Пассивный беспроводной датчик ультрафиолетового излучения на поверхностных акустических волнах Российский патент 2019 года по МПК G01J1/10 

Изобретение относится к полупроводниковым приборам для измерения интенсивности ультрафиолетового излучения, действующим по принципу сравнения с эталонной электрической величиной, с использованием пьезоэлектрических преобразователей на поверхностных акустических волнах.

Датчики для измерения интенсивности ультрафиолетового излучения широко используются в бактерицидных лампах для обеззараживания воздуха, в устройствах для очистки воды, измерителях уровня ультрафиолетового излучения в обитаемых космических аппаратах и оптических устройствах связи.

Известен датчик ультрафиолетового излучения на основе полупроводниковых пленок (RU 2392693, МПК H01L 31/101, опубл. 20.06.2010) [1], который содержит кремниевую подложку, на одну из поверхностей которой нанесен титановый электрод, на поверхность которого нанесена пленка нитрида алюминия, на поверхность которой нанесен полупрозрачный электрод из платины. При попадании ультрафиолетового излучения (УФИ) на пленку нитрида алюминия через полупрозрачный электрод на электродах датчика появляется фотоэдс, или он может работать в режиме обратно включенного фотодиода, сопротивление которого зависит от мощности источника УФ. Такой способ индикации УФИ требует дополнительного источника напряжения, даже если он работает в режиме фотоэдс, так как необходимо преобразовать сигнал для передачи его по радиоканалу или необходимо подключать провода к датчику для снятия с него показаний, что является недостатком данного датчика. Тот же недостаток имеет датчик (US 9064987, МПК H01L 31/0232, опубл. 23.06.2015) [2], в котором в качестве чувствительного слоя используется пленка окиси цинка. Кроме того, наличие полупрозрачного электрода приводит к некоторому ослаблению УФИ, что снижает чувствительность датчика. Совсем избавиться от полупрозрачного электрода, а также непосредственно влиять на центральную частоту генератора передатчика для связи по радиоканалу предложено в работах (Wenbo Peng, Yongning Неа, Changbao Wen, Ke Ma "Surface acoustic wave ultraviolet detector based on zinc oxide nanowire sensing layer" // Sensors and Actuators A 184 (2012) 34-40) [3], (Venkata Chivukula, Daumantas Ciplys, Michael Shur, and Partha Dutta "ZnO nanoparticle surface acoustic wave UV sensor" //APPLIED PHYSICS LETTERS 96, 233512, 2010) [4], (Wen-Che Tsai, Hui-ling Kao, Kun-Hsu Liao, Yu-Hao Liu, Tzu-Ping Lin, and Erik S. Jeng "Room temperature fabrication of ZnO/ST-cut quartz SAW UV photodetector with small temperature coefficient" // OPTICS EXPRESS, 9 Feb 2015 Vol. 23, No. 3, 2187) [5], (Sanjeev Kumar, Gil-Ho Kim, K. Sreenivas, R.P. "Tand on ZnO based surface acoustic wave ultraviolet photo sensor" // J. Electroceram (2009) 22, p. 198-202) [6], (Wang Wen-Bo, Gu Hang, He Xing-Li, Xuan Wei-Peng, Chen Jin-Kai, Wang Xiao-Zhi, and Luo Ji-Kui "Transparent ZnO/glass surface acoustic wave based high performance ultraviolet light sensors" // Chin. Phys. В Vol. 24, No. 5 (2015) 057701) [7], (US 7989851, МПК H01L 29/82, опубл.02.08.2011) [8], (US 6914279, МПК H01L 29/82, опубл. 07.05.2005) [9], (US 6621192, МПК H01L 41/08, опубл. 16.09.2003) [10]. Предложен датчик, содержащий пьезоподложку, на рабочей поверхности которой в одном акустическом канале расположены приемный и передающий встречно-штыревые преобразователи и пленка, чувствительная к УФИ, между ними [3, 4, 5] и акустический поглотитель на торцах подложки. Это позволяет по сдвигу центральной частоты передатчика измерять интенсивность УФИ без всяких других сигнал преобразующих схем, что упростит конструкцию датчиков УФИ и повысит их надежность. Принцип действия этих датчиков основан на изменении затухания и скорости поверхностных акустических волн (ПАВ) от интенсивности УФИ из-за акустоэлектронного взаимодействия ПАВ с электронами проводимости в полупроводниковом слое, находящимся на поверхности пьезоэлектрической подложки, вдоль которой распространяются ПАВ. Концентрация электронов, в свою очередь, зависит от интенсивности УФИ, что и позволяет судить о наличии и интенсивности УФИ. Так как при акустоэлектронном взаимодействии меняется скорость ПАВ, то это приводит изменению центральной частоты встречно-штыревого преобразователя [6, 7], если встречно-штыревые преобразователи (ВШП) нанесены на пленку оксида цинка, которая также обладает пьезоэлектрическими свойствами или к сдвигу частоты генерации [3, 4, 5, 8, 9, 10], если пленка, чувствительная к УФИ находится между приемным и передающим ВШП в ПАВ резонаторе. Так как скорость ПАВ зависит от температуры, то центральная частота ВШП или частота резонатора будет зависеть от температуры, что необходимо учитывать при измерении УФИ. Но сделать это не просто, потому что акустоэлектронное взаимодействие зависит от квадрата коэффициента электромеханической связи, который для термостабильных срезов кварца очень мал, что приводит к слабой зависимости скорости ПАВ, следовательно, и частоты от интенсивности УФИ. В подложках ниобата лития квадрат коэффициента электромеханической связи в 30 раз больше, но в нем скорость ПАВ зависит от температуры намного больше чем в кварце.

