RU193737U1

RU193737U1 - HIGH TEMPERATURE SENSITIVE ELEMENT ON SURFACE ACOUSTIC WAVES

Info

Publication number: RU193737U1
Application number: RU2019127632U
Authority: RU
Inventors: Владимир Владимирович Аленков; Светлана Сергеевна Базалевская; Михаил Андреевич Базалевский; Сергей Александрович Сахаров; Роман Викторович Егоров; Татьяна Викторовна Синицына; Олег Всеволодович Машинин; Светлана Сергеевна Дорофеева
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "БУТИС"
Priority date: 2019-09-02
Filing date: 2019-09-02
Publication date: 2019-11-12

Abstract

Использование: для измерения давления. Сущность полезной модели заключается в том, что высокотемпературный чувствительный элемент на поверхностных акустических волнах для датчиков давления состоит из двух пьезоэлектрических пластин, каждая из которых имеет рабочую сторону и нерабочую сторону, причем толщина первой пьезоэлектрической пластины в 3-6 раз меньше толщины второй пьезоэлектрической пластины, а рабочая сторона второй пьезоэлектрической пластины имеет углубление в форме мезаструктуры, при этом указанные пластины соединены друг с другом рабочими сторонами неразъемным соединением с образованием герметичной полости и выполнены из идентичного монокристаллического материала семейства лангасита, а также имеют идентичную кристаллографическую ориентацию, кроме того, пластины имеют идентичные форму и размеры в плоскости неразъемного соединения, при этом на рабочей стороне первой пластины, обращенной в сторону полости, выполнены, по крайней мере, два резонатора и контактные площадки, одна из которых обеспечивает гальваническую связь, а другая обеспечивает емкостную связь для вывода радиочастотного сигнала. Технический результат: обеспечение возможности расширения температурного диапазона работы датчиков давления в область температур до 500°С включительно. 5 з.п. ф-лы, 2 ил.Usage: for measuring pressure. The essence of the utility model is that a high-temperature sensitive element on surface acoustic waves for pressure sensors consists of two piezoelectric plates, each of which has a working side and a non-working side, and the thickness of the first piezoelectric plate is 3-6 times less than the thickness of the second piezoelectric plate, and the working side of the second piezoelectric plate has a recess in the form of a mesastructure, while these plates are connected to each other by working sides inextricably They form a sealed cavity and are made of identical monocrystalline material of the langasite family and also have the same crystallographic orientation, in addition, the plates have identical shape and dimensions in the plane of the permanent connection, while on the working side of the first plate facing the cavity, made at least two resonators and pads, one of which provides galvanic coupling, and the other provides capacitive coupling for outputting radio frequency Igna. Effect: providing the possibility of expanding the temperature range of the pressure sensors in the temperature range up to 500 ° C inclusive. 5 cp f-ly, 2 ill.

Description

Полезная модель относится к измерительной технике, в частности к устройствам для измерения давления в диапазоне от 0 до 50 атм. Более конкретно, полезная модель относится к чувствительным элементам на поверхностных акустических волнах (ПАВ) резонансного типа, выполненным из пьезоэлектрических монокристаллов семейства лангасита. В частности, данный чувствительный элемент предназначен для автономных датчиков давления, которые могут быть использованы для контроля технологических процессов в научных экспериментах, промышленном производстве и других областях науки и техники, таких как разработка и производство авиационных двигателей, для контроля давления в различных зонах турбинных двигателей.The utility model relates to measuring equipment, in particular to devices for measuring pressure in the range from 0 to 50 atm. More specifically, the utility model relates to resonant-type sensitive elements on surface acoustic waves (SAWs) made of piezoelectric single crystals of the langasite family. In particular, this sensitive element is intended for autonomous pressure sensors, which can be used to control technological processes in scientific experiments, industrial production and other fields of science and technology, such as the development and production of aircraft engines, for monitoring pressure in various zones of turbine engines.

Акустоэлектронные компоненты на объемных и поверхностных акустических волнах уже на протяжении нескольких десятков лет широко применяются во всех современных системах радиолокации, связи, телевидения, навигации, мониторинга окружающей среды и контрольно-измерительной аппаратуре. Их достоинствами является способность работать в присутствии механических нагрузок, магнитных полей, ионизирующих излучений, а также при воздействии различных дестабилизирующих факторов окружающей среды (см., например, Багдасарян С. И др. «ПАВ-датчики дистанционного контроля физических величин, Электроника. Наука, Технология, Бизнес», 2008, №1, стр. 46-51).Acoustoelectronic components based on body and surface acoustic waves have been widely used for several decades in all modern systems of radar, communications, television, navigation, environmental monitoring and instrumentation. Their advantages are the ability to work in the presence of mechanical loads, magnetic fields, ionizing radiation, as well as under the influence of various destabilizing environmental factors (see, for example, Bagdasaryan S. et al. “SAW Sensors for Remote Monitoring of Physical Quantities, Electronics. Science, Technology, Business ”, 2008, No. 1, pp. 46-51).

