RU2047173C1

RU2047173C1 - Fast-action technological humidity sensor of surface acoustic waves

Info

Publication number: RU2047173C1
Application number: RU92010768A
Authority: RU
Inventors: Я.Е. Мельцер
Original assignee: Опытное конструкторское бюро "Павика"
Priority date: 1992-12-09
Filing date: 1992-12-09
Publication date: 1995-10-27

Abstract

FIELD: measurement technology. SUBSTANCE: invention is intended for control of moisture concentration in gas-and-air mixtures and their flows. Fast-action technological humidity sensor on surface acoustic waves has self-excited amplifier and sorption SAW resonator sensitive element manufactured on monocrystalline backing and including thin-film metal strip structure. In SAW resonator sensitive element backing is produced from quartz, thin-film structure of reflectors and converters is fabricated with vanadium boundary layer. Its thickness is chosen of order of known thickness of adhesive vanadium layer. High-sorption film of known composition of minimal thickness within bounds of monomolecular one can be deposited on working surface of backing under laminar thin-film structure. EFFECT: increased speed of action, improved adaptability to manufacture. 2 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к неразрушающему контролю и может быть использовано для контроля концентрации влаги в газовоздушных смесях и их потоках. The invention relates to non-destructive testing and can be used to control the moisture concentration in air-gas mixtures and their flows.

Известен датчик для контроля концентрации газов, выполненный на ПАВ чувствительных элементах [1]
Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату является датчик влажности на поверхностных акустических волнах (ПАВ), содержащий автогенераторный усилитель и сорбционный ПАВ резонаторный чувствительный элемент, выполненный на монокристаллической подложке и имеющий тонкопленочную металлическую полосковую структуру, включающую встречно-штыревые преобразователи [2]
Недостатком датчика является низкое быстродействие и технологичность.A known sensor for monitoring gas concentration, made on SAW sensitive elements [1]
The closest to the invention in technical essence and the achieved result is a humidity sensor on surface acoustic waves (SAW), containing a self-oscillating amplifier and a sorption surfactant resonant sensitive element made on a single crystal substrate and having a thin-film metal strip structure, including interdigital transducers [2]
The disadvantage of the sensor is the low speed and adaptability.

Задача изобретения повышение быстродействия и технологичности датчика. The objective of the invention is the increase in speed and manufacturability of the sensor.

Указанная задача решается за счет того, что в ПАВ чувствительном резонансном элементе подложка выполнена из кварца, полосковая структура включает резонаторные отражатели и имеет ванадиевый пограничный слой, толщина которого соответствует толщине адгезионного слоя ванадия. При этом на рабочую поверхность подложки под полосковой тонкопленочной структурой может быть нанесена высокосорбционная пленка известного состава минимальной, в пределе мономолекулярной, толщины. This problem is solved due to the fact that the substrate in the surfactant sensitive resonant element is made of quartz, the strip structure includes resonator reflectors and has a vanadium boundary layer, the thickness of which corresponds to the thickness of the vanadium adhesive layer. At the same time, a highly sorption film of known composition with a minimum, in the limit of monomolecular, thickness can be deposited on the working surface of the substrate under the strip thin-film structure.

На чертеже схематически изображен датчик. The drawing schematically shows a sensor.