Этот недостаток устранен в датчике физических величин (RU 2613590, МПК-2006.01 H01L 31/101, Н03Н 9/25, опубл. 17.03.2017) [11], содержащем пьезоэлектрическую подложку, на рабочей поверхности которой в одном акустическом канале находятся приемо-передающий однонаправленный ВШП и два отражательных ВШП, причем между отражательными ВШП на расстоянии не более длины ПАВ на центральной частоте ВШП параллельно поверхности расположена чувствительная к УФИ полупроводниковая пленка оксида цинка, нанесенная на диэлектрическую подложку, прозрачную для УФИ, которая лежит на опорах, находящихся по обе стороны от акустического канала на краях пьезоподложки между отражательными ВШП, а к приемо-передающему ВШП подсоединена приемо-передающая антенна.

В такой конструкции сигналы, отраженные от ВШП до и после прохождения области под пленкой, будут существенно различаться при воздействии УФИ. В этом случае изменение скорости ПАВ не будет влиять на амплитуду отраженных импульсов, а, следовательно, влиять на точность измерения интенсивности УФИ. Однако такая конструкция имеет существенный недостаток, обусловленный наличием прозрачного окна в корпусе для УФИ, что усложняет конструкцию и надежность корпуса. Это связано с тем, что в СВЧ диапазоне, в котором предпочтительнее всего работать беспроводным пассивным датчикам с миниатюрными антеннами, корпус надо обязательно герметизировать, чтобы грязь и пыль не попали в акустический тракт, так как на СВЧ затухание ПАВ сильно зависит от его загрязнения.

Устранить указанные недостатки позволяет датчик (RU 2387051, МПК H01L 41/107, G01D 5/12 (2006.01), опубл. 20.04.2010) [12], который является ближайшим аналогом к заявляемому изобретению по назначению, выполнению и достигаемому результату и принят за прототип.