В последние годы все более актуальными становятся задачи исследования физических процессов в условиях экстремальных температур, в связи с чем одним из основных направлений развития акустоэлектроники является разработка датчиков физических величин, в т.ч. выполненных по ПАВ-технологии (см., например, Гуляев Ю.В. «Акустоэлектроника (исторический обзор)», УФН, т. 175, №8, стр. 887-895, 2005, а также патент US, 9076956 и опубликованные патентные заявки US, Patent Appln. 2012/0242190 и US, Patent Appln. 2012/0306315; US, Patent Appln. 2018/0323366; выложенная патентная заявка Japanese Pat. Laid-Open No. 2004-534222).In recent years, the tasks of studying physical processes at extreme temperatures have become increasingly relevant, and therefore, one of the main directions of development of acoustoelectronics is the development of sensors of physical quantities, including made by SAW technology (see, for example, Gulyaev Yu.V. “Acoustoelectronics (historical review)”, Usp. Fiz., vol. 175, No. 8, pp. 887-895, 2005, as well as US patent 9076956 and published patent US Patent Appln. 2012/0242190 and US Patent Appln. 2012/0306315; US Patent Appln. 2018/0323366; Japanese Patent Laid-Open No. 2004-534222).

Радиочастотные датчики на ПАВ являются пассивными устройствами, не требующими источников питания, что позволяет их использовать в труднодоступных местах и на движущихся объектах, где необходимо контролировать изменение параметров внешней среды (см. опубликованные патентные заявки US, Patent Appln. 2007/0064765 и US, Patent Appln. 2014/0327340).Radio frequency sensors on surfactants are passive devices that do not require power sources, which allows them to be used in hard-to-reach places and on moving objects where it is necessary to control changes in environmental parameters (see published patent applications US, Patent Appln. 2007/0064765 and US, Patent Appln. 2014/0327340).

В уровне техники имеется потребность в разработке конструкции чувствительных элементов (сенсоров) на ПАВ, которые должны не только обеспечить с высокой точностью преобразование изменения внешнего давления в радиочастотный сигнал пропорционально величине этого изменения (0-50 атм.), но и быть работоспособными в условиях экстремальных температур в диапазоне температур от минус 60°С до плюс 500°С,включительно.In the prior art there is a need to develop the design of sensitive elements (sensors) for surfactants, which should not only ensure with high accuracy the conversion of changes in external pressure into a radio frequency signal in proportion to the magnitude of this change (0-50 atm.), But also be operational in extreme conditions temperatures in the temperature range from minus 60 ° С to plus 500 ° С, inclusive.

В настоящее время известны различные типы датчиков на ПАВ (в основном это датчики температуры), работающие в диапазоне температур, как правило, ограниченном не выше 300-350°С, что обусловлено физическими свойствами используемых материалов для чувствительного элемента, (см., например, патенты US, 4772130; US, 7434989, а также Кондратьев С.Н. и др. «Датчики давления на основе резонаторов поверхностных акустических волн», Электронная техника, сер. Управление качеством, стандартизация, метрология, испытания, 1984, вып. 3 (108), стр. 56-57; Крышталь Р.Г. и др. «Устройства на поверхностных акустических волнах для чувствительных элементов датчиков температуры, Радиотехника и электроника», 2017, т. 62. №3, стр. 292-299).Currently, various types of sensors for surfactants are known (mainly temperature sensors), operating in the temperature range, usually limited to no higher than 300-350 ° C, due to the physical properties of the materials used for the sensitive element (see, for example, US patents, 4772130; US, 7434989, as well as S. N. Kondratyev and others “Pressure sensors based on resonators of surface acoustic waves”, Electronic Engineering, Ser. Quality Management, Standardization, Metrology, Testing, 1984, issue 3 ( 108), pp. 56-57; Kryshtal R.G. et al. “Devices surface acoustic wave sensing elements for temperature sensors, Technology and Electronics ", 2017, t. 62. №3, pp. 292-299).

В мировой практике при изготовлении датчиков на ПАВ обычно применяют пьезоэлектрические подложки кварца (см. патент US, 7677087 и патент US, 7000298), ниобата лития (US, 8508102) или танталата лития. Однако чувствительные элементы из кварца имеют ограничения по рабочей температуре вследствие наличия фазового перехода кварца из α-фазы в β-фазу (см., например, Haines J., Cambon О., Keen D., Tucker M., Dove M. "Structural disorder and loss of piezoelectric properties in α-quartz at high temperature", Applied Physics Letters, 2002, v., 81, p. 2968). Такой процесс фазового перехода начинается при температурах 300-350°С и заканчивается при температуре 535°С. Кристаллы ниобата лития и танталата лития в отличие от кристаллов кварца имеют более высокую температуру фазового перехода (температура Кюри 1143°С и 603°С, соответственно), однако они являются сильными пироэлектриками, в которых при изменении температуры окружающей среды возникают паразитные электрические заряды в межэлектродных областях встречно-штыревого преобразователя (ВШП), приводящие к электрическому пробою электродной структуры (см., например, Сотников А.В., Kunze R., Schmidt Н., Weihnacht М., Hengst М.,

