Интеллектуальные акустические сенсоры для УЗИ. Сенсоры для сейсморазведки. Сенсоры на ПАВ

7.4. Сенсоры на поверхностных акустических волнах

До сих пор мы рассматривали сенсоры, которые используют акустические волны в объеме газов, жидкостей или твердых тел. Но есть еще и большая группа сенсоров, в которых используется распространение акустических волн по поверхности твердых тел или в их приповерхностной области. Такие волны называют поверхностными акустическими волнами (ПАВ) и соответственно приповерхностными акустическими волнами (ППАВ). Для возбуждения и детектирования ПАВ и ППАВ используют прямой и обратный пьезоэлектрический эффект, который будет описан в следующем разделе. Чаще всего с этой целью на поверхности пьезокристалла, пьезокерамики или на пьезоэлектрической пленке формируют так называемые встречно-штыревые преобразователи (ВШП). Это – электроды, имеющие форму гребенки, в которых длина каждого штыря намного больше ширины ( рис. 7.11).

Рис. 7.11. Принцип действия сенсоров на ПАВ: 1 – встречно-штыревые преобразователи электрического сигнала в ПАВ; 2 – встречно-штыревые преобразователи ПАВ в электрический сигнал

Когда на ВШП 1 подается переменное напряжение, в пьезоэлектрическом материале возникают волны механического сжатия и растяжения с частотой переменного напряжения. Если расстояние между штырями равняется длине волны, то волны от всех штырей оказываются синфазными и усиливают одна другую. Возникает сильная резонансная поверхностная акустическая волна. Скорость распространения ПАВ в пьезоматериалах составляет 3,8-4,2 км/с. Поэтому ПАВ с частотой 1 ГГц имеет длину волны приблизительно 4 мкм. Распространяясь вдоль поверхности пьезоэлектрика, ПАВ проходит расстояние в 1 мм приблизительно за 250 нс. Когда волна доходит до электродов 2, она становится причиной возникновения между парой соседних штырей переменного электрического напряжения той же частоты. Колебания напряжения между соседними парами штырей, складываются. Поэтому напряжение на выходе ВШП оказывается наибольшим в случае совпадения их фаз, т.е. тогда, когда расстояние между штырями соседних пар равняется длине волны.

Таким образом, геометрическая структура ВШП обеспечивает высокую избирательность приборов на ПАВ. Если эта структура строго периодическая, то она функционирует как высокодобротный частотный фильтр. Если же должны приниматься лишь сигналы, определенным образом модулированные по амплитуде, частоте, фазе и т.п., то используется и соответствующая геометрическая структура ВШП. Прибор на ПАВ функционирует тогда как высокоэффективный коррелятор, выдающий на выходе пик напряжения только тогда, когда пространственно-временная структура поверхностной акустической волны точно совпадает с геометрической структурой ВШП. Прибор фазируется и синхронизируется с сигналом, который поступает на его вход, автоматически, т.е. сам (!) и только в момент полного совпадения структуры волны и структуры ВШП. Именно по этим причинам приборы на ПАВ широко используют в современной радиотехнике: и в мобильной радиосвязи, и в системе глобального ориентирования GSM, в системах цифровой и локальной беспроводной связи и т.п. [ [ 30 ] , [ 115 ] , [ 161 ] , [ 169 ] , [ 229 ] , [ 261 ] ]. С применением ВШП и ПАВ построены эффективные фильтры промежуточной частоты, выходные и многомодовые фильтры, калиброванные линии задержки с очень малым затуханием, фильтры Найквиста для цифрового телевидения и цифровой радиосвязи, линии задержки для кодового и временного разделения каналов, фильтры систем волоконно-оптической связи, синхронные и асинхронные конвольверы и т.д.