На чертеже показаны: чувствительный элемент с монокристаллической кварцевой пьезоэлектрической подложкой 1, его тонкопленочные полосковoй структуры отражатели 2 и 3, состоящие из полосок 2.2 и 3₁.3n, замыкающие их между собой шин 11 и 12 встречно-штыревых преобразователей 4 и 5, состоящих из полосок 4₁.4n и 5₁.5n, соединенных в каждом преобразователе парой контактных площадок, соответственно, 13 и 14, 15 и 16. Первые площадки из этих пар 13 и 15 соединены с корпусом, вторые площадки 14 и 16 соединены автогенераторным усилителем 6, выход которого соединен с регистрирующим устройством 7 (вторичным преобразователем). Кроме того, на фигуре также показаны: типичная трехслойная полосковая пленочная структура, адгезионный слой ванадия толщиной h 8, слой алюминия 9 и верхний слой 10 также ванадия, также толщиной h.The drawing shows: a sensitive element with a monocrystalline quartz piezoelectric substrate 1, its thin-film strip structure reflectors 2 and 3, consisting of strips 2.2 and 3 ₁ .3n, closing them between the buses 11 and 12 of the interdigital transducers 4 and 5, consisting of strips 4 ₁ .4n and 5 ₁ .5n, connected in each transducer by a pair of contact pads, respectively 13 and 14, 15 and 16. The first pads of these pairs 13 and 15 are connected to the housing, the second pads 14 and 16 are connected by a self-oscillating amplifier 6 whose output is connected to reg stripping device 7 (secondary Converter). In addition, the figure also shows: a typical three-layer strip film structure, an adhesive layer of vanadium with a thickness of h 8, an aluminum layer 9 and an upper layer 10 also of vanadium, also of a thickness h.

Позицией 17 обозначена сортирующая поверхность, d период полосок отражателей 2 и 3 и преобразователей 4 и 5. 17 denotes a sorting surface, d the period of the strips of reflectors 2 and 3 and converters 4 and 5.

Рабочая поверхность подложки находится в контакте с окружающей контролируемой газовоздушной средой. The working surface of the substrate is in contact with the surrounding controlled gas environment.

Датчик работает следующим образом. The sensor operates as follows.

При включении питания и автогенераторного усилителя 6 автогенератор, содержащий этот усилитель и чувствительный элемент, начинает вырабатывать информативный электрический сигнал с частотой, равной резонансной частоте чувствительного элемента. Последняя определяется в свою очередь, кроме геометрических и физико-химических характеристик ПАВ-резонатора аналогично по указанному выше, также и количеством сорбированных поверхностью подложки 1 молекул водяного пара. Именно эта частота, измеряемая регистрирующим устройством 8, таким образом, и отображает влажность. When you turn on the power and the oscillator amplifier 6, the oscillator containing this amplifier and the sensing element begins to generate an informative electric signal with a frequency equal to the resonant frequency of the sensing element. The latter is determined in turn, in addition to the geometric and physico-chemical characteristics of the SAW resonator, similarly to the above, also by the number of water vapor molecules sorbed by the surface of the substrate 1. It is this frequency, measured by the recording device 8, and thus displays the humidity.

Нанесение по п. 2 формулы высокосорбционной пленки известного состава, увеличивает чувствительность предлагаемого чувствительного элемента. При этом указанная малая толщина обеспечивает малость диффузии (в предельном случае мономолекулярности ее отсутствие) и, соответственно также высокое быстродействие. Application according to claim 2 of the formula of a highly sorption film of known composition increases the sensitivity of the proposed sensitive element. Moreover, the specified small thickness provides a small diffusion (in the limiting case of monomolecularity, its absence) and, accordingly, also high speed.

Таким образом, предлагаемый датчик дает значительный выигрыш как по быстродействию, так и по технологичности. Thus, the proposed sensor provides significant gains in both speed and manufacturability.

Claims

1. A FAST TECHNOLOGICAL HUMIDITY SENSOR ON SURFACE ACOUSTIC WAVES (SAW), containing a self-oscillating amplifier and a sorption SAW resonator sensitive element, made on a single crystal substrate and having a thin-film metal strip structure, which includes a sensitive element, which is sensitive to the substrate is made of quartz, the strip structure includes resonant reflectors and has a vanadium boundary layer, the thickness of which th corresponds to the thickness of the adhesive layer of vanadium.

2. The humidity sensor according to claim 1, characterized in that on the working surface of the substrate with a thin-film strip structure, a highly sorption film of known composition is deposited with a minimum minimum monomolecular thickness in the limit.