Датчик-прототип, содержит герметичный корпус, внутри которого расположен пьезоэлектрический звукопровод, на рабочей поверхности которого в одном акустическом канале расположены отражательный и приемопередающий встречно-штыревой преобразователь, нагруженный на антенну через выводы в корпусе, которая расположена вне герметичного корпуса, и отражательные ВШП, расположенные по обе стороны от приемо-передающего ВШП, причем один из отражательных ВШП подсоединен к импедансу, величина которого чувствительна к температуре, давлению, влажности, ионизирующему излучению, электромагнитному излучению, в том числе и к УФИ, и образует вместе с приемо-передающим ВШП измерительный канал, другой отражательный ВШП образует с приемо-передающим ВШП опорный канал. При этом в измерительном канале коэффициент отражения ПАВ от отражательного ВШП зависит от величины импеданса, величина которого зависит от измеряемой физической величины, а в опорном канале - нет. Так как корпус герметичный, ВШП и подложка изолированы от окружающей среды, что повышает надежность датчика. Опрос датчика производится с помощью считывателя, посылающего опрашивающий электромагнитный импульс, который принимается антенной датчика и преобразуется в поверхностные акустические волны (ПАВ), которые, отражаясь от отражательного ВШП, принимаются приемо-передающим ВШП и снова преобразуются в электромагнитный сигнал, который принимается приемником считывателя. Величина этого сигнала, очевидно, зависит от коэффициента отражения, который, в свою очередь, зависит от величины импеданса, нагруженного на отражательный ВШП в измерительном канале. Этот импеданс, в свою очередь, зависит от измеряемой физической величины, например, интенсивности УФИ. В опорном канале величина сигнала, обусловленного отражением ПАВ от отражательного ВШП, не зависит от измеряемой физической величины. Тогда сравнивая импульсы, отраженные от опорного и измерительного канала, определяют измеряемую физическую величину.

Однако, при слабых изменениях коэффициента отражения, из-за изменения интенсивности, отношение амплитуд импульсов, принятых считывателем, будет изменяться очень слабо, что сделает невозможным определение интенсивности УФИ в условиях реальной помеховой обстановки и приводит к снижению чувствительности и точности измерения интенсивности УФИ. В прототипе под действием электромагнитных волн изменяется коэффициент отражения ПАВ от отражательного ВШП, поэтому коэффициент отражения электромагнитных волн от антенны определяется только коэффициентом отражения ПАВ от отражательного ВШП.

Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в создании беспроводного УФИ, лишенного указанных недостатков.

Поставленная задача решена за счет достижения нового технического результата - повышения чувствительности и точности измерения интенсивности УФИ за счет изменения согласования импеданса ПП ВШП с импедансом подключенной к нему антенны в зависимости от частоты считывающего сигнала, что приводит к увеличению изрезанности АЧХ, и как следствие, увеличению амплитуды импульса обратного преобразования Фурье.

Указанный технический результат достигается тем, что пассивный беспроводный датчик ультрафиолетового излучения на поверхностных акустических волнах содержит герметичный корпус, внутри которого расположен пьезоэлектрический звукопровод, на рабочей поверхности которого в одном акустическом канале расположены приемопередающий встречно-штыревой преобразователь (ВШП), подключенный через выводы в корпусе к антенне, первый однонаправленный отражательный ВШП, образующий с приемо-передающим ВШП измерительный канал, внешний импеданс, величина которого чувствительна к измеряемой величине интенсивности УФИ, и второй однонаправленный отражательный ВШП, который образует с приемо-передающим ВШП опорный канал, акустопоглотитель, нанесенный на торцы звукопровода.

Согласно изобретению, внешний импеданс содержит встречно-штыревую структуру, расположенную на диэлектрической подложке, выполненную в виде двух вложенных друг в друга гребенчатых электродов, на поверхность которых нанесена фоточувствительная пленка, проводимость которой зависит от интенсивности УФИ, гребенчатые электроды через выводы в корпусе подключены к приемо-передающему однонаправленному ВШП, который вместе с одним из отражательных однонаправленных ВШП образует измерительный канал, параллельно которому введен опорный акустический канал, содержащий отражательный однонаправленный ВШП и однонаправленный приемо-передающий ВШП, соединенный через выводы в корпусе с антенной, обе антенны выполнены в виде полуволновых вибраторов, расположенных на одной прямой линии, причем расстояние между ВШП в опорном акустическом канале меньше расстояния между ВШП в измерительном акустическом канал, по меньшей мере, на длину отражательного ВШП. В предпочтительных вариантах выполнения:

- период гребенчатых электродов равен периоду ВШП;

- диэлектрическая подложка выполнена из пьезоэлектрического материала;

- фоточувствительной пленка выполнена из оксида цинка.

Повышение чувствительности и точности измерения интенсивности УФИ происходит из-за того, что внешний импеданс, величина которого зависит от интенсивности УФИ подсоединен в измерительном канале к приемо-передающему, а не к отражательному ВШП.

Сущность изобретения поясняется фигурами чертежей, где:

Фиг. 1. Пассивный беспроводный датчик ультрафиолетового излучения на поверхностных акустических волнах, общий вид.