J. «Пьезоэлектрические и упругие свойства монокристаллов Sr₃NbGa₃Si₂O₁₄ (SNGS)», ФТТ, 2009, т. 51, №2, стр. 261-264). Пироэлектрический эффект резко ограничивает использование кристаллов ниобата лития и танталата лития для чувствительных элементов на ПАВ в условиях высоких температурных градиентов.In world practice, in the manufacture of sensors for surfactants, piezoelectric substrates of quartz (see US patent 7677087 and US patent 7000298), lithium niobate (US, 8508102) or lithium tantalate are usually used. However, sensitive elements from quartz have limitations in operating temperature due to the phase transition of quartz from the α phase to the β phase (see, for example, Haines J., Cambon O., Keen D., Tucker M., Dove M. "Structural disorder and loss of piezoelectric properties in α-quartz at high temperature ", Applied Physics Letters, 2002, v. 81, p. 2968). Such a phase transition process begins at temperatures of 300-350 ° C and ends at a temperature of 535 ° C. Unlike quartz crystals, lithium niobate and lithium tantalate crystals have a higher phase transition temperature (Curie temperatures of 1143 ° C and 603 ° C, respectively), but they are strong pyroelectrics in which parasitic electric charges arise in the interelectrode when the ambient temperature changes areas of the interdigital transducer (IDT), leading to electrical breakdown of the electrode structure (see, for example, Sotnikov A.V., Kunze R., Schmidt N., Weihnacht M., Hengst M.,

J. “Piezoelectric and elastic properties of Sr ₃ NbGa ₃ Si ₂ O ₁₄ (SNGS) single crystals”, FTT, 2009, v. 51, No. 2, pp. 261-264). The pyroelectric effect sharply limits the use of lithium niobate and lithium tantalate crystals for sensitive elements on surfactants under conditions of high temperature gradients.

Кроме этого, предъявляются жесткие требования к материалам корпуса. С одной стороны, корпус должен обеспечить не только функционирование акустоэлектронного устройства при экстремально высоких температурах, но и защиту от дестабилизирующих факторов. С другой стороны, материал, из которых изготовлен корпус, должен быть согласован по коэффициенту температурного расширения (КТР) с материалом чувствительного элемента.In addition, stringent requirements are imposed on body materials. On the one hand, the case must provide not only the operation of the acoustoelectronic device at extremely high temperatures, but also protection from destabilizing factors. On the other hand, the material of which the housing is made must be matched according to the coefficient of thermal expansion (CTE) with the material of the sensing element.

Использование известных материалов для изготовления корпусов чувствительных элементов, таких как металлостеклянные, металлокерамические, монолитные керамические и композиционные материалы, имеет ограничения по верхнему пределу рабочей температуры.The use of well-known materials for the manufacture of cases of sensitive elements, such as metal-glass, cermet, monolithic ceramic and composite materials, has limitations on the upper limit of the operating temperature.

Таким образом, существует проблема поиска материалов как для высокотемпературных чувствительных элементов на ПАВ, так и для корпусов, пригодных обеспечить работу чувствительных элементов для датчиков давления при температурах в диапазоне до 500°С, включительно.Thus, there is the problem of finding materials for both high-temperature sensitive elements at surfactants and for housings suitable to ensure the operation of sensitive elements for pressure sensors at temperatures in the range up to 500 ° C, inclusive.

В рамках данной заявки решается задача разработки такой конструкции высокотемпературного чувствительного элемента на ПАВ для датчиков давления, которая позволила бы расширить интервал рабочих температур датчиков до температуры 500°С, включительно. Решается также задача сохранения точности и надежности измерения давления в диапазоне до 50 атм. за счет минимизации погрешностей измерений, обусловленных механическими напряжениями, возникающими в структуре чувствительного элемента при экстремальных температурах.In the framework of this application, the task of developing such a design of a high-temperature sensitive element on a surfactant for pressure sensors is solved, which would allow to expand the range of operating temperatures of sensors to a temperature of 500 ° C, inclusive. The problem of preserving the accuracy and reliability of pressure measurement in the range up to 50 atm is also being solved. by minimizing measurement errors due to mechanical stresses arising in the structure of the sensitive element at extreme temperatures.

Поставленная задача решается тем, что высокотемпературный чувствительный элемент на поверхностных акустических волнах для датчиков давления состоит из двух пьезоэлектрических пластин, каждая из которых имеет рабочую сторону и нерабочую сторону, причем толщина первой пьезоэлектрической пластины в 3-6 раз меньше толщины второй пьезоэлектрической пластины, а рабочая сторона второй пьезоэлектрической пластины имеет углубление в форме мезаструктуры, при этом указанные пластины соединены друг с другом рабочими сторонами неразъемным соединением с образованием герметичной полости и выполнены из идентичного монокристаллического материала семейства лангасита, а также имеют идентичную кристаллографическую ориентацию, кроме того, пластины имеют идентичные форму и размеры в плоскости неразъемного соединения, при этом на рабочей стороне первой пластины, обращенной в сторону герметичной полости, выполнены, по крайней мере, два резонатора и контактные площадки, одна из которых обеспечивает гальваническую связь, а другая емкостную связь для вывода радиочастотного сигнала.The problem is solved in that the high-temperature sensitive element on surface acoustic waves for pressure sensors consists of two piezoelectric plates, each of which has a working side and a non-working side, and the thickness of the first piezoelectric plate is 3-6 times less than the thickness of the second piezoelectric plate, and the working the side of the second piezoelectric plate has a recess in the form of a mesastructure, while these plates are connected to each other by working sides with an integral connection inertia with the formation of a sealed cavity and made of identical single-crystal material of the langasite family, and also have identical crystallographic orientation, in addition, the plates have identical shape and dimensions in the plane of one-piece connection, while on the working side of the first plate facing the sealed cavity at least two resonators and pads, one of which provides galvanic coupling, and the other capacitive coupling for outputting an RF signal.

