Патент на изобретение №2331842

(54) РЕЗОНАТОР НА ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ С НЕЭКВИДИСТАНТНЫМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ДЕФОРМАЦИИ

(57) Реферат:

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в приборостроении и машиностроении для измерения деформации, а также сосредоточенных сил, давления газов и жидкостей. Техническим результатом изобретения является повышение точности измерения деформации за счет увеличения девиации частоты резонатора. Резонатор состоит из пьезоплаты, на поверхности которой сформированы встречно-штыревой преобразователь и эквидистантные отражающие структуры, выполненные в виде системы канавок и расположенные по обе стороны от встречно-штыревого преобразователя перпендикулярно к направлению распространения поверхностных акустических волн. Канавки в отражающих структурах расположены с периодом, равным

ширина канавки равна

скважность больше 1, – длина поверхностной акустической волны, n – целое число, большее или равное 1, m – целое число, большее или равное 1. Встречно-штыревой преобразователь резонатора выполнен неэквидистантным. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в приборостроении и машиностроении для измерения деформации, а также сосредоточенных сил, давления газов и жидкостей.

Известен двухвходовый резонатор на поверхностных акустических волнах (Зеленка И. Пьезоэлектрические резонаторы на объемных и поверхностных акустических волнах. М: Мир, 1990, 584 с.), состоящий из двух встречно-штыревых преобразователей, расположенных на пьезоплате напротив друг друга. Период следования штырей встречно-штыревых преобразователей равен – длина поверхностной акустической волны, скважность равна 2.

Недостатком этих резонаторов, применительно к измерению деформаций, является низкая добротность, малая девиация частоты и, как следствие, низкая чувствительность и точность.

Известен также одновходовый резонатор (Зеленка И. Пьезоэлектрические резонаторы на объемных и поверхностных акустических волнах. М: Мир, 1990, 584 с.), состоящий из встречно-штыревых преобразователей, структуры и расположенных по обе стороны от встречно-штыревых преобразователей металлизированных штыревых отражающих структур. Период следования штырей в отражающих структурах равен – длина поверхностной акустической волны, скважность равна 2. По сравнению с двухвходовыми резонаторами одновходовые резонаторы имеют большую добротность. Недостатком этих резонаторов, применительно к измерению деформаций, также является малая девиация частоты и, как следствие, низкая чувствительность и точность.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является одновходовый резонатор (Зеленка И. Пьезоэлектрические резонаторы на объемных и поверхностных акустических волнах. М: Мир, 1990, 584 с.), состоящий из встречно-штыревых преобразователей, структуры и расположенных на пьезоплате по обе стороны от встречно-штыревых преобразователей отражающих структур в виде периодической системы канавок. Период следования канавок в отражающих структурах равен скважность равна 2. По сравнению с одновходовыми резонаторами с металлизированными штыревыми отражающими структурами одновходовые резонаторы с отражающими структурами в виде периодической системы канавок имеют большую добротность. Недостатком этих резонаторов, применительно к измерению деформаций, также является малая девиация частоты и, как следствие, низкая чувствительность и точность.

Причиной, препятствующей получению указанного ниже технического результата при использовании для измерения деформаций известного одновходового резонатора-прототипа, является следующий его недостаток: абсолютное значение девиации частоты ограничено предельно допустимой деформацией кристаллического материала, на котором выполнен резонатор.

Задачей настоящего изобретения является повышение точности измерения деформации.

Технический результат достигается тем, что в резонаторе на поверхностных акустических волнах с неэквидистантным преобразователем для измерения деформации, состоящем из пьезоплаты, на поверхности которой сформированы встречно-штыревой преобразователь и эквидистантные отражающие структуры, выполненные в виде системы канавок или штырей и расположенные по обе стороны от встречно-штыревых преобразователей перпендикулярно к направлению распространения поверхностных акустических волн, канавки в отражающих структурах расположены с периодом, равным

ширина канавки равна

скважность больше 1, – длина поверхностной акустической волны, n – целое число, большее или равное 1, m – целое число, большее или равное 1, а встречно-штыревой преобразователь резонатора выполнен неэквидистантным.

Увеличение периода следования канавок более чем в n раз приводит в процессе измерения деформации к увеличению абсолютной деформации канавок также в n раз и соответственно увеличению девиации частоты также в n раз, без превышения предельной относительной деформации кристаллического материала, на котором выполнен резонатор. Неэквидистантность встречно-штыревых преобразователей резонатора обеспечивает постоянство вносимого затухания во всем диапазоне измеряемых частот, соответствующих измеряемым деформациям. Увеличение девиации частоты в процессе измерения позволяет существенно повысить точность измерения деформации и снизить погрешности измерений.

Проведенный заявителем анализ уровня техники установил, что аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественными всем признакам заявленного устройства, резонатора на поверхностных акустических волнах с неэквидистантным преобразователем для измерения деформации, отсутствуют, следовательно, заявленное изобретение соответствует условию “новизна”.

В настоящее время автору неизвестны резонаторы на поверхностных акустических волнах для измерения деформации, которые позволяли бы проводить измерение деформации с такой точностью, которую обеспечивает предлагаемая конструкция резонатора на поверхностных акустических волнах для измерения деформации.

Результаты поиска известных технических решений в данной и смежных областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипов признаками заявленного изобретения, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники.