Фиг. 2. Частотные зависимости параметра S₁₁, где кривая 1 частотная зависимость параметра S₁₁ измерительного канала при наличии УФИ, кривая 2 - частотная зависимость параметра S₁₁ измерительного канала при отсутствии УФИ.

Фиг. 3. Временная зависимость параметра S₁₁, где кривая 1 - амплитуда Фурье-преобразования частотной зависимости параметра S₁₁ при наличии УФИ, кривая 2 - амплитуда Фурье-преобразованию частотной зависимости параметра S₁₁ при отсутствии УФИ, где кривая 3 - амплитуда Фурье-преобразования частотной зависимости параметра S₁₁ в опорном канале.

Фиг. 4., Временная зависимость параметра S₁₁, где кривая 1 - амплитуда Фурье-преобразования частотной зависимости параметра S₁₁ при наличии УФИ, кривая 2 - амплитуда Фурье-преобразованию частотной зависимости параметра S₁₁ при отсутствии УФИ, кривая 3 - амплитуда Фурье-преобразования частотной зависимости параметра S₁₁ в опорном канале.

Фиг. 5 Временная зависимость параметра S₁₁, где кривая 1 - амплитуда Фурье-преобразования частотной зависимости параметра S₁₁ при наличии УФИ, кривая 2 - амплитуда Фурье-преобразованию частотной зависимости параметра S₁₁ при отсутствии УФИ, где кривая 3 - амплитуда Фурье-преобразования частотной зависимости параметра S₁₁ в опорном канале.

Фиг. 6 Зависимость амплитуды Фурье-преобразования от интенсивности УФИ заявляемого пассивного беспроводного датчика ультрафиолетового излучения на поверхностных акустических волнах, где кривая 1 - импеданс выполнен на пьезоэлектрической подложке, кривая 2 - импеданс выполнен на диэлектрической подложке.

Пассивный беспроводный датчик ультрафиолетового излучения на поверхностных акустических волнах (фиг. 1) содержит герметичный корпус 1, внутри которого расположен пьезоэлектрический звукопровод 2, на рабочей поверхности которого в одном акустическом канале расположены приемопередающий встречно-штыревой преобразователь (ВШП) 3, подключенный через выводы 4 в корпусе к антенне 5, первый однонаправленный отражательный ВШП 6, образующий с приемо-передающим ВШП 3 измерительный акустический канал. На торцы пьезоэлектрического звукопровода 2 нанесены акустопоглотители 7 Встречно-штыревая структура ВШС 8, выполнена в виде двух вложенных друг в друга гребенчатых электродов, расположенных на диэлектрической подложке 9, на поверхность ВШС 8 нанесена фоточувствительная пленка 10, проводимость которой зависит от интенсивности УФИ, гребенчатые электроды через выводы в корпусе подключены к приемо-передающему однонаправленному ВШП 3, Параллельно измерительному введен опорный акустический канал, содержащий отражательный однонаправленный ВШП 11 и однонаправленный приемо-передающий ВШП 12, соединенный через выводы в корпусе с антенной 13. Антенны 5 и 13 выполнены в виде полуволновых вибраторов, расположенных на одной прямой линии.

При подаче на приемо-передающую антенну 5 считывающего электромагнитного импульса от опросного устройства, последний в ВШП 3 преобразуется в импульс ПАВ, который отражается от отражательного ВШП 6. ВШП 3 и ВШП 6 выполнены однонаправленными (RU 2195069 МПК Н03Н 9/145 опубл. 2002.12.20) [13], чтобы ПАВ излучались (принимались), преимущественно, в сторону (со стороны) отражательного ВШП 4, что приведет к уменьшению затухания отраженных от датчика электромагнитных импульсов, так как излучение ПАВ в противоположную сторону (в сторону поглотителя ПАВ) в 10 раз меньше, чем в сторону отражательного ВШП 3, что уменьшает потери энергии электромагнитного импульса на преобразование в ПАВ, распространяющихся в сторону отражательных ВШП. Чтобы ПАВ, излученные к торцам не искажали работу датчика (не приводили к ложным импульсам) на торце пьезоэлектрического звукопровода нанесен акустопоглотитель 7, который поглощает ПАВ и не дает им попасть снова на ВШП 3. Отраженные от отражательного ВШП импульсы ПАВ попадают обратно на приемо-передающий ВШП. Там они преобразуются в электрический сигнал, который наводит в антенне электромагнитный импульс, который излучается обратно на опросное устройство.