Кроме того, материалом каждой из пластин является лангасит La₃Ga₅SiO₁₄ либо катангасит Ca₃TaGa₃Si₂O₁₄. Неразъемное соединение первой и второй пьезоэлектрических пластин выполнено методом диффузионной сварки с использованием серебра, а суммарная толщина первой и второй пьезоэлектрических пластин составляет величину из диапазона от 550 до 900 мкм, включительно.In addition, the material of each of the plates is La ₃ Ga ₅ SiO ₁₄ langasite or Ca ₃ TaGa ₃ Si ₂ O ₁₄ catangasite. The integral connection of the first and second piezoelectric plates is made by diffusion welding using silver, and the total thickness of the first and second piezoelectric plates is from the range from 550 to 900 microns, inclusive.

Предпочтительно, что резонаторы выполнены идентичными по амплитудно-частотным характеристикам и имеют совпадающее направление распространения акустических волн. Такое идентичное выполнение резонаторов обеспечивает как их одинаковую температурно-частотную зависимость, так и высокую чувствительность к изменению внешнего давления за счет их местоположения на первой пьезоэлектрической пластине, выполняющей функцию мембраны.It is preferable that the resonators are made identical in amplitude-frequency characteristics and have the same direction of propagation of acoustic waves. Such an identical design of the resonators provides both their identical temperature-frequency dependence and high sensitivity to changes in external pressure due to their location on the first piezoelectric plate, which acts as a membrane.

Пьезоэлектрический кристалл лангасита - ЛГС (La₃Ga₅SiO₁₄); и пьезоэлектрический кристалл катангасит - КТГС (Ca₃TaGa₃Si₂O₁₄), характеризуются отсутствием фазовых переходов вплоть до температуры плавления и пироэффекта. Кристаллы ЛГС и КТГС обладают уникальными физическими свойствами для работы в условиях экстремальных температур, в частности, высоким удельным сопротивлением и химической стойкостью, что позволяет сохранить работоспособность чувствительных элементов до предельно высоких температур. Кристаллы лангасита (ЛГС) и катангасита (КТГС) сохраняют свои пьезоэлектрические характеристики до температуры 1000-1300°С, что обеспечивает сохранение работоспособности чувствительных элементов на ПАВ, выполненных из этих материалов, для заданного интервала температур, включая 500°С.Piezoelectric langasite crystal - LGS (La ₃ Ga ₅ SiO ₁₄ ); and a piezoelectric katangasite – CTGS crystal (Ca ₃ TaGa ₃ Si ₂ O ₁₄ ) are characterized by the absence of phase transitions up to the melting temperature and pyroelectric effect. The LGS and CTGS crystals have unique physical properties for working at extreme temperatures, in particular, high resistivity and chemical resistance, which allows maintaining the performance of sensitive elements to extremely high temperatures. Crystals of langasite (LGS) and catangasite (CTGS) retain their piezoelectric characteristics to a temperature of 1000-1300 ° C, which ensures the preservation of the performance of sensitive elements on surfactants made of these materials for a given temperature range, including 500 ° C.

Сущность данной полезной модели состоит в том, что она представляет собой бескорпусную герметичную структуру чувствительного элемента на ПАВ, которая состоит из двух монокристаллических пьезоэлектрических пластин, где одна из пластин является существенно более тонкой по сравнению с другой пластиной и выполняет функцию мембраны, тогда как другая пластина выполнена с углублением в форме мезаструктуры. Указанные пластины соединены между собой неразъемным диффузионным сварочным швом с образованием герметичной полости, где на рабочей стороне первой пьезоэлектрической пластины (мембраны) сформированы резонаторы, и которая определяет чувствительность сенсора к внешнему воздействию. Оптимальное расположение резонаторов на его поверхности обеспечивает максимальную чувствительность. Неразъемное соединение пьезоэлектрических пластин выполнено путем диффузионной сварки с использованием серебра.The essence of this utility model consists in the fact that it is an open-air hermetic structure of a sensitive element on a surfactant, which consists of two single-crystal piezoelectric plates, where one of the plates is significantly thinner than the other plate and acts as a membrane, while the other plate made with a recess in the form of a mesastructure. These plates are interconnected by a one-piece diffusion weld to form a sealed cavity where resonators are formed on the working side of the first piezoelectric plate (membrane), and which determines the sensitivity of the sensor to external influences. The optimal arrangement of resonators on its surface provides maximum sensitivity. The permanent connection of the piezoelectric plates is made by diffusion welding using silver.

Чувствительный элемент датчика предназначен для преобразования внешнего давления в изменение резонансной частоты ПАВ резонатора пропорционально изменению величины внешнего давления. Для снижения погрешности измерения величины давления, обусловленной температурными воздействиями на чувствительный элемент, его конструкция выполнена так, чтобы минимизировать влияние таких воздействий на величину измеряемого внешнего давления. Данный технический результат достигается за счет использования идентичного материала для изготовления двух пьезоэлектрических пластин чувствительного элемента, что значительно снижает возникновение в них механических напряжений. Кроме того, результат достигается за счет использования двух идентичных резонаторов, расположенных на первой пьезоэлектрической пластине и имеющих совпадающее направление распространения акустических волн, что обеспечивает одинаковую температурно-частотную зависимость резонаторов, а также существенную чувствительность к изменению внешнего давления за счет их местоположения на первой пластине, выполняющей функцию мембраны.The sensitive element of the sensor is designed to convert external pressure into a change in the resonant frequency of the surfactant of the resonator in proportion to the change in the value of the external pressure. To reduce the measurement error of the pressure caused by temperature effects on the sensitive element, its design is designed to minimize the effect of such effects on the value of the measured external pressure. This technical result is achieved through the use of identical material for the manufacture of two piezoelectric plates of the sensing element, which significantly reduces the occurrence of mechanical stresses in them. In addition, the result is achieved through the use of two identical resonators located on the first piezoelectric plate and having the same direction of propagation of acoustic waves, which provides the same temperature-frequency dependence of the resonators, as well as significant sensitivity to changes in external pressure due to their location on the first plate, acting as a membrane.