Из определенного заявителем уровня техники не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения преобразований на достижение указанного технического результата, следовательно, заявленное изобретение соответствует “изобретательскому уровню”.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где

на фиг.1 приведена топология резонатора на поверхностных акустических волнах (ПАВ) с неэквидистантным преобразователем для измерения деформации;

на фиг.2 приведена топология отражающих структур.

Резонатор на ПАВ с неэквидистантным преобразователем для измерения деформации (фиг.1) состоит из пьезоплаты 1.1, на которой сформированы встречно-штыревые преобразователи (ВШП) резонатора 1.2 и отражающие структуры в виде системы канавок 1.3.

В общем случае, в соответствии с фиг.2, ширина (а) расположенной на пьезоплате 1.1 канавки 1.3 и период (d) следования канавок 1.3 в отражающих структурах связаны следующими соотношениями:

ширина канавки

период следования канавок

скважность равна

где – длина поверхностной акустической волны, n – целое число, большее или равное 1, m – целое число, большее или равное 1, s – скважность (число, большее 1).

В случае когда скважность отражающих структур равна 2, ширина (а) расположенной на пьезоплате 1.1 канавки 1.3 и период (d) следования канавок 1.3 связаны следующими соотношениями:

ширина канавки

период следования канавок

скважность равна

Предложенный резонатор реализуется также с периодом канавок в отражающих структурах, кратным четверти длины ПАВ.

На пьезоплате 1.1 ВШП резонатора на ПАВ выполнен неэквидистантным, с переменным периодом штырей (электродов) вдоль направления распространения ПАВ.

На фиг.2 показана топология отражающих структур, выполненных в виде системы канавок. Канавки 1.3 заглублены относительно поверхности пьезоплаты 1.1 и отражающие структуры являются эквидистантными, а их параметры определяются формулами (3) и (4).

Формирование ВШП реализовано по технологии фотолитографии и травления [1, 2]. Могут быть использованы и другие технологические процессы формирования металлических структур на пьезоплатах. Формирование канавок отражающих структур реализовано по технологии травления через маску [2].

Устройство работает следующим образом.

При деформации пьезоплаты 1.1 изменяется геометрический размер штырей (электродов) ВШП 1.2, расстояния между электродами, ширина и период следования канавок 1.3. В соответствии с условием акустического синхронизма [1, 2] изменяется и резонансная частота резонатора.

Величина девиации частоты зависит от местного относительного удлинения и местной скорости ПАВ, а также от абсолютного изменения геометрических размеров штырей ВШП 1.2 резонатора и канавок 1.3 отражающих структур.

В предлагаемой конструкции увеличивается (по сравнению с прототипом и известными аналогами [1, 2]) ширина канавок в соответствии с формулой (1), а период следования канавок – в соответствии с формулой (2), т.е. более чем в n раз, где n – целое число, по сравнению с прототипом, что приводит к увеличению абсолютной деформации канавок также более чем в n раз при той же относительной деформации, что и у прототипа, и соответственно к увеличению девиации собственной частоты резонатора также более чем в n раз, без превышения предельной относительной деформации кристаллического материала, на котором выполнен резонатор. Неэквидистантность ВШП резонатора обеспечивает постоянство вносимого затухания во всем диапазоне рабочих частот и деформаций. Существенное увеличение девиации частоты (в n раз) позволяет существенно повысить точность измерения деформации и снизить погрешности измерений, даже при незначительном снижении добротности.

Также неэквидистантность ВШП обеспечивает возможность корректировки неравномерности деформации пьезоплаты.

Величина собственной частоты резонатора измеряется, например, по амплитудно-частотной характеристике (например, с использованием сетевого анализатора HP E5070B) или с использованием генераторных схем [1]. На основе градуировочной зависимости (частота – деформация) изменению собственной частоты можно соотнести величину деформации.

Значения параметров заявленного устройства и его прототипа приведены в таблице.

Из сравнения параметров, приведенных в таблице, следует, что предложенный резонатор на поверхностных акустических волнах с неэквидистантным преобразователем для измерения деформации является высокоточным устройством для измерения деформации и связанных с деформацией параметров: сосредоточенных сил, давления газов и жидкостей.

Библиографические данные

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

2. Морган Д. Устройства обработки сигналов на поверхностных акустических волнах / Пер. с англ. М.: Радио и связь, 1990, 416 с.

Формула изобретения

1. Резонатор на поверхностных акустических волнах с неэквидистантным преобразователем для измерения деформации, состоящий из пьезоплаты, на поверхности которой сформированы встречно-штыревой преобразователь и эквидистантные отражающие структуры, выполненные в виде системы канавок и расположенные по обе стороны от встречно-штыревого преобразователя перпендикулярно к направлению распространения поверхностных акустических волн, отличающийся тем, что канавки в отражающих структурах расположены с периодом, равным ширина канавки равна скважность больше 1, – длина поверхностной акустической волны, n – целое число, большее или равное 1, m – целое число, большее или равное 1, а встречно-штыревой преобразователь резонатора выполнен неэквидистантным.

2. Резонатор на поверхностных акустических волнах для измерения деформации по п.1, отличающийся тем, что период следования канавок в отражающих структурах кратен четверти длины поверхностной акустической волны.

3. Резонатор на поверхностных акустических волнах для измерения деформации по п.1, отличающийся тем, что скважность следования канавок в отражающих структурах равна 2.

РИСУНКИ