Так как считыватель при опросе датчика может находиться на разных расстояниях или могут поменяться условия распространения электромагнитных волн (дождь, туман), то амплитуда отраженного от датчика импульса будет зависеть от условий распространения и расстояния между считывателем и датчиком. Чтобы этого не происходило вводится параллельно измерительному каналу опорный акустический канал, состоящий из приемо-передающего ВШП 11. В этом же канале находится и отражательный ВШП 13. ВШП 12 соединен с приемо-передающей антенной 13, полуволновые вибраторы которой находятся на одной прямой линии с полуволновыми вибраторами в антенне 6, подсоединенной к приемо-передающему ВШП 3, соединенному с импедансом (фиг. 1). В этом случае между антеннами почти не существует связи, так как они излучают электромагнитные волны перпендикулярно полуволновым вибраторам. Так как ВШП 3 и ВШП 6 находятся в измерительном канале, можно считать, что измерительный и опорный каналы не связаны между собой и не будут влиять друг на друга. В опорном канале расстояние между ВШП 11 и ВШП 12 выбрано меньшим на длину ВШП 3 вдоль направления распространения ПАВ, чем расстояние между ВШП 3 и 4. Поэтому пик отражения от опорного канала появляется раньше пика отражения от измерительного канала. На фиг. 3 видно, что пик отражения от опорного канала 3 появляется раньше, чем пик отражения от измерительного канала, эти пики разделены во времени и их легко выделять и сравнивать. При изменении условий распространения электромагнитных волн между датчиком и считывателем отраженные сигналы могут меняться, но их отношение не будет зависеть от этих условий, так как при этом меняться будут одновременно пики отражения от опорного и измерительного каналов.

Величина импеданса, состоящего из ВШС 8 с нанесенной на нее фоточувствительной пленкой 9, которые расположены на подложке 10, под действием УФИ меняет свое значение. Это приводит не только к изменению коэффициента отражения ПАВ от ВШП, но и степени его согласования с антенной 6. Очевидно, что на некоторых частотах в этом случае степень согласования увеличивается, а на некоторых - уменьшается, что и приводит к увеличению размаха колебаний на частотной зависимости параметра S₁₁ (отношение отраженной от антенны датчика электромагнитной волны к падающей, см. фиг. 2), а, следовательно, и к увеличению коэффициента отражения электромагнитного сигнала от датчика. В этом случае, в отличие от подсоединения импеданса к отражательному ВШП, влияние изменения импеданса на коэффициент отражения электромагнитного сигнала от датчика увеличится. Из фиг. 3 видно, что при подсоединении внешнего импеданса к приемо-передающему ВШП величина импульсного отклика меняется в 2,05 раз (отношение площади кривой 1 к площади кривой 3) под воздействием УФИ, а при подсоединении внешнего импеданса к отражательному ВШП, как видно из фиг. 4, это отношение (отношение площади кривой 2 к площади кривой 3) под воздействием УФИ меняется всего в 1,46 раза. К тому же в этом случае с увеличением интенсивности УФИ амплитуда отраженных импульсов падает, в отличие от случая, когда импеданс подсоединен к приемо-передающему ВШП 3, где амплитуда отраженных импульсов растет с увеличением интенсивности УФИ.