Изготовление чувствительных элементов на ПАВ для датчиков давления, согласно полезной модели, характеризуется особой технологией производства, в частности, это относится к выбору материала для формирования электродных структур резонаторов, поскольку при длительном воздействии температур порядка 500°С происходит разрушение алюминиевых электродов. Разработанная бескорпусная структура чувствительного элемента для датчиков давления на ПАВ обеспечивает герметичность чувствительного элемента и возможность использования его как в проводном, так и в беспроводном исполнении.The manufacturing of sensitive elements for surfactants for pressure sensors, according to the utility model, is characterized by a special production technology, in particular, this relates to the choice of material for the formation of the electrode structures of the resonators, since aluminum electrodes are destroyed under prolonged exposure to temperatures of about 500 ° C. The developed case-free structure of the sensitive element for pressure sensors on the surfactant ensures the tightness of the sensitive element and the possibility of using it both in wired and wireless versions.

Сущность высокотемпературного бескорпусного чувствительного элемента на ПАВ для датчиков давления, согласно данной полезной модели, поясняется графическим материалом, где:According to this utility model, the essence of a high-temperature open-frame open-cell sensing element on a surfactant for pressure sensors is illustrated by graphic material, where:

фиг. 1 изображает вертикальное сечение высокотемпературного чувствительного элемента на ПАВ для датчиков давления.FIG. 1 depicts a vertical section of a high temperature sensor on a surfactant for pressure sensors.

фиг. 2 иллюстрирует вид на рабочую сторону первой пьезоэлектрической пластины чувствительного элемента с резонаторами, контактными площадками и металлизированной поверхностью для диффузионной сварки первой и второй пьезоэлектрических пластин.FIG. 2 illustrates a view of the working side of a first piezoelectric plate of a sensing element with resonators, contact pads and a metallized surface for diffusion welding of the first and second piezoelectric plates.

Для пояснения сущности полезной модели на чертежах введены следующие обозначения: 1 - первая пьезоэлектрическая пластина; 2 - вторая пьезоэлектрическая пластина; 3 - неразъемное соединение; 4, 5 - резонаторы; 6, 7 - контактные площадки для обеспечения емкостной связи; 8 - углубление в форме мезаструктуры, 9 - контактная площадка для обеспечения гальванической связи.To clarify the essence of the utility model, the following notations are introduced in the drawings: 1 — first piezoelectric plate; 2 - the second piezoelectric plate; 3 - one-piece connection; 4, 5 - resonators; 6, 7 - contact pads for providing capacitive communication; 8 - recess in the form of a mesastructure; 9 - contact area for galvanic communication.

Высокотемпературный чувствительный элемент на поверхностных акустических волнах для датчиков давления, согласно полезной модели, состоит из первой пьезоэлектрической пластины 1 и второй пьезоэлектрической пластины 2 (см. фиг. 1). Толщина первой пьезоэлектрической пластины 1 в 3-6 раза меньше толщины второй пьезоэлектрической пластины 2. Пьезоэлектрические пластины 1 и 2, изготовленные из идентичного материала катангасита Ca₃TaGa₃Si₂O₁₄ либо лангасита La₃Ga₅SiO₁₄, имеют идентичную кристаллографическую ориентацию и соединены между собой неразъемным соединением 3, которое выполнено методом диффузионной сварки, что обеспечивает целостность и герметичность высокотемпературного чувствительного элемента на ПАВ в процессе его эксплуатации в диапазоне температур до 500°С, включительно.A high-temperature surface acoustic wave sensor for pressure sensors, according to a utility model, consists of a first piezoelectric plate 1 and a second piezoelectric plate 2 (see FIG. 1). The thickness of the first piezoelectric plate 1 is 3-6 times less than the thickness of the second piezoelectric plate 2. Piezoelectric plates 1 and 2, made of the same material of catangasite Ca ₃ TaGa ₃ Si ₂ O ₁₄ or langasite La ₃ Ga ₅ SiO ₁₄ , have identical crystallographic orientation and interconnected by an integral connection 3, which is made by diffusion welding, which ensures the integrity and tightness of the high-temperature sensitive element on the surfactant during its operation in the temperature range up to 500 ° C, VK radiantly.

Первая пьезоэлектрическая пластина 1 и вторая пьезоэлектрическая пластина 2 имеют идентичные геометрические формы и размеры в плоскости неразъемного соединения 3.The first piezoelectric plate 1 and the second piezoelectric plate 2 have identical geometric shapes and sizes in the plane of the permanent connection 3.