7.4.1. Применение ПАВ для автоматической радиоидентификации

Интересным применением относительно дешевых сенсоров на ПАВ стала автоматическая радиоидентификация багажа, контейнеров, транспортных единиц, важных почтовых отправлений. Схема их радиоидентификации показана на рис. 7.12. В багаж, подлежащий бдительному контролю, за дополнительную плату вкладывают небольшой радиоидентификатор с индивидуальным кодом. В аэропортах, на вокзалах, в морских или речных портах, на транспортных узлах и контрольных пунктах устанавливают системы автоматической радиоидентификации. В состав такой системы входит микрокомпьютер 1, принимающий через каналы связи запросы на проверку контролируемых грузов. Получив запрос с кодами контролируемых грузов, он через генератор 2 и радиоантенну 3 автоматически организует излучение фазо-манипулированных радиосигналов на частоте порядка 1 ГГц с позывными соответствующих грузов. Радиоидентификаторы, вложенные в грузы, принимают эти позывные, усиливают и подают на свой индивидуальный ПАВ селектор.

Несколько упрощенная топология ВШП в таком селекторе, соответствующая коду 110011011, показана на рис. 7.12 внизу. Двоичным "0" и "1" соответствует различное подключение пары соседних штырей. В реальных устройствах длина индивидуального кода достигает 128 бит и более. Пик напряжения на выходе такого селектора появляется только тогда, когда код позывного сигнала точно совпадает с его собственным индивидуальным кодом. Лишь в этом случае, радиоидентификатор "откликается" на позывной сигнал, посылая в ответ свой код.

Рис. 7.12. Схема функционирования системы радиоидентификации багажа. Внизу – структура ВШП, соответствующая коду "110011011"

Этот отклик принимается антенной 3, усиливается радиоприемником 4 и передается на фазовый детектор 5, который формирует двоичный код. Микрокомпьютер 1 сравнивает этот код с кодом контролируемого груза и, если они совпадают, фиксирует это в своей памяти. Затем с помощью генератора 2 и радиоантенны 3 излучаются позывные следующего контролируемого груза, и процесс повторяется. После обработки всего запроса микрокомпьютер формирует ответ на него и через каналы связи автоматически информирует запрашивающего о наличии или отсутствии в данном контрольном пункте соответствующих грузов.

Аналогичные сенсоры на ПАВ используют также для радиоидентификации автомобилей [ [ 168 ] ].

О физике пьезоэлектриков и современных пьезоэлектрических материалах, применяемых для создания устройств на ПАВ, можно прочитать в [ [ 157 ] ].

7.4.2. Конструкции сенсоров на ПАВ

Высокая избирательность устройств на ПАВ, их устойчивость против шумов и помех, успешное применение для их создания микросистемных технологий обусловили то, что в последнее десятилетие активизировались разработки на их основе и других разнообразных высокочувствительных сенсоров. Используются несколько основных конструкций сенсоров на ПАВ: на поверхности толстой (кремниевой) основы 1 ( рис. 7.13,а) и на тонкой мембране ( рис. 7.13,б). В последнем случае мембрану 2 получают путем анизотропного травления толстой основы 1. На поверхности формируют встречно-штыревые электроды 3, поверх которых наносят пьезоэлектрические пленки 4. Над той частью поверхности, вдоль которой распространяются поверхностные акустические волны 5, возникает чувствительная зона 6. "Чувствительна" она в том смысле, что скорость распространения ПАВ, их амплитуда, фаза, частота оказываются очень подвержены влиянию многих факторов: давления, температуры, химического состава внешней среды. Появление в этой зоне даже незначительной дополнительной массы меняет скорость распространения волны 5, ее интенсивность, вследствие чего между переменным электрическим напряжением на входе и на выходе ВШП возникает дополнительная разность фаз и амплитуд. Измеряя эту разницу, можно определить величину дополнительной массы. Сенсоры на мембране оказались чувствительнее, чем сенсоры на толстой основе.