Период ВШС 8 равен периоду ВШП 3 и ВШП 4, а подложка 10 выполнена из того же пьезоэлектрического материала, что и пьезоэлектрический звукопровод 1, то влияние внешнего импеданса может усилиться за счет того, что ВШС 8 приобретает дополнительный активный импеданс за счет излучения ПАВ. В этом случае фоточувствительная пленка будет при облучении УФИ влиять на величину коэффициента отражения, а также на степень согласования приемо-передающего ВШП с антенной 6, поскольку величина импеданса будет уже и без наличия УФИ близка к сопротивлению излучения ВШП 3 и ВШП 4, ВШП 11 и ВШП 12. Наличие УФИ приведет лишь к большему рассогласованию импеданса ВШП с антенной. Если период ВШМ 8 отличен от периода ВШП 3 и и ВШП 4 или подложка будет не пьезоэлектрическая, что эквивалентно, то влияние на коэффициент отражения электромагнитных волн от датчика будет меньше, как показано на фиг. 5. Там видно, что отношение пика 1 отражения при наличии УФИ отличается от пика отражения 3 в 1,6 раза, что меньше по сравнению с таким же отношением, когда период ВШС 8 сравним с периодом ВШП 3 и ВШП 4, ВШП 11 и ВШП 12. Дело в том, что в случае отличия периода ВШС 8 от периода ВШП 3, ВШС 8 представляет собой емкость, и активное сопротивление в импедансе обуславливается только наличием фоточувствительной пленки. То же можно сказать, если ВШС расположена на диэлектрической (не пьезоэлектрической) подложке.

При подсоединении внешнего импеданса к приемо-передающему ВШП 4 может показаться, что отражательный ВШП становится не нужным, так как импеданс влияет на коэффициент отражения и без него, однако без отражательного ВШП 4 электромагнитный сигнал, отраженный от антенны датчика, придет почти в одно и то же время, что и сигналы, отраженные от поверхностей, находящихся вблизи датчика. В этом случае будет невозможно разделить эти сигналы и произвести измерение интенсивности УФИ. При наличии отражательного ВШП 4 сигнал, отраженный от него, придет на несколько мкс позже, из-за того, что скорость ПАВ на пять порядков ниже, чем скорость электромагнитных волн, а расстояние между ВШП может составлять 6-20 мм. Это соответствует отражению электромагнитного сигнала от поверхностей, находящихся на расстоянии 600-1200 м от датчика. В этом случае величина отраженных от поверхностей сигналов будет сильно ослаблена. В тоже время сигнал, обусловленный отражением ПАВ от отражательного ВШП, будет значительно больше и его будет легко идентифицировать. Таким образом, без наличия отражательного ВШП 6 датчик будет неработоспособным.

Для оценки повышения точности заявляемого датчики проводились измерение интенсивности УФИ с помощью анализатора импеданса «Обзор-304». Этот прибор измерял частотную зависимость параметра S₁₁ приемо-передающего ВШП. Далее производилось Фурье преобразование измеренной частотной характеристики и получался импульсный отклик датчика. ВШС подсоединялись к линии задержки с помощью малогабаритного коаксиального кабеля длиной 20 см, а сама ВШС закреплялась на оптической скамье и на нее через отверстие в металлической пластине подавалось УФИ от гелий-кадмиевого лазера (325 нм). Причем луч лазера был сфокусирован до диаметра 1.5 мм на расстоянии 12.3 см от линзы. Далее ВШС отодвигалась от линзы. При этом диаметр луча становился больше, но на ВШС он оставался неизменным из-за того, что непосредственно перед ней находилась металлическая пластина с отверстием диаметром 1.5 мм. Вследствие того, что диаметр луча увеличивался, интенсивность УФИ падала с увеличением расстояния до линзы. Это позволило менять интенсивность УФИ от 1312 mW/cm² до 35.6 mW/cm². Таким образом, можно было измерить зависимость коэффициента отражения ПАВ от отражательного ВШП, если ВШС подсоединялась к нему, и зависимость коэффициента передачи от приемо-передающего ВШП, если ВШС была к нему подсоединена, от интенсивности УФИ.

Однонаправленные ВШП 3, 4, и 11, 12 содержали по 18 активных и отражательных секций. Апертура ВШП была выбрана равной 1.72 мм, а расстояние между ВШП в измерительном канале было равно 18.7 мм, а в опорном канале - 12 мм. ВШП были расположены на пьезоэлектрическом звукопроводе из YX/127° - срезе ниобата лития.

На фиг. 2 показана частотная зависимость параметра S₁₁ когда ВШС с пленкой подсоединена к приемо-передающему ВШП и находится либо когда УФИ нет (кривая 2), либо под воздействием УФИ максимальной интенсивности, равной 1312 мВт/см² (кривая 1). На фиг. 3 показан импульсный отклик датчика, представляющий Фурье преобразование приведенных выше частотных зависимостей. При этом внешний импеданс представляет собой ВШС 8 с тем же периодом что и ВШП 3 и 4, на которую нанесена фоточувствительная пленка оксида цинка толщиной 200 нм. ВШС 8 с пленкой 9 расположены на пьезоэлектрической подложке ниобата лития YX/127° - среза, т.е. подложка такая же, как и пьезоэлектрический звукопровод 2 датчика.