Рабочая сторона второй пьезоэлектрической пластины 2 имеет углубление (см. фиг. 1) в форме мезаструктуры 8, при этом указанные пластины соединены друг с другом рабочими сторонами неразъемным соединением 3 с образованием герметичной полости. На рабочей стороне первой пластины 1, обращенной в сторону полости, выполнены, по крайней мере, два резонатора 4 и 5, а также контактная площадка 7, а на нерабочей стороне первой пластины 1 выполнена контактная площадка 6. Контактные площадки 6 и 7 обеспечивают емкостную связь, а контактная площадка 9, соединенная со сварным швом 3, обеспечивает гальваническую связь.The working side of the second piezoelectric plate 2 has a recess (see Fig. 1) in the form of a mesastructure 8, while these plates are connected to each other by working sides with an integral connection 3 with the formation of a sealed cavity. At least two resonators 4 and 5, as well as a contact pad 7, are made on the working side of the first plate 1 facing the cavity, and a contact pad 6 is made on the non-working side of the first plate 1. The contact pads 6 and 7 provide capacitive coupling and the contact pad 9 connected to the weld 3 provides galvanic communication.

Принцип работы чувствительного элемента на ПАВ для датчиков давления заключается в следующем. При подаче радиочастотного электрического сигнала на контактные площадки 6 и 9, соответствующего резонансным частотам ПАВ резонаторов 4 и 5, в резонаторах возбуждаются поверхностные акустические волны вследствие возникновения обратного пьезоэффекта в пьезоэлектрических пластинах. Диапазон частот ПАВ резонаторов находится в пределах от 200 до 900 МГц, а разность резонансных частот резонаторов 4 и 5 составляет величину из диапазона от 1 до 5 МГц. При отсутствии какого-либо внешнего воздействия в виде изменения температуры или давления резонансные частоты обоих резонаторов не изменяются. При возникновении внешнего воздействия, например температуры, происходит изменение резонансных частот обоих резонаторов в соответствии с их температурно-частотными характеристиками (ТЧХ), а в силу того, что оба резонатора расположены на одной пластине и имеют одинаковое направление распространения поверхностных акустических волн, то и величина изменения резонансных частот остается постоянной для обоих резонаторов. Таким образом, определить текущее значение температуры можно по изменению частот резонаторов из заранее известной ТЧХ, где каждому изменению частоты соответствует определенное значение изменения температуры. Температурно-частотная характеристика для резонаторов определяется методом калибровочных измерений на предварительном этапе тестирования чувствительного элемента на ПАВ.The principle of operation of the sensitive element on the surfactant for pressure sensors is as follows. When a radio-frequency electric signal is applied to the contact pads 6 and 9, corresponding to the resonant frequencies of the surfactant frequencies of the resonators 4 and 5, surface acoustic waves are excited in the resonators due to the inverse piezoelectric effect in the piezoelectric plates. The frequency range of the surfactant resonators is in the range from 200 to 900 MHz, and the difference in resonant frequencies of the resonators 4 and 5 is from the range from 1 to 5 MHz. In the absence of any external influence in the form of a change in temperature or pressure, the resonant frequencies of both resonators do not change. When external influences, such as temperature, occur, the resonance frequencies of both resonators change in accordance with their temperature-frequency characteristics (TFC), and due to the fact that both resonators are located on the same plate and have the same propagation direction of surface acoustic waves, the magnitude changes in resonant frequencies remains constant for both resonators. Thus, the current temperature value can be determined by changing the resonator frequencies from a previously known frequency response, where each frequency change corresponds to a certain temperature change value. The temperature-frequency characteristic for resonators is determined by the method of calibration measurements at the preliminary stage of testing a sensitive element in a SAW.

При возникновении внешнего воздействия, в виде давления, происходит изменение резонансных частот обоих резонаторов в соответствии с их расположением на пьезоэлектрической пластине 1. Резонатор 4 расположен в области с максимальной величиной деформации, возникающей в первой пьезоэлектрической пластине 1 при приложении к ней внешнего давления. Резонатор 5 расположен на первой пьезоэлектрической пластине 1 в области с минимальной величиной деформации при этом же воздействии. Деформация, возникающая в первой пьезоэлектрической пластине при воздействии внешнего давления, приводит к изменению резонансных частот резонаторов за счет изменения их параметров: деформация растяжения увеличивает период ВШП структуры и соответственно сдвигает значение резонансной частоты в область низких частот, а деформация сжатия, наоборот, уменьшает период ВШП и повышает значение резонансной частоты. Таким образом, при возникновении внешнего давления пластина 1 изгибается в сторону углубления в форме мезаструктуры 8, а частота резонатора 4 сдвигается в область низких частот в силу возникновения деформации растяжения в области расположения резонатора 4. Резонатор 5 расположен в области пластины 1 с минимальной деформацией, в силу чего его резонансная частота практически не изменяется при возникновении внешнего давления. Исходя из выше изложенного, изменение разности частот двух резонаторов относительно исходной разности до приложения внешнего давления, пропорционально величине изменения давления. Пропорциональность разности частот двух резонаторов внешнему давлению устанавливается во время предварительных калибровочных испытаний чувствительных элементов ПАВ сенсоров.When an external action occurs, in the form of pressure, the resonance frequencies of both resonators change in accordance with their location on the piezoelectric plate 1. The resonator 4 is located in the region with the maximum strain that occurs in the first piezoelectric plate 1 when external pressure is applied to it. The resonator 5 is located on the first piezoelectric plate 1 in the region with a minimum amount of deformation under the same action. The deformation that occurs in the first piezoelectric plate when exposed to external pressure leads to a change in the resonant frequencies of the resonators due to a change in their parameters: tensile deformation increases the time of the IDT structure and, accordingly, shifts the value of the resonant frequency to the low frequency region, and compression deformation, on the contrary, reduces the IDT and increases the value of the resonant frequency. Thus, when external pressure occurs, the plate 1 bends towards the recess in the form of a mesastructure 8, and the frequency of the resonator 4 shifts to the low frequency region due to tensile strain in the region of the resonator 4. The resonator 5 is located in the region of the plate 1 with minimal deformation, in due to which its resonant frequency practically does not change when external pressure occurs. Based on the foregoing, the change in the frequency difference of two resonators relative to the initial difference before applying external pressure is proportional to the magnitude of the pressure change. The proportionality of the frequency difference of the two resonators to the external pressure is established during preliminary calibration tests of the sensitive elements of the SAW sensors.