Рис. 7.13. Возможные конструкции сенсоров на ПАВ: а) на толстой основе; б) на пьезоэлектрической пленке; в) с отражателем ПАВ

Вариантом конструктивного исполнения сенсоров на мембране является формирование ВШП не с одной стороны пьезоэлектрической пленки, а с обеих, как это показано на рис. 7.13,в, и использование отражателя ПАВ 7. В этом варианте один и тот же пьезоэлектрический узел 3 используется и как излучатель, и как приемник ПАВ. Поскольку волна проходит расстояние к отражателю 7 и обратно, то при сохранении предыдущих размеров время распространения волны оказывается вдвое больше. Это дает выигрыш в чувствительности. Если же зафиксировать время распространения волны, то ПАВ элемент такой же чувствительности становится на 30-40% короче.

Обратим еще раз Ваше внимание также на то, что периодичность расположения штырей прямо определяет частоту резонансной несущей поверхностной волны. Чем более высокую плотность расположения штырей может обеспечить применяемая технология, тем более высокой частоты ПАВ можно использовать. При использовании нанотехнологии, обеспечивающей возможность формирования штырей с периодом 200 нм, можно работать например, с ПАВ частотой порядка 20 ГГц. От этого можно получить значительный выигрыш в чувствительности, избирательности и быстродействии сенсоров на ПАВ.

7.4.3. Микровесы на ПАВ

С использованием ПАВ элементов ныне выпускают очень чувствительные микровесы. В качестве примера на рис. 7.14 показаны микровесы XP-Micro компании Метлер Толедо.

Рис. 7.14. Высокоточные микровесы компании Метлер Толедо. Взвешивание массы до 52 г с дискретностью 1 мкг. Габаритные размеры 263 х 490 х 322 мм

Они имеют встроенный микрокомпьютер, электронный контроль горизонтального уровня, двойной термостатированный кожух с обеспыливанием, цветной сенсорный дисплей, возможность подсоединения к электронной информационной сети, беспроводной связи через интерфейс BlueTooth. Тщательно продуманы все нюансы взвешивания очень малых доз дорогостоящих веществ. Обычно взвешиваемую дозу кладут в "лодочку", бюксу или на листик кальки, и при переносе возможны ее потери. В этих весах обеспечивается возможность дозирования навески сразу же в конечную тару через маленькое окошко в дверце, благодаря чему исключаются опасные движения воздуха внутри рабочего объёма весов при взвешивании. Достигается воспроизводимость результатов взвешивания лучше 1,5 мкг, и значительно снижаются потери очень дорогих реагентов.

Такие высокоточные и быстродействующие весы используются, например, в лабораториях тонких химических и биохимических анализов и синтезов в таких сферах применения, как фармацевтическая и косметическая промышленность, добыча и обработка драгоценных редких металлов, геологическая разведка, микроэлектроника, цветная металлургия, судебная экспертиза, научные исследования и т.п.

В работе [ [ 248 ] ] описан разработанный с применением ПАВ микроакселерометр, который по нашей классификации входит в группу механических сенсоров, поскольку первичные информационные сигналы появляются в нем в виде механических отклонений инертной массы. Эти сигналы преобразуются затем в давление на чувствительную зону ПАВ элемента, а он, в свою очередь, преобразует их в изменение параметров ПАВ, принимаемой акустическим приемником.

7.4.4. Химические и биохимические сенсоры на ПАВ

Если на чувствительную зону нанести специальное покрытие (окислы металлов, полимерные пленки и т.п.), избирательно сорбирующее молекулы определенного газа или пара из окружающего воздуха, то получим довольно чувствительный ПАВ сенсор присутствия в воздухе соответствующих веществ. Уже разработаны и промышленно выпускаются ПАВ сенсоры для контроля наличия большинства важных органических и неорганических газов в технологической среде и в атмосфере помещений.

