Радиотехника и электроника, 2019, T. 64, № 8, стр. 831-834

ВВЕДЕНИЕ

Сенсорные устройства, основанные на изменении скорости (фазы) и/или амплитуды (поглощения) акустических волн в твердотельных структурах под действием жидких веществ, привлекательны по ряду причин. Они позволяют измерять все основные характеристики жидкостей, не требуют больших объемов проб (~100 мкл), имеют малые габариты (~100 мм³) и высокую точность [1–14]. Выходной сигнал (“отклик”) датчиков на внешнее воздействие может увеличиваться, уменьшаться и обращаться в нуль путем надлежащего выбора ориентации кристаллического звукопровода и направления распространения волны [15]. Дном кюветы таких датчиков служит тело самого устройства, что снижает искажение анализируемого вещества в процессе измерений.

Все сказанное справедливо, в частности, для микроакустических датчиков температуры жидкости, основными недостатками которых на современном этапе являются слабая селективность (нежелательная реакция не только на температуру) и невысокая чувствительность.

Цель данной работы – исследовать возможности повышения селективности и чувствительности микроакустических датчиков температуры жидкости за счет использования новых конструктивных решений.

1. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ОБРАЗЦЫ

Решение задачи проводилось с использованием двух прототипов, конструкции которых показаны на рис. 1. Они включали в себя звукопровод 1 (Si, Bi₁₂GeO₂₀ (BGO), LiNbO₃, кварц) с рабочей поверхностью 2, два встречно-штыревых преобразователя 3 для возбуждения и приема поверхностных акустических волн (ПАВ) на поверхности, противоположной рабочей, и пьезоэлектрическую пленку ZnO 4, которая обеспечивала электромеханическое возбуждение ПАВ в непьезоэлектрическом кремнии. Тестируемое вещество или иной объект, температуру которого измеряли, помещали на поверхность 2. Возникшее в результате изменение температуры этой поверхности передавалось за счет теплопроводности звукопровода на нижнюю поверхность и фиксировалось по изменению скорости (фазы) распространяющейся там ПАВ. Передача теплового потока зависела от теплопроводности звукопровода и была наилучшей у кремния (1.56 Вт/см К). Высокая точность измерений обеспечивалась прецизионным измерением фазы φ (ошибка ±0.1 град) и большой длиной пробега ПАВ L между излучающим и приемным преобразователями, увеличивающей полный набег фазы волны φ₀ = 360° L/λ до более чем 10⁵ град (λ – длина волны). Нечувствительность ПАВ к плотности, вязкости, электрической проводимости и диэлектрической проницаемости жидкости (селективность температурных измерений) достигалась исключением физического контакта ПАВ, локализованной в слое ~20 мкм у нижней поверхности, с жидкостью, находящейся на верхней поверхности звукопровода, имеющего толщину 0.5…1 мм.

Рис. 1.

Конструкции температурных датчиков на ПАВ: 1 – звукопровод, 2 – рабочая поверхность, приводимая в контакт с тестируемой жидкостью или иным объектом, 3 – встречно-штыревые преобразователи, 4 – пьезоэлектрическая пленка ZnO, 5 – поглотитель.

Измерения проводили с помощью анализатора четырехполюсников KEYSIGHT E5061B.

2. РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЙ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

Результаты измерений представлены на рис. 2–7.

Рис. 2.

Температурные изменения фазы ПАВ в (001)〈110〉-BGO (TКЗ = +130 × 10^–6/°C) и YX-SiO₂ (TКЗ = –20 × 10^–6/°C) при увеличении температуры от 20 до 50°С с шагом 5°С. Сплошная линия – BGO, L = 7 мм, λ = 106 мкм, пунктирная – кварц, L = 20 мм, λ = 20 мкм.

Рис. 3.

Амплитудно-частотная характеристика ПАВ-датчика на основе ZnO/(001)〈110〉-Si. Толщина ZnO 3 мкм, L = 11 мм, λ = 32.1 мкм, φ₀ = 123365°, f_R = = 134.5 МГц, f_S = 186.32 МГц.

Рис. 4.

Температурные характеристики ПАВ Рэлея (R) и Сезава (S), измеренные в звукопроводе ZnO/(001)〈110〉-Si на воздухе, точки – эксперимент, линии – подгоночные кривые, полученные с помощью программы OriginPro8.

Рис. 5.

Временные изменения фазы ПАВ Рэлея при нанесении (стрелки) нагретого глицерина на звукопровод ZnO/(001)〈110〉-Si. Начальная температура звукопровода – 20°С; начальная температура глицерина +37°С (сплошная линия) и +24.6°С (штриховая).

Рис. 6.

Амплитудно-частотная характеристика ПАВ-датчика на основе BGO.

Рис. 7.

Температурные изменения фазы ПАВ на основной частоте (штриховая) и частоте 5-й гармоники (сплошная линия), точки – эксперимент, линии – подгоночные кривые, полученные с помощью программы OriginPro8.

Рис. 2 демонстрирует последовательные изменения фазы ПАВ в материалах с положительным (BGO) и отрицательным (кварц) температурным коэффициентом задержки (ТКЗ). Величины коэффициентов, определенные из этих изменений, совпадают с табличными значениями [16].

На рис. 3 показана амплитудно-частотная характеристика датчика на основе ZnO/Si (см. рис. 1а), на которой хорошо видны два сигнала разной частоты, соответствующие ПАВ Рэлея (R) и ПАВ Сезава (S). Фазы обоих волн в отсутствие жидкости меняются при изменении температуры по линейному закону (рис. 4), а значения ТКЗ, определенные из наклонов этих зависимостей, близки друг другу и составляют TКЗ_R = 39 × 10^–6°C^–1 и TКЗ_S = = 37 × 10^–6°C^–1.

При нанесении жидкости, температура которой выше температуры звукопровода (Δt > 0), тепловой поток благодаря высокой теплопроводности кремния передается с верхней на нижнюю поверхность без каких-либо изменений [14]. В результате этого вначале происходит резкое повышение температуры нижней поверхности, на Δt = 1/ТКЗ × Δφ/φ_о, и уменьшение фазы ПАВ Δφ, а затем – постепенное понижение температуры Δt звукопровода и увеличение фазы Δφ до значения, соответствующего новому тепловому равновесию. С ростом объема жидкостной пробы и с увеличением различия между начальными температурами жидкости и звукопровода величина Δφ, естественно, возрастает, а ее выход на равновесие замедляется (рис. 5). Поэтому измерение исходного значения Δt жидкости проводили по минимуму фазовой характеристики, следующему сразу за нанесением жидкости. Так, для примеров на рис. 5 значения Δt, определенные из минимума фазовой характеристики, составили 17 и 4.6°С, а равновесные – 1.7 и 0.9°С в соответствии с исходными значениями Δt, заданными в эксперименте. Минимальная величина Δt, детектируемая датчиком на основе ZnO/Si, равняется 0.03°С.

В отличие от датчика на ZnO/Si датчик на основе BGО (см. рис. 1б) обладает большей термочувствительностью ПАВ [16] (что позволяет детектировать более низкие значения Δt), более высоким коэффициентом электромеханической связи (что обеспечивает эффективное возбуждение ПАВ не только на основной частоте, но и на 5-й гармонике) и, к сожалению, более низкой теплопроводностью, которая приводит как к неоднородности распределения теплового потока по толщине звукопровода [14], так и к различию температур верхней и нижней поверхностей. Для звукопровода BGO толщиной 1 мм это различие в минимуме фазовой характеристики составляет 0.1°С.

На рис. 6 показана амплитудно-частотная характеристика датчика на BGO, где видны сигналы ПАВ на основной частоте и 5-й гармонике. Фазы волн на обеих частотах меняются при изменении температуры по линейному закону (рис. 7). Значение ТКЗ в соответствии с [16] составляет 110 × 10^–6°C^–1. Благодаря увеличению пути распространения за счет цилиндрических закруглений и использованию 5-й гармоники, увеличивающей полный набег фазы ПАВ в пять раз по сравнению с основной частотой минимальное значение Δt, регистрируемое датчиком, снижается до 0.005°С.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Конструкции ПАВ датчиков, предложенные и исследованные в данной работе, позволили повысить селективность и чувствительность измерений температуры жидкостей. Датчик на основе ZnO/Si привлекателен возможностью прямого измерения температуры, но обладает сравнительно невысоким порогом срабатывания, а датчик на основе BGO имеет более низкий порог срабатывания, но требует учета систематической ошибки из-за различия температуры верхней и нижней поверхностей звукопровода. Объединение достоинств и преодоление недостатков предложенных решений – предмет дальнейших исследований.

ФИНАНСИРОВАНИЕ РАБОТЫ

Работа выполнена за счет бюджетного финансирования в рамках государственного задания и частично за счет финансирования Российского фонда фундаментальных исследований (проект № 18-07-00074-a).