При возникновении внешнего воздействия в виде температуры и/или давления, изменение температуры определяется по величине изменения частоты резонатора 5 относительно исходного состояния (например, комнатная температура), а изменение давления - по разности частот резонаторов 4 и 5. Для резонатора 5 проводятся предварительные калибровочные испытания при воздействиях температуры и давления.When external influences occur in the form of temperature and / or pressure, the temperature change is determined by the change in the frequency of the resonator 5 relative to the initial state (for example, room temperature), and the change in pressure is determined by the difference in the frequencies of the resonators 4 and 5. For resonator 5, preliminary calibration tests are carried out under the influence of temperature and pressure.

В силу того, что первая пьезоэлектрическая пластина 1 имеет значительно меньшую толщину по отношению к толщине второй пьезоэлектрической пластины 2, то величина деформации в первой пьезоэлектрической пластине 1 значительно выше, чем в пластине 2. Данная конструкция чувствительного элемента обеспечивает высокую чувствительность к воздействию внешнего давления.Due to the fact that the first piezoelectric plate 1 has a significantly smaller thickness with respect to the thickness of the second piezoelectric plate 2, the strain in the first piezoelectric plate 1 is much higher than in the plate 2. This design of the sensitive element provides high sensitivity to external pressure.

Пример 1.Example 1

Пьезоэлектрическая пластина 1 выполнена из материала семейства лангасита и имеет рабочую сторону и нерабочую сторону, где материалом пластины является катангасит Ca₃TaGa₃Si₂O₁₄, при этом рабочая сторона пластины 2 имеет форму обратной мезаструктуры 8 (см. фиг. 1) с размером 10×15 мм. Рабочая сторона каждой пластины имеет шероховатость Ra не более 0,01 мкм, при этом нерабочие стороны пластин имеют шероховатость Ra не более 0,5 мкм.The piezoelectric plate 1 is made of material of the langasite family and has a working side and a non-working side, where the plate material is catangasite Ca ₃ TaGa ₃ Si ₂ O ₁₄ , while the working side of the plate 2 has the shape of the inverse mesostructure 8 (see Fig. 1) with a size 10 × 15 mm. The working side of each plate has a roughness Ra not exceeding 0.01 μm, while the non-working sides of the plates have a roughness Ra not exceeding 0.5 μm.

Углубление в форме мезаструктуры 8, выполненное во второй пьезоэлектрической пластине, обеспечивает свободу колебаний поверхностных акустических волн резонаторов 4 и 5, расположенных на первой пьезоэлектрической пластине 1. На рабочей стороне сформирован слой металлизации серебра (Ag) для выполнения методом диффузионной сварки неразъемного соединения 3 между первой и второй пьезоэлектрическими пластинами 1 и 2.The recess in the form of a mesastructure 8, made in the second piezoelectric plate, provides freedom of oscillation of the surface acoustic waves of the resonators 4 and 5 located on the first piezoelectric plate 1. On the working side, a silver metallization layer (Ag) is formed to perform an indispensable method of diffusion welding of the permanent connection 3 between the first and the second piezoelectric plates 1 and 2.

Пьезоэлектрическая пластина 2, изготовленная из того же пьезоэлектрического материала, что и пластина 1, имеет такие же форму и размеры по длине и ширине в плоскости неразъемного соединения 3. При этом толщина пластины 1 меньше толщины пластины 2 в 4 раза, что обеспечивает высокую чувствительность сенсора к внешнему гидростатическому давлению. На рабочей стороне пластины 1 сформированы резонаторы 4 и 5, а также контактная площадка 7. Контактная площадка 6 размещена на нерабочей стороне пластины 1. Контактные площадки 6 и 7 обеспечивают емкостную электрическую связь ПАВ резонаторов. Для диффузионной сварки используется серебряная пленка, нанесенная на пластины методом магнетронного вакуумного напыления. Пленка толщиной 2-3 мкм наносится на каждую из свариваемых пьезоэлектрических пластин 1 и 2 и используется для формирования неразъемного соединения 3 и гальванической связи с контактной площадкой 9.The piezoelectric plate 2, made of the same piezoelectric material as the plate 1, has the same shape and dimensions along the length and width in the plane of the permanent connection 3. Moreover, the thickness of the plate 1 is less than the thickness of the plate 2 by 4 times, which ensures high sensitivity of the sensor to external hydrostatic pressure. On the working side of the plate 1, resonators 4 and 5 are formed, as well as a contact pad 7. The contact pad 6 is located on the non-working side of the plate 1. The contact pads 6 and 7 provide capacitive electrical coupling of the surfactant resonators. For diffusion welding, a silver film is applied, deposited on the plate by the method of magnetron vacuum deposition. A film with a thickness of 2-3 μm is applied to each of the welded piezoelectric plates 1 and 2 and is used to form a permanent connection 3 and galvanic connection with the contact pad 9.