В работе [ [ 108 ] ] описан, например, ПАВ сенсор с рабочей частотой 6-8 ГГц, в котором используется ориентированная пьезоэлектрическая пленка из нитрида алюминия ( AlN ) толщиной до 300 нм. ВШП сформированы с обеих ее сторон (как на рис. 7.13, в ). Отражатель акустических волн 7 выполнен в виде многослойной структуры AlN/SiО ₂. На чувствительную поверхность нанесен тонкий слой полиметилметакрилата толщиной 10-20 нм, выполняющий роль избирательного геттера молекул ацетона из окружающего воздуха. В другом варианте для сорбции молекул ацетона из воздуха на верхний электрод из платины наносят мономолекулярный слой 1-1-меркаптондекановой кислоты. В обоих случаях сенсор имел чувствительность порядка единиц пикограмма (10^–12 г) на площадке 30x30 мкм.

Описаны ПАВ сенсоры влажности воздуха с чувствительными пленками из поли- р -диэтинилбензола или из натрий-полисульфонсульфоната [ [ 80 ] ]. В качестве пьезоэлектрика использован кристалл LiNbО ₃ (128 YX) на частоте 138 МГц. Чтобы компенсировать влияние температуры и давления, использованы две одинаковые, расположенные рядом, ПАВ структуры ( рис. 7.11), одна из которых (опорная) была изолирована от воздействия внешнего воздуха. Сенсор отлично работает в диапазоне значений относительной влажности 20-85% с чувствительностью 0,4 кГц (дифференциальное изменение частоты) на 1% относительной влажности.

Описан ПАВ иммуносенсор для выявления присутствия молекул кокаина [ [ 128 ] ]. Для этого на чувствительную зону осажден протеин А, на котором иммобилизованы антитела антибензойлекгоина, избирательно чувствительные к молекулам кокаина. Использовались ПАВ с частотой 250 МГц. В случае наличия в окружающем воздухе даже незначительного количества молекул кокаина наблюдается заметный частотный сдвиг колебаний, по величине которого определяется концентрация кокаина.

За последнее десятилетие были созданы также матричные ПАВ сенсоры. Их еще называют мультисенсорами. В них на одном кристалле формируется одновременно целый массив ПАВ сенсоров, на каждый из которых наносят свою чувствительную пленку. Большинство разработок выполнены в области мультисенсорных газоанализаторов, в которых контролируемый объем воздуха анализируется на присутствие сразу десятков различных веществ.

7.4.5. Применение ПАВ в адаптивных композитных структурах

Одним из интересных применений сенсоров на ПАВ стало их использование в так называемых " адаптивных самоконтролируемых композитных структурах " [ [ 170 ] ]. Речь идет о композитных материалах, предназначенных для очень ответственных применений: обшивки космических и глубоководных аппаратов, самолетов, специальных роботов для работы в агрессивной среде или в условиях высокой радиации, поверхности предельно легких, но прочных строительных конструкций и т.п. Эти материалы, во-первых, должны противостоять довольно жёстким внешним воздействиям, во-вторых, должны быть способны целесообразно изменять свои свойства в зависимости от условий окружающей среды и при изменении режимов работы соответствующего аппарата и, наконец, должны сами постоянно контролировать свою механическую целостность. Для реализации последнего и применяют сенсоры на ПАВ. Принцип действия объясняет рис. 7.15.

Рис. 7.15. Распространение ПАВ: слева – в неповрежденной структуре; справа – при наличии механического повреждения

В конструкцию композитной обшивки встраивают пьезоэлектрические излучатели 1 и приемники 2 ПАВ. Их работой руководит микрокомпьютер. Он инициирует возбуждение в обшивке ПАВ разных частот и фиксирует в своей памяти характеристики волн, принятых в нормальных условиях акустическими приемниками, установленными в разных точках структуры (временные задержки, фазы, амплитуды). По изменениям этих характеристик в ходе работы микрокомпьютер может определять изменение внешних условий (давления, температуры и т.д.). Если в обшивке появляется механическое повреждение 3, то характер распространения ПАВ изменяется ( рис. 7.15, справа): возникают дополнительные рассеянные волны, а первичные волны за дефектом экранируются. По выявленным изменениям характеристик принятых волн микрокомпьютер рассчитывает местоположение и степень опасности дефекта для всей конструкции.