Для сравнения площадей импульсов, при отсутствии УФИ (кривая 1) и с УФИ (кривая 2) мы брали отношение площадей импульсов без УФИ, которые равны площадям импульса в опорном акустическом канале, к площадям импульсов при УФИ, соответственно. При этом площади импульсов при отсутствии УФИ (q₀) были равны площади импульсов, отраженных в опорном акустическом канале (q_опорн). Площади определялись как интегралы по времени, начиная с момента времени, где соответствующий пик отражения еще близок нулю (не более 0.01) и заканчивая моментом времени, где пик отражения уже близок нулю (не более 0.01).

В таблице 1 приведены расчеты площадей пиков отражения, когда внешний импеданс подсоединен к приемо-передающему ВШП.

Из таблицы 1 видно, что с увеличением интенсивности УФИ коэффициент отражения электромагнитного сигнала от датчика растет и принимает максимальное значение равное q1₀/q1₈=2.05 при интенсивности излучения равным 1312 мВт/см².

В таблице 2 показана изменения коэффициента отражения от датчика, когда внешний импеданс подсоединен к отражательному ВШП (см. фиг. 4, кривые 1 и 2)

Из таблицы 2 видно, что с увеличением интенсивности УФИ коэффициент отражения ПАВ от ВШП 4 падает и максимальное изменение составляет 1/0696=1,464, что меньше, чем в случае подсоединения внешнего импеданса к приемо-передающему ВШП 3.

В таблице 3 приведена зависимость коэффициента отражения от датчика, когда внешний импеданс, подсоединенный к приемо-передающему ВШП, расположен на пьезоэлектрической подложке, но период ВШС 8 отличается от периода ВШП, таким образом, что его рабочие частоты как ВШП лежат на 6 МГц ниже, чем у ВШП 3 и 4 датчика. Тогда ВШС без пленки можно рассматривать как емкость и пьезоэлектрические свойства подложки уже не имеют значения.

Из таблицы 3 видно, что с увеличением интенсивности УФИ коэффициент отражения электромагнитного сигнала от датчика растет как и для первого случая.

На фиг. 6 приведены калибровочные кривые для датчика, в котором внешний импеданс с ВШС 8, имеющей период, равный периоду ВШП 3 и 4 (кривая 1), а также, для датчика, когда ВШС имеет период отличный от периода ВШП (кривая 2). Эти кривые представляет отношение амплитуды первично отраженного импульса без УФИ к амплитуде такого же импульса при различных интенсивностях УФИ. Видно, что в первом случае калибровочная кривая более сильно зависит от интенсивности излучения при слабых интенсивностях УФИ. Зная это отношение можно по этой кривой определить значение интенсивности УФИ. Так, например, если отношение q1_i/q1₀=1.71, интенсивность УФИ равна 140 mW/cm² (пунктирные линии на фиг. 6).

Источники информации:

1. RU 2392693, МПК H01L 31/101, опубл. 20.06.2010

2. US 9064987, МПК-2014.01, H01L 31/0232, опубл. 23.06.2015

3. Wenbo Peng, Yongning Неа, Changbao Wen, Ke Ma "Surface acoustic wave ultraviolet detector based on zinc oxide nanowire sensing layer" // Sensors and Actuators A 184 (2012) 34-40

4. Venkata Chivukula, Daumantas Ciplys, Michael Shur, and Partha Dutta "ZnO nanoparticle surface acoustic wave UV sensor" // APPLIED PHYSICS LETTERS 96, 233512, 2010

5. Wen-Che Tsai,* Hui-ling Kao, Kun-Hsu Liao, Yu-Hao Liu, Tzu-Ping Lin, and Erik S. Jeng "Room temperature fabrication of ZnO/ST-cut quartz SAW UV photodetector with small temperature coefficient" // OPTICS EXPRESS, 9 Feb 2015 Vol. 23, No. 3,2187.

