ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН НА МАГНИТОСТАТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ Российский патент 2013 года по МПК G01L9/00 G01B7/16 G01K11/00 

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в приборостроении и машиностроении для измерения физических величин (температуры, давления, деформации).

Известен чувствительный элемент для измерения физических величин, представляющий собой линию задержки на поверхностных акустических волнах (ПАВ) (Wireless passive SAW identification marks and sensors. L. Reindl, 2-nd Int. Symp.Acoustic wave devices for future mobile communicstion systems, Chiba univ., 2004), состоящий из двух встречно-штыревых преобразователей (ВШП), расположенных на пьезоплате напротив друг друга. В качестве информационного сигнала используется время задержки. Недостатком этого чувствительного элемента для измерения физических величин является большая величина вносимых потерь на частотах свыше 2 ГГц.

Известен также чувствительный элемент для измерения физических величин, представляющий собой одновходовый резонатор на ПАВ (Зеленка И. Пьезоэлектрические резонаторы на объемных и поверхностных акустических волнах. - М.: Мир, 1990, 584 с.), состоящий из структуры ВШП и металлизированных штыревых отражающих структур, расположенных по обе стороны от ВШП. В качестве информационного сигнала используется собственная (резонансная) частота резонатора. Недостатком этого чувствительного элемента для измерения физических величин является большая величина вносимых потерь на частотах свыше 2 ГГц.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является устройство на поверхностной магнитостатической волне (МСВ), содержащее установленную в магнитном поле металлизированную подложку из гадолиний-галлиевого граната, на которой расположена монокристаллическая пленка иттрий-железного граната с частичным замещением ионов железа немагнитными ионами, установленные параллельно вектору магнитного поля входной и выходной преобразователи волны сверхвысокой частоты в магнитостатическую и обратно, выбранный в качестве прототипа (Патент SU 1738049, 27.11.1995 г. Устройство на поверхностной магнитостатической волне). Недостатком этого устройства-прототипа является слабая чувствительность к внешним воздействиям.

Задачей настоящего изобретения является создание чувствительного элемента для измерения физических величин, обеспечивающего увеличение чувствительности, уменьшение вносимых потерь и увеличение диапазона рабочих частот свыше 3 ГГц.

Сущность изобретения заключается в том, что чувствительный элемент для измерения физических величин, состоящий из слоя подложки, выполненной на основе гадолиний-галлиевого граната, эпитаксиально выращенного на нем слоя материала, в котором распространяются магнитостатические волны, например, железоиттриевого граната, и преобразователя электрических сигналов в магнитостатическую волну, расположенного в слое материала, в котором распространяются магнитостатические волны, снабжен постоянным магнитом, расположенным под слоем подложки, при этом между постоянным магнитом и слоем подложки образован зазор, а также с двух сторон от преобразователя электрических сигналов в магнитостатическую волну сформированы отражающие структуры таким образом, что огибающая импульсной характеристики преобразователя электрических сигналов в магнитостатическую волну и отражающих структур с одной стороны от преобразователя электрических сигналов имеет максимумы в моменты времени, соответствующие минимумам огибающей импульсной характеристики преобразователя электрических сигналов в магнитостатическую волну и отражающих структур с другой стороны от преобразователя электрических сигналов.

Технический результат достигается за счет того, что топология устройства обеспечивает специальную форму огибающей импульсной характеристики, а именно огибающая импульсной характеристики преобразователя электрических сигналов в магнитостатическую волну и отражающих структур с одной стороны от преобразователя электрических сигналов имеет максимумы в моменты времени, соответствующие минимумам огибающей импульсной характеристики преобразователя электрических сигналов в магнитостатическую волну и отражающих структур с другой стороны от преобразователя электрических сигналов, что приводит к повышению чувствительности устройства, кроме того расположение отражающих структур с двух сторон от преобразователя электрических сигналов в МСВ позволяет использовать в два раза больше энергии по сравнению с односторонним расположением отражающих структур, а потери на распространение МСВ на частотах выше 3 ГГц значительно меньше, чем для ПАВ, что позволяет создавать устройства, работающие на частотах от 3 до 6 ГГц.

Сущность изобретения поясняется чертежом, где приведено схематическое изображение структуры чувствительного элемента для измерения физических величин на магнитостатических волнах.

Конструкция устройства заключается в следующем. Преобразователь электрических сигналов в МСВ 1 и отражающие структуры 2 сформированы на ферритовом материале 3, например на пленке железоиттриевого граната, эпитаксиально выращенной на подложке из гадолиний-галлиевого граната 4. Для формирования постоянного внешнего магнитного поля используется постоянный магнит 5, расположенный под слоем подложки.

Преобразователь электрических сигналов в МСВ 1 расположен так, что с двух сторон от преобразователя электрических сигналов в МСВ 1 расположены отражающие структуры 2 таким образом, что огибающая импульсной характеристики преобразователя электрических сигналов в МСВ 1 и отражающих структур 2 с одной стороны от преобразователя электрических сигналов в МСВ 1 имеет максимумы в моменты времени, соответствующие минимумам огибающей импульсной характеристики преобразователя электрических сигналов в МСВ 1 и отражающих структур 2 с другой стороны от преобразователя электрических сигналов в МСВ 1.

При этом между постоянным магнитом 5 и слоем подложки 4 образован зазор.

Формирование преобразователя электрических сигналов в МСВ 1 и отражающих структур 2 в виде штырей может быть реализовано по технологии фотолитографии и травления. Формирование отражающих структур 2 в виде канавок может быть реализовано по технологии травления через маску [2].

Сигнал на выходе чувствительного элемента будет определяться сверткой запросного сигнала - радиоимпульса с импульсной характеристикой чувствительного элемента. Для задач измерения физических величин предлагаемым чувствительным элементом для измерения физических величин на МСВ существенным является не форма сигнала на выходе, а его максимальный уровень. В отсутствие внешнего воздействия - физической величины (давления, температуры, деформации) при использовании топологии, показанной на фиг.1, этот уровень будет существенно отличаться (более чем в 2 раза) от уровня сигнала при наличии внешнего воздействия.

Установлено, что наличие внешнего воздействия определенного вида, например, создающего квадратичную зависимость скорости МСВ от линейной координаты, приводит к тому, что скорость распространения МСВ в подложке становится функцией пространственной координаты. С определенной степенью точности можно считать, что максимальная девиация скорости распространения МСВ будет составлять порядка 0,001 от скорости в невозмущенном состоянии. Это приводит к тому, что МСВ будет проходить разные участки подложки за разное время, что эквивалентно появлению фазовой модуляции импульсной характеристики чувствительного элемента. Также изменяется дополнительно введенный временной сдвиг между сигналами от отражающих структур 2 по разные стороны от преобразователя электрических сигналов в МСВ 1. Все эти факторы приводят к нарушению фазовых соотношений, обеспечивавших точное сложение сигналов от отражающих структур 2 по разные стороны от преобразователя электрических сигналов в МСВ 1.

Если изменять, например, величину девиации скорости (внешнее воздействие, физическую величину) от нуля до величины 0,001 от скорости в невозмущенном состоянии, то уровень сигнала на выходе чувствительного элемента будет монотонно изменяться от минимального до максимального значения, которые определяются параметрами отражающих структур.

Таким образом, предложенная структура чувствительного элемента для измерения физических величин на МСВ является чувствительной к воздействию физических величин и потому может служить основой для построения измерительных преобразователей и датчиков.

Чувствительный элемент для измерения физических величин на магнитостатических волнах работает следующим образом.

При отсутствии внешних воздействий (изменения физической величины) на ферритовый материал 3, например, на пленку железоиттриевого граната 3, эпитаксиально выращенную на подложке из гадолиний-галлиевого граната 4, импульсная характеристика устройства может обладать различными свойствами. Например, может быть такова, что при подаче на вход чувствительного элемента зондирующего сигнала мы получим на выходе чувствительного элемента минимальный по уровню сигнал. Это достигается тем, что сигналы от отражающих структур 2 по разные стороны от преобразователя электрических сигналов в МСВ 1 складываются в противофазе.

При этом отражающие структуры сформированы таким образом, что огибающая импульсной характеристики преобразователя электрических сигналов в магнитостатическую волну и отражающих структур с одной стороны от преобразователя электрических сигналов в магнитостатическую волну имеет максимумы в моменты времени, соответствующие минимумам огибающей импульсной характеристики преобразователя электрических сигналов в магнитостатическую волну и отражающих структур с другой стороны от преобразователя электрических сигналов в магнитостатическую волну. При этом между постоянным магнитом 5 и слоем подложки 4 образован зазор.

При возникновении внешних воздействий (изменения физической величины), например под действием давления или деформации ферритового материала 3, изменяется геометрический размер преобразователя электрических сигналов в МСВ 1, отражающих структур 2, в том числе расстояния между электродами и канавками, ширина и период следования канавок и электродов. В соответствии с изменением геометрических размеров изменяется во времени частота сигнала, формируемого приведенной топологией. Это приводит к нарушению фазовых соотношений, необходимых, например, для сложения в противофазе сигналов от отражающих структур 2 по разные стороны от преобразователя электрических сигналов в МСВ 1. Эти факторы приводят к изменению уровня сигнала на выходе чувствительного элемента, причем в пределах определенного диапазона, монотонному увеличению внешних воздействий соответствует монотонное изменение уровня сигнала.

В качестве зондирующего сигнала используется прямоугольный радиоимпульс, модулированный по фазе и частоте. При поступлении зондирующего сигнала от внешнего источника (не показан) на преобразователь электрических сигналов в МСВ 1, под действием электромагнитного поля формируется поверхностная магнитостатическая волна. Сформированная преобразователем электрических сигналов в МСВ 1 поверхностная магнитостатическая волна распространяется в двух направлениях от преобразователя электрических сигналов в МСВ 1. Дойдя до отражающих структур 2, поверхностная магнитостатическая волна отражается и возвращается на преобразователь электрических сигналов в МСВ 1. Расположение отражающих структур 2 с двух сторон от преобразователя электрических сигналов в МСВ 1 позволяет использовать в два раза больше энергии по сравнению с односторонним расположением отражающих структур 2, т.е. в два раза увеличить амплитуду отклика чувствительного элемента для измерения физических величин.

Преобразователь электрических сигналов в МСВ 1 одновременно является и преобразователем МСВ в электрический сигнал.

При возникновении внешних воздействий (изменения физической величины) уровень сигнала на выходе чувствительного элемента будет изменяться, при этом максимально возможное отношение уровня сигнала при внешних воздействиях к уровню сигнала в отсутствие внешних воздействий однозначно определяется параметрами отражающих структур 2.

На частотах выше 3 ГГц потери на преобразование и распространение динамической неоднородности типа МСВ значительно меньше, чем при использовании поверхностных акустических волн, поэтому в предлагаемом чувствительном элементе для измерения физических величин может быть достигнуто уменьшение вносимых потерь и увеличение диапазона рабочих частот свыше 3 ГГц.

Уровень сигнала на выходе чувствительного элемента измеряется, например, по амплитудно-частотной характеристике (например, с использованием сетевого анализатора Agilent E5070B). На основе градуировочной зависимости (форма, уровень - внешнее воздействие, физическая величина) изменению уровня сигнала на выходе можно соотнести величину внешнего воздействия, физической величины.

Таким образом, предложенный чувствительный элемент для измерения физических величин является устройством для измерения физических величин (температуры, деформации, давления, ускорения и т.д.) с малыми вносимыми потерями на частотах свыше 3 ГГц.

Источники информации

1. Wireless passive SAW identification marks and sensors. L. Reindl, 2-nd Int. Symp. Acoustic wave devices for future mobile communicstion systems, Chiba univ., 2004.

2. Зеленка И. Пьезоэлектрические резонаторы на объемных и поверхностных акустических волнах. - М.: Мир, 1990, 584 с.

3. Патент SU 1738049 от 27.11.1995 г. Устройство на поверхностной магнитостатической волне - прототип.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в приборостроении и машиностроении для измерения физических величин (температуры, давления, деформации). Технический результат: увеличение чувствительности, уменьшение вносимых потерь и увеличение диапазона рабочих частот свыше 3 ГГц. Сущность: чувствительный элемент состоит из слоя подложки 4, выполненной на основе гадолиний-галлиевого граната, эпитаксиально выращенного на нем слоя материала 3, в котором распространяются магнитостатические волны, например железоиттриевого граната, преобразователя 1 электрических сигналов в магнитостатическую волну, постоянного магнита 5, расположенного под слоем подложки 4. Между постоянным магнитом 5 и слоем подложки 4 образован зазор. С двух сторон от преобразователя 1 сформированы отражающие структуры 2 таким образом, что огибающая импульсной характеристики преобразователя 1 и отражающих структур 2 с одной стороны от преобразователя 1 имеет максимумы в моменты времени, соответствующие минимумам огибающей импульсной характеристики преобразователя 1 и отражающих структур 2 с другой стороны от преобразователя электрических сигналов. 1 ил.

Чувствительный элемент для измерения физических величин, состоящий из слоя подложки, выполненной на основе гадолиний-галлиевого граната, эпитаксиально выращенного на нем слоя материала, в котором распространяются магнитостатические волны, например, железоиттриевого граната, и преобразователя электрических сигналов в магнитостатическую волну, расположенного в слое материала, в котором распространяются магнитостатические волны, отличающийся тем, что снабжен постоянным магнитом, расположенным под слоем подложки, при этом между постоянным магнитом и слоем подложки образован зазор, а также с двух сторон от преобразователя электрических сигналов в магнитостатическую волну сформированы отражающие структуры таким образом, что огибающая импульсной характеристики преобразователя электрических сигналов в магнитостатическую волну и отражающих структур с одной стороны от преобразователя электрических сигналов имеет максимумы в моменты времени, соответствующие минимумам огибающей импульсной характеристики преобразователя электрических сигналов в магнитостатическую волну и отражающих структур с другой стороны от преобразователя электрических сигналов.