ЧУВСТВИТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ АКСЕЛЕРОМЕТРА НА ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ Российский патент 2015 года по МПК G01P15/00 

Предлагаемый чувствительный элемент акселерометра на поверхностных акустических волнах (ПАВ) относится к области измерительной техники и может быть использован в приборостроении и машиностроении для измерения ускорения подвижных объектов.

Известны чувствительные элементы акселерометра на ПАВ (авт. свид. СССР №№1270709, 1781619; патенты РФ №№2018131, 2105993, 2107273, 2320968, 2348936, 2421736; патенты США №№4598587, 4620191, 4725841, 4734698; патент Великобритании №2117115; патент Франции №2537726; патент Японии №59057166; Морган Д. Устройства обработки сигналов на поверхностных акустических волнах. Пер. с англ. М.: Радио и связь, 1990; Козлов А.С. и др. Устройства на поверхностных акустических волнах в радиосистемах контроля. - Радиотехника, 1990, №4, с.26 и другие).

Из известных чувствительных элементов акселерометра на поверхностных акустических волнах наиболее близким к предлагаемому является «Отражаемый по радио пассивный датчик на поверхностных акустических волнах» (патент РФ №2105993, G01S 13/75, 1992), который и выбран в качестве прототипа.

Недостатком прототипа является низкая чувствительность при его работе на изгиб.

Известно, что чувствительность пьезоэлемента с нанесенной на него ПАВ-структурой на порядок выше при его работе на растяжение-сжатие, чем при работе на изгиб. Это обусловлено тем, что при изгибе пьезоэлемента скорость прохождения ПАВ меняется и становится неравномерной, и, как следствие, образуются временные разбросы при прохождении ПАВ между электродами пьезоэлемента, что приводит к увеличению погрешности измерений.

Технической задачей изобретения является снижение погрешности измерений, повышение точности и чувствительности акселерометра на поверхностных акустических волнах.

Поставленная задача решается тем, что чувствительный элемент акселерометра на поверхностных акустических волнах, содержащий, в соответствии с ближайшим аналогом, встречно-штыревой преобразователь, связанный с приемопередающей антенной, и две решетки отражателей, выполненных зеркально-симметричными относительно встречно-штыревого преобразователя и образующих структуру резонатора на поверхностных акустических волнах, отличается от ближайшего аналога тем, что он снабжен единой конструкцией, выполненной из монокристаллического кремния, и состоящей из рамки, консоли треугольной формы, основание которой неподвижно прикреплено к рамке с ее внутренней стороны, инерционной массы, находящейся на одной стороне консоли, и пьезоэлектрической пленки, нанесенной на второй стороне консоли, причем встречно-штыревой преобразователь и решетки отражателей нанесены на поверхность пьезоэлектрической пленки, приемопередающая антенна размещена по периметру рамки.

Структурная схема чувствительного элемента акселерометра на поверхностных акустических волнах представлена на чертеже, где введены следующие обозначения: 1 - рамка; 2 - консоль треугольной формы, основание которой неподвижно прикреплено к рамке 1 с ее внутренней стороны; 3 - инерционная масса, находящаяся на одной стороне консоли 2; 4 - пьезоэлектрическая пленка, нанесенная на второй стороне консоли 2; 5 - встречно-штыревой преобразователь; 6 - решетки отражателей; 7 - приемопередающая антенна, размещенная по периметру рамки 1.

Рамка 1, консоль 2 и инерционная масса 3 представляют собой единую конструкцию, выполненную из монокристаллического кремния. Встречно-штыревой преобразователь 5 и решетки отражателей 6 нанесены на поверхность пьезоэлектрической пленки 4 и образуют структуру резонатора на поверхностных акустических волнах. Решетки отражателей 6 размещены зеркально-симметричными относительно встречно-штыревого преобразователя 5.

Введение в чувствительный элемент резонатора на ПАВ на пьезоэлектрической пленке и непьезоэлектрической подложке позволяет создать пассивное устройство повышенной точности, опрашиваемое по радиоканалу.