6. Sanjeev Kumar, Gil-Ho Kim, K. Sreenivas, R. P. "Tand on ZnO based surface acoustic wave ultraviolet photo sensor" // J Electroceram (2009) 22, p. 198-202.

7. Wang Wen-Bo, Gu Hang, He Xing-Li, Xuan Wei-Peng, Chen Jin-Kai, Wang Xiao-Zhi, and Luo Ji-Kui "Transparent ZnO/glass surface acoustic wave based high performance ultraviolet light sensors" // Chin. Phys. В Vol. 24, No. 5 (2015) 057701.

8. US 7989851, МПК-2006.01 H01L 29/82, опубл. 02.08.2011.

9. US 6914279, МПК-2006.01 H01L 29/82, опубл. 07.05.2005.

10. US 621192, МПК⁷ H01L 41/08, опубл. 16.09.2003.

11. RU 2613590, МПК-2006.01 H01L 31/101, H03H 9/25, опубл. 17.03.2017.

12. RU 2387051, МПК H01L 41/107, G01D 5/12 (2006.01), опубл 20.04.2010 - прототип.

13. RU 2195069, 7МПК H03H 9/145, опубл. 20.12.2002.

Изобретение относится к полупроводниковым приборам для измерения интенсивности ультрафиолетового излучения. Технический результат заключается в повышении чувствительности и точности измерения интенсивности УФИ. Датчик содержит корпус с пьезоэлектрическим звукопроводом внутри, на торцы которого нанесен звукопоглотитель. На поверхности звукопровода расположены два приемопередающих ВШП и два отражающих ВШП. Первый приемопередающий ВШП и первый отражательный ВШП образуют измерительный канал, вторая пара ВШП - опорный канал. Расстояние между ВШП в измерительном канале больше, чем в опорном. Приемопередающие ВШП подключены к антеннам, являющимся полуволновыми вибраторами. Измерительный приемопередающий ВШП подключен также к импедансу. Импеданс представляет собой ВШП, расположенный на диэлектрической подложке, на поверхность ВШП нанесена фоточувствительная пленка, проводимость которой зависит от интенсивности УФИ. 3 з.п. ф-лы, 6 ил., 3 табл.

1. Пассивный беспроводной датчик ультрафиолетового излучения на поверхностных акустических волнах, содержащий герметичный корпус, внутри которого расположен пьезоэлектрический звукопровод, на рабочей поверхности которого в одном акустическом канале расположены приемо-передающий встречно-штыревой преобразователь (ВШП), подключенный через выводы в корпусе к антенне, первый однонаправленный отражательный ВШП, образующий с приемо-передающим ВШП измерительный канал, внешний импеданс, величина которого чувствительна к измеряемой интенсивности ультрафиолетового излучения (УФИ), и второй отражательный однонаправленный ВШП, который образует с приемо-передающим ВШП опорный канал, акустопоглотитель, нанесенный на торцы звукопровода, отличающийся тем, что внешний импеданс содержит встречно-штыревую структуру, расположенную на диэлектрической подложке, выполненную в виде двух вложенных друг в друга гребенчатых электродов, на поверхность которых нанесена фоточувствительная пленка, проводимость которой зависит от интенсивности УФИ, гребенчатые электроды через выводы в корпусе подключены к первому приемо-передающему однонаправленному ВШП, который вместе с одним из отражательных однонаправленных ВШП образует измерительный канал, параллельно которому введен опорный акустический канал, содержащий второй отражательный однонаправленный ВШП и второй однонаправленный приемо-передающий ВШП, соединенный через выводы в корпусе с антенной, обе антенны выполнены в виде полуволновых вибраторов, расположенных на одной прямой линии, причем расстояние между ВШП в опорном акустическом канале меньше расстояния между ВШП в измерительном акустическом канале, по меньшей мере, на длину отражательного ВШП.

2. Пассивный беспроводной датчик по п. 1, отличающийся тем, что период гребенчатых электродов равен периоду ВШП.

3. Пассивный беспроводной датчик по п. 1, отличающийся тем, что диэлектрическая подложка выполнена из пьезоэлектрического материала.

4. Пассивный беспроводной датчик по п. 1, отличающийся тем, что фоточувствительная пленка выполнена из оксида цинка.