Первая пьезоэлектрическая пластина 1 и вторая пьезоэлектрическая пластина 2 соединены между собой методом диффузионной сварки, которая обеспечивает целостность и герметичность высокотемпературного чувствительного элемента на ПАВ в период его эксплуатации при температурах в диапазоне до 500°С, включительно.The first piezoelectric plate 1 and the second piezoelectric plate 2 are interconnected by diffusion welding, which ensures the integrity and tightness of the high-temperature sensitive element on the surfactant during its operation at temperatures in the range up to 500 ° C, inclusive.

После формирования неразъемного соединения 3 пластин 1 и 2 методом диффузионной сварки, чувствительный элемент на ПАВ подвергается механической односторонней шлифовке с нерабочей стороны первой пьезоэлектрической пластины 1 до толщины 100-150 мкм.After the formation of an integral connection of 3 plates 1 and 2 by diffusion welding, the sensitive element on the surfactant is subjected to mechanical one-sided grinding from the non-working side of the first piezoelectric plate 1 to a thickness of 100-150 μm.

Суммарная толщина чувствительного элемента на ПАВ после диффузионной сварки составляет 1000 мкм, а исходная толщина каждой из пьезоэлектрических пластин составляет величину 500 мкм, при этом после шлифовки пластины 1 суммарная толщина чувствительного элемента имеет величину 600-650 мкм.The total thickness of the sensor element on the surfactant after diffusion welding is 1000 μm, and the initial thickness of each of the piezoelectric plates is 500 μm, and after grinding the plate 1, the total thickness of the sensor element is 600-650 μm.

Выполнение односторонней шлифовки только одной из двух пьезоэлектрических пластин, связанных между собой механически неразъемным сварочным швом, позволяет сформировать из пластины 1 мембрану с расположенными на ее рабочей стороне резонаторами. Такой прием односторонней шлифовки исключает необходимость выполнения операции по соединению чувствительного элемента с внешней мембраной, что особенно важно, когда датчик (сенсор) должен работать при высоких температурах.Performing one-sided grinding of only one of the two piezoelectric plates, interconnected by a mechanically one-piece welding seam, allows the formation of a membrane from plate 1 with resonators located on its working side. This method of single-sided grinding eliminates the need to perform the operation of connecting the sensitive element to the external membrane, which is especially important when the sensor (sensor) must work at high temperatures.

После шлифовки на нерабочей стороне пластины 1 формируются методом магнетронного вакуумного напыления металлизированные контактные площадки.After grinding, on the non-working side of the plate 1, metallized contact pads are formed by magnetron vacuum deposition.

Данная структура высокотемпературного чувствительного элемента на ПАВ для автономных датчиков давления позволяет применять их как в проводном, так и в беспроводном исполнении с передачей информации об изменении давления по радиоканалу, что повышает их автономность.This structure of a high-temperature sensitive element on a surfactant for autonomous pressure sensors allows you to use them both in a wired and in a wireless version with the transmission of information about pressure changes over the air, which increases their autonomy.

Конструкция чувствительного элемента на ПАВ для датчиков давления, выполненного согласно данной полезной модели, обладает высокой чувствительностью к давлению и обеспечивает надежное функционирование чувствительных элементов на ПАВ в экстремальных условиях эксплуатации при температурах до 500°С, включительно.The design of the sensor element on the surfactant for pressure sensors made in accordance with this utility model is highly sensitive to pressure and ensures the reliable operation of the sensor elements on the surfactant in extreme operating conditions at temperatures up to 500 ° C, inclusive.

Claims

1. A high-temperature sensor on surface acoustic waves for pressure sensors, consisting of two piezoelectric plates, each of which has a working side and a non-working side, the thickness of the first piezoelectric plate 3-6 times less than the thickness of the second piezoelectric plate, and the working side of the second piezoelectric the plate has a recess in the form of a mesastructure, while these plates are connected to each other by the working sides in one piece with the formation of a tight th cavity and are made of identical monocrystalline material of the langasite family, and also have identical crystallographic orientation, in addition, the plates have identical shape and dimensions in the plane of one-piece connection, while at least the at least one plate facing the cavity is made , two resonators and pads, one of which provides galvanic coupling, and the other provides capacitive coupling for outputting an RF signal.

2. The device according to claim 1, characterized in that the identical monocrystalline material of each of the plates is langasite La ₃ Ga ₅ SiO ₁₄ or catangasite Ca ₃ TaGa ₃ Si ₂ O ₁₄ .

3. The device according to claim 1, characterized in that the one-piece connection of the plates to each other is made by diffusion welding using silver.

4. The device according to p. 1, characterized in that the total thickness of the first and second piezoelectric plates is a value from the range from 550 to 900 microns.

5. The device according to p. 1, characterized in that the resonators are made identical in amplitude-frequency characteristics and have the same direction of propagation of acoustic waves.

6. The device according to claim 1, characterized in that the working side of the first piezoelectric plate has a roughness Ra of not more than 0.01 μm, while the non-working side of the first piezoelectric plate has a roughness Ra of not more than 0.5 μm.