Принцип работы предлагаемого чувствительного элемента основан на изменении резонансной частоты резонатора на поверхностных акустических волнах за счет изгиба резонатора, происходящего при воздействии ускорения вдоль оси чувствительности.

При отсутствии ускорения консоль 2, прикрепленная к внутренней стороне рамки 1 с одной стороны и к инерциальной массе 3 с другой стороны, не изгибается. Резонатор, образованный пьезоэлектрическим преобразователем 5 и решетками отражателей 6, работает на номинальной частоте.

При воздействии ускорения на инерциальную массу 3 консоль 2 изгибается в ту или иную сторону, и резонансная частота резонатора изменяется. Резонансная частота резонатора связана однозначной зависимостью с величиной ускорения. Опрос чувствительного элемента осуществляется с помощью стороннего считывающего устройства путем передачи зондирующего радиоимпульса и приема отклика. Зондирующий сигнал принимается плоской антенной 7, преобразуется с помощью встречно-штыревого преобразователя 5 за счет явления обратного пьезоэффекта в упругую поверхностную акустическую волну. Решетки отражателей 6 образуют резонансную полость. При изгибе треугольной упругой кремниевой консоли 2 под воздействием внешнего ускорения происходит изменение резонансной частоты резонатора, пропорциональное воздействующему ускорению вдоль оси чувствительности.

Изменение резонансной частоты резонатора измеряется в считывающем устройстве с помощью анализатора спектра или частотомера. При этом ускорение определяется, например, по градуировочной характеристике акселерометра.

Таким образом, предлагаемый чувствительный элемент акселерометра на поверхностных акустических волнах обеспечивает снижение погрешности измерений, повышение точности и чувствительности устройства.

Это достигается за счет конструктивного решения - использования слоистой структуры: пьезоэлектрической пленки на кремниевой подложке, что позволяет одновременно повышать рабочую частоту резонатора на поверхностных акустических волнах и прочностные характеристики консоли.

Одновременно обеспечивается микроминиатюризация и пассивность (отсутствие дополнительных источников питания).

Введение в чувствительный элемент резонатора на ПАВ на пьезоэлектрической пленке и непьезоэлектрической подложке позволяет создать пассивное устройство повышенной точности и чувствительности, опрашиваемое дистанционно по радиоканалу.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использован в приборостроении и машиностроении для измерения ускорения подвижных объектов. Чувствительный элемент акселерометра на поверхностных акустических волнах содержит встречно-штыревой преобразователь, связанный с приемопередающей антенной, и две решетки отражателей, выполненных зеркально-симметричными относительно встречно-штыревого преобразователя и образующих структуру резонатора на поверхностных акустических волнах, при этом он снабжен единой конструкцией, выполненной из монокристаллического кремния, и состоящей из рамки, консоли треугольной формы, основание которой неподвижно прикреплено к рамке с ее внутренней стороны, инерционной массы, находящейся на одной стороне консоли, и пьезоэлектрической пленки, нанесенной на второй стороне консоли, причем встречно-штыревой преобразователь и решетки отражателей нанесены на поверхность пьезоэлектрической пленки, приемопередающая антенна размещена по периметру рамки. Технический результат - снижение погрешности измерений, повышение точности и чувствительности акселерометра на поверхностных акустических волнах. 1 ил.

Чувствительный элемент акселерометра на поверхностных акустических волнах, содержащий встречно-штыревой преобразователь, связанный с приемопередающей антенной, и две решетки отражателей, выполненных зеркально-симметричными относительно встречно-штыревого преобразователя и образующих структуру резонатора на поверхностных акустических волнах, отличающийся тем, что он снабжен единой конструкцией, выполненной из монокристаллического кремния, и состоящей из рамки, консоли треугольной формы, основание которой неподвижно прикреплено к рамке с ее внутренней стороны, инерционной массы, находящейся на одной стороне консоли, и пьезоэлектрической пленки, нанесенной на второй стороне консоли, причем встречно-штыревой преобразователь и решетки отражателей нанесены на поверхность пьезоэлектрической пленки, приемопередающая антенна размещена по периметру рамки.