Акустические датчики.

Общее название «акустические датчики» относится к классу весьма разнообразных приборов. Эта статья описывает материалы и принципы действия, а также различные типы акустических датчиков и варианты их применения в промышленной сфере.

Коммерческое использование акустических датчиков началось более 60 лет назад. Больше всего в этих приборах нуждается индустрия телекоммуникаций, которая ежегодно использует около 3 миллиардов фильтров акустических волн, в основном в мобильных телефонах и на базовых станциях. В основном это приборы, работающие с поверхностными акустическими волнами и служащие в передатчиках полосными фильтрами как промежуточных частот, так и частот радиоволн. Кроме того, акустические датчики применяются в автомобильной индустрии (датчики крутящего момента и давления в шине), медицине (химические датчики) и многих других сферах (в качестве датчиков влажности, температуры и т.д.). Причины такого широкого использования этой технологии в промышленности – невысокая стоимость, надежность, чувствительность и выносливость приборов. Кроме того, некоторым из них не нужны источники питания.

В качестве механизма обнаружения используется механическая, или акустическая, волна. Когда волна распространяется внутри материала или по его поверхности, любые изменения характеристик траектории распространения волны влияют на скорость и/или амплитуды волны. Частота и фазовые характеристики показывают изменение скорости волны.

Практически все акустические приборы и датчики для генерирования волны используют пьезоэлектрические материалы. Пьезоэлектричество было открыто братьями (Пьером и Полем-Жаком Кюри Pierre и Paul-Jacques Curie) в 1880 г., а названия получило в 1881 г. от Вильгельма Хэнкела (Wilhelm Hankel). Пьезоэлектричеством называют электрический заряд, появившийся в результате механического напряжения. Утверждение верно и в обратную сторону. Применение подходящего электрического поля к пьезоэлектрическому материалу создает механическое напряжение. Пьезоэлектрические акустические сенсоры создают механические волны с помощью электрического поля. Эти волны распространяются через субстрат, а затем, для проведения необходимых измерений, трансформируются обратно в электрическое поле.

Рисунок 1. В производстве устройств, работающих на акустических волнах, используется фотолитографический процесс; примерно таким же способом изготавливаются интегральные схемы. Единственная разница заключается в том, что в акустических датчиках нет переходов.

При изготовлении акустических сенсоров наиболее часто используются следующие пьезоэлектрические подложки: кварц (SiO2), танталат лития (LiTaO3) и несколько реже колумбат лития (LiNbO3). У каждого из этих материалов есть свои достоинства и недостатки, связанные с ценой, температурной зависимостью, затухание и скоростью распространения. В таблице 1 приведены некоторые важные характеристики каждого из материалов, включая наиболее распространенные срезы и направления волн. Следует отметить, что кварц обладает одним интересным свойством: температурная зависимость материала зависит от угла среза и направления распространения волны. Правильным подбором значений этих параметров можно минимизировать температурный эффект первого порядка. Если максимизировать этот эффект, то можно сконструировать акустический датчик температуры. Нельзя сказать того же о колумбате и танталате лития, так как при любых срезе материала и направлении распространения волны сохраняется линейная температурная зависимость. Из прочих материалов, имеющих коммерческое применение, следует отметить: арсенид галлия (GaAs), карбид кремния (SiC), лангасит (LGS), оксид цинка (ZnO), нитрид алюминия (AlN), пьезоэлектрический титанат свинца-циркония (PZT), фторид поливинилидена (PVdF).

Рисунок 2. Обычное акустическое устройство состоит из двух встречно-штыревых преобразователей. Один из них преобразует энергию электрического поля в механическую волну, другой проводит обратное преобразование.

Итак, для изготовления датчиков используется фотолитографический процесс (см. рис. 1). Сборка начинается с полирования и очищения пьезоэлектрической подложки. Затем на подложку равномерно наносится металл, как правило, алюминий. Затем на устройство методом центрифугирования наносят фоторезист, а потом его задубливают с целью повышения прочности. Затем те области, которые должны быть металлизированы в конечном счете, закрываются светонепроницаемой бумагой, и устройство помещается под ультрафиолетовое излучение. В облученных зонах происходят химические изменения, после которых их легко удалить с помощью проявителя. Наконец, удаляется оставшийся фоторезист. Рисунок оставшегося металла и есть встречно-штыревой преобразователь. Эффективность сенсора можно максимизировать посредством изменения длины, ширины, толщины и расположения преобразователя.

Способы распространения акустических волн

Акустические устройства описываются способом распространения волн: через или по поверхности пьезоэлектрической подложки. В основном акустические волны различаются по скорости и направлениями перемещения частиц. В зависимости от материала и граничных условий могут быть разные варианты. Преобразователь каждого датчика создает электрическое поле, необходимое для деформации подложки и, соответственно, формирования акустической волны. Волна распространяется через подложку, в которой преобразуется обратно в электрическое поле и возвращается на другой конец преобразователя. На рис. 2 изображена схема типичного акустического устройства. Перемещение частиц поперечных, или сдвиговых, волн происходит по нормали по отношению к направлению распространения волны. Оно может быть поляризовано таким образом, чтобы быть параллельным или перпендикулярным по отношению к чувствительной поверхности. Движение сдвиговой горизонтальной волны обозначает поперечные перемещения параллельно чувствительной поверхности; движение сдвиговой вертикальной волны – перпендикулярно ей.

Рисунок 3. Хотя это устройство было создано достаточно давно, измерение скорости осаждения металла все еще производится с помощью резонатора толщины сдвиговой волны.

Волна, проходящая через подложку, называется объемной волной. Наиболее распространенными устройствами на объемной акустической волне (BAW) являются пьезоэлектрические резонаторы с колебаниями по толщине (TSM) и датчики горизонтально поляризованных акустических плоских волн (SH-APM).

Если волна распространяется на поверхности подложки, тогда она называется поверхностной волной. Наиболее широко используемые устройства на поверхностных волнах – это датчик поверхностных акустических волн и датчик горизонтально поляризованных поперечных поверхностных волн (SH-SAW), также известный как датчик поверхностной сдвиговой волны (STW).

Все устройства на акустических волнах являются датчиками в том смысле, что они чувствительны к отклонениям многих физических параметров. Любое изменение в характеристики пути распространения акустической волны изменит соответственно и результат на выходе. Все датчики будут работать в газовой или вакуумной среде, но только их совокупность будет эффективно работать при контакте с жидкостями. TSM, SH-APM, и SH-SAW – все генерируют волны, которые распространяются в основном в поперечно-горизонтальном направлении. Поперечная горизонтальная волна не излучает энергию в жидкостях, и это позволяет работать с жидкостями без чрезмерного затухания. С другой стороны, у датчика SAW существует существенное смещение поверхностной нормали, что приводит к излучению волн сжатия в жидкости, и это вызывает чрезмерное затухание. Исключение из этого правила составляют устройства, использующие волны, которые распространяются на меньшей скорости, чем скорость звука в жидкости. В независимости от компонентов смещения, такие типы волн не распространяются когерентно и таким образом они относительно не демпфируются жидкостями.

Интересными для датчиков могут быть также другие акустические волны, такие как: плоская изгибная волна (FPW), волна Лове, приповерхностная акустическая волна и волна Лэмба. Перед тем, как обратиться к примерам их применения, полезно будет кратко рассмотреть каждый из типов датчиков.

Рисунок 4. В датчике горизонтально поляризованных акустических плоских волн, волна распространяется между верхней и нижней поверхностью пластины, что позволяет проводить измерения на обеих сторонах.

Резонатор колебания сдвига по толщине. TSM, часто называемый кварцевыми микровесами (QCM), является наиболее известным, давно изобретенным и простым устройством на акустических волнах. Как показано на рисунке 3, TSM обычно состоит из толстой пластины пьезокварца АТ-среза с параллельными круговыми электродами, нанесенными на обе стороны. Результатом приложения напряжения между этими электродами становится сдвиговая деформация пьезокристалла.

Это устройство известно как резонатор, потому что пьезокристалл резонирует, когда образуются электромеханические стоячие волны. Смещение достигает предельных значений на грани кристалла, что делает устройство чувствительным к поверхностному взаимодействию. Изначально TSM резонатор использовался для измерения уровня металлизации в вакуумных системах, где он обычно использовался в генераторных схемах. Частота колебаний соответствует резонансу кристалла и определяет накопление массы на поверхности прибора. В конце 1960-х было продемонстрировано, как TSM резонатор работает в качестве датчик испарения.

TSM резонатор характеризуется простотой производства, способностью выдерживать суровые условия окружающей среды, температуроустойчивостью и хорошей чувствительностью к дополнительным массам, напыленным на поверхность пьезокристалла. Из-за компонента распространения поперечных волн TSM резонатор также может обнаруживать и измерять жидкости, что делает его хорошим кандидатом в биодатчики. К сожалению, эти устройства обладают самой низкой чувствительностью массы среди всех датчиков, рассматриваемых здесь. Стандартный TSM резонатор работает в пределах 5-50 МГц. Создание очень тонких устройств, работающих на более высоких частотах может увеличить чувствительность массы, но утоньшение датчиков ниже стандартных значений приводит к созданию непрочных устройств, которые сложно производить и эксплуатировать. В последнее время была проделана работа по созданию высокочастотных TSM резонаторов с использованием пьезоэлектрической пленки и техники объемной микрообработки кремния.

Рисунок 5. Волны Рэлея двигаются вертикально относительно грани поверхности датчика поверхностно акустических волн (SAW). SAW волны очень чувствительны к изменениям поверхности, однако не очень пригодны для большинства приборов измерения/определения жидкости.

Датчики горизонтально поляризованных поперечных поверхностных волн. Эти устройства используют тонкую пьезоэлектрическую подложку, или пластину, работающую как акустический волновод, который удерживает энергию между верней и нижней поверхностями пластины (рисунок 4). В результате, обе поверхности подвергаются смещению, так что улавливание может возникнуть на любой стороне. Это важное преимущество, так как одна сторона содержит встречно-штыревой преобразователь, который необходимо изолировать от электропроводной жидкости или газов, в то время как вторая сторона может быть использована в качестве датчика.

Так же как и TSM резонатор, относительное отсутствием компонента нормали к поверхности позволяет датчику вступать в контакт с жидкостью и применять его в качестве биодатчика. SH-APