерода.

[0052] Датчик может также быть выполнен пригодным косвенно или непосредственно для обнаружения определенных веществ путем осаждения на него чувствительной к веществу пленки, предпочтительно, в качестве самого крайнего слоя покрытий 55, 60 на подложке. Пленка, чувствительная к веществу, может быть полимерной, биохимической, окисью металла, или металлической пленкой, или из другого материала, химическая структура которой обеспечивает захват определенных молекул или групп молекул. Когда такие молекулы захвачены, изменение физических свойств пленки (массы, плотности, вязкости или проводимости) вызывает изменение характеристик распространения сигнала, которые могут быть измерены, чтобы определить присутствие таких молекул. С этими структурами сенсор может быть просто применимым для обнаружения даже малых количеств биохимических веществ при использовании энзимов, антител, антигенов или молекул нуклеиновой кислоты в качестве покрытия. Использование электрохимических методов на металлических пленках также рассматривается здесь для обнаружения следов растворенных металлов. Такой сенсор содержит наружный проводник, на который подается любой электрический потенциал и который используется как рабочий электрод электрохимического элемента. Специалисту в данной области известны и многочисленные другие химически селективные покрытия, которые могут быть применены, и химически селективные сенсоры, которые могут получаться из таких комбинаций.

[0053] Выбор пьезоэлектрических материалов, ориентации, конфигураций устройств и соответствующих преобразователей для достижения различных физических параметров, таких как энергетические уровни, наилучшим образом соответствующие требуемой измеряемой величине, достижение оптимальных характеристик сенсора и тому подобное находятся в пределах способностей специалиста в данной области техники в свете различных аспектов, раскрытых в настоящем изобретении, и являются предметом технического выбора. Аналогично, подходящая вспомогательная электронная схема и используемая аппаратура являются предметом технического выбора, направленного на обеспечение наилучших конечных результатов, и могут значительно меняться в соответствии с различными реализациями, но являются понятными для специалиста.

[0054] Фиг.9 изображает упрощенную схему предпочтительной реализации электронных цепей, соединенных с сенсорным элементом. В предпочтительной реализации используется конструкция с двумя преобразователями, которая обеспечивает раздельные входной и выходной сигналы. Источник сигнала 900 соединен с входным преобразователем 30, а детектор 910 сигнала подключен к выходному преобразователю 40. Конвертеры 920 и 930 данных преобразуют сигналы выходного и входного преобразователей соответственно в сигнал, который может быть воспринят центральным процессором 940. В центральном процессоре сигналы сравниваются и их соотношение интерпретируется как измеряемая сенсором величина. Центральный процессор предает результаты измерения через цифровую шину 950.

[0055] В случае акустического волнового устройства с одним преобразователем выходной сигнал представляет собой отраженную часть входного сигнала. Может осуществляться их непосредственное сравнение с использованием анализатора сопротивления, отделенного с помощью направленного соединителя, или косвенное наблюдение с использованием акустического волнового устройства для управления основанным на сопротивлении генератором колебаний Колпитса, Пьерса или аналогичной конфигурации. Способы измерений понятны специалисту в данной области. В наиболее предпочтительной реализации электронной схемы в сенсорной сборке сенсорный элемент используется как последовательный элемент обратной связи в петле генератора колебаний, как показано на Фиг.10. Генератор колебаний содержит сенсор как естественный кристалл и усилитель 970, включенный между входным и выходным преобразователями. Генератор колебаний служит для того, чтобы измерять выходной сигнал, подавать усиленный выходной сигнал как входной сигнал и непрерывно отслеживать заданные фазовое и амплитудное соотношение между сигналами. Такой генератор колебаний самопроизвольно генерирует сигнал на частоте, для которой в петле обратной связи создается фазовый сдвиг, кратный 360°. Амплитуда сигнала устанавливается на уровне, при котором потери в сенсоре и усиление, обеспечиваемое усилителем, сбалансированы. Измеряемая величина определяется путем наблюдения за величиной потерь в сенсоре и/или за частотой сигнала в точке самопроизвольной генерации.

[0056] Настоящее изобретение не следует рассматривать как ограниченное описанием, приведенным выше только в качестве примера. Тогда как здесь было изложено, что именно рассматривается как предпочтительные реализации изобретения, специалисту в данной области техники понятно, что различные другие реализации, изменения и модификации могут быть осуществлены без отступления от существа или выхода за пределы объема данного изобретения и что поэтому оно предназначено охватывать все такие изменения и модификации, которые находятся в пределах существа и объема данного изобретения, к которому применим патент.

Изобретение относится к электроакустическим сенсорам, способным работать в среде с высоким давлением. Сущность: композитное акустическое волновое устройство содержит первую и вторую пьезоэлектрические пластины, каждая из которых имеет внутреннюю и наружную поверхности. Пластины ориентированы внутренними поверхностями друг к другу. По меньшей мере на одной из указанных наружных поверхностей расположен отражающий электрод. Акустическое волновое устройство образует резонатор на плоскопараллельной пластине со сдвиговым типом колебаний поперечно толщине плоскопараллельной пластины, Наружные поверхности пьезоэлектрических пластин заземлены. Между пьезоэлектрическими пластинами может быть выполнена полость, обеспечивающая возможность измерения давления и компенсации остаточного влияния давления на точность измерений. Технический результат: снижение чувствительности к колебаниям давления, возможность работы при высоком давлении окружающей среды. 3 и 20 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Композитное акустическое волновое устройство, содержащее:
первую и вторую пьезоэлектрические пластины, каждая из которых имеет внутреннюю и наружную поверхности, причем пластины ориентированы внутренними поверхностями друг к другу;
по меньшей мере, первый электрод, расположенный между соответствующими внутренними поверхностями первой и второй пьезоэлектрических пластин, и, по меньшей мере, один отражающий электрод;
причем акустическое волновое устройство образует резонатор на плоскопараллельной пластине со сдвиговым типом колебаний поперечно толщине плоскопараллельной пластины, при этом наружные поверхности пьезоэлектрических пластин заземлены.

2. Устройство по п.1, в котором отражающий электрод расположен, по меньшей мере, на одной из указанных наружных поверхностей.

3. Устройство по п.1, содержащее второй электрод, расположенный между указанными первой и второй пластинами.

4. Устройство по п.3, в котором второй электрод является отражающим электродом.

5. Устройство по п.3, в котором отражающий электрод расположен, по меньшей мере, на одной из указанных наружных поверхностей, а первый электрод и второй электрод, каждый соответственно, образуют с отражающим электродом резонатор на плоскопараллельной пластине, причем первый и второй электроды размещены друг от друга достаточно близко, чтобы делать возможным передачу звуковой энергии между первым и вторым резонатором.

6. Устройство по п.5, содержащее второй отражающий электрод, расположенный противоположно первому на другой наружной поверхности.

7. Устройство по п.1, содержащее покрытие, нанесенное, по меньшей мере, на часть, по меньшей мере, одной из указанных наружных поверхностей.

8. Устройство по п.7, в котором покрытие является чувствительным к измеряемой величине.

9. Устройство по п.1, в котором первая и вторая пьезоэлектрические пластины имеют одинаковую кристаллическую ориентацию.

10. Устройство по п.1, в котором, по меньшей мере, одна из указанных пластин имеет выемку на наружной поверхности.

11. Устройство по п.1, далее содержащее выемку, по меньшей мере, в одной из указанных внутренних поверхностей, эта выемка образует полость между первой и второй пластинами.

12. Сенсор, содержащий:
композитное акустическое волновое устройство, содержащее первую и вторую пьезоэлектрические пластины, каждая из которых имеет внутреннюю и наружную поверхности, причем пластины ориентированы внутренними поверхностями друг к другу, по меньшей мере, первый электрод, расположенный между соответствующими внутренними поверхностями первой и второй пьезоэлектрических пластин, и, по меньшей мере, один отражающий электрод, причем акустическое волновое устройство образует резонатор на плоскопараллельной пластине со сдвиговым типом колебаний поперечно толщине плоскопараллельной пластины, при этом наружные поверхности пьезоэлектрических пластин заземлены;
цепь, создающую путь электрической энергии между, по меньшей мере, первым электродом и отражающим электродом.

13. Сенсор по п.12, в котором акустическое волновое устройство содержит второй электрод, расположенный между указанными первой и второй пластинами.

14. Сенсор по п.13, в котором отражающий электрод расположен, по меньшей мере, на одной из указанных наружных поверхностей, а первый электрод и второй электрод, каждый соответственно, образуют с отражающим электродом резонатор на плоскопараллельной пластине, причем первый и второй электроды размещены друг от друга достаточно близко, чтобы делать возможной передачу звуковой энергии между первым и вторым резонатором.

15. Сенсор по п.12, содержащий измерительную цепь для измерения, по меньшей мере, одного параметра электрической энергии.

16. Сенсор по п.15, содержащий монтажный болт.

17. Сенсор по п.16, в котором указанная цепь или ее часть вставлена в указанный болт.

18. Способ измерения, по меньшей мере, одного физического параметра среды под высоким давлением, в котором используется композитное акустическое волновое устройство, содержащее первую и вторую пьезоэлектрические пластины, каждая из которых имеет внутреннюю и наружную поверхности, причем пластины ориентированы внутренними поверхностями друг к другу, по меньшей мере, первый электрод, расположенный между соответствующими внутренними поверхностями первой и второй пьезоэлектрических пластин, и, по меньшей мере, один отражающий электрод, причем акустическое волновое устройство образует резонатор на плоскопараллельной пластине со сдвиговым типом колебаний поперечно толщине плоскопараллельной пластины, при этом наружные поверхности пьезоэлектрических пластин заземлены;
способ включает этапы:
введение указанного акустического волнового устройства, или его части, в контакт с указанной средой;
подачу электрического сигнала на первый электрод;
измерение электрического сигнала, выходящего из акустического волнового устройства;
причем выходящий сигнал отличается от подаваемого сигнала, и это отличие представляет собой измеряемый сенсором параметр, который чувствителен к химической или физической величине, измеряемой сенсором.

19. Способ по п.18, в котором акустическое волновое устройство содержит второй электрод, расположенный между указанными первой и второй пластинами.

20. Способ по п.19, в котором отражающий электрод расположен, по меньшей мере, на одной из указанных наружных поверхностей, а первый электрод и второй электрод, каждый соответственно, образуют с отражающим электродом резонатор на плоскопараллельной пластине, причем первый и второй электроды размещены друг от друга достаточно близко, чтобы делать возможной передачу звуковой энергии между первым и вторым резонатором.

21. Способ по п.18, в котором этап измерения включает измерение параметра соотношения между выводимым сигналом и вводимым сигналом, этот параметр выбран из группы, состоящей из частоты, вносимых потерь, фазы, времени задержки, или представляет собой их комбинацию.

22. Способ по п.18, в котором физический параметр выбран из группы, включающей вязкость, плотность, температуру, давление, химическую концентрацию, или представляет собой их комбинацию.

23. Способ по п.18, в котором активные электроды акустического волнового устройства образуют первый действующий сенсор, далее включает сенсор давления, содержащий выемку, по меньшей мере, в одной из внутренних поверхностей, образующую полость между первой и второй внутренними поверхностями, и элемент, чувствительный к давлению на участок пластины, в котором имеется выемка, этот чувствительный элемент расположен внутри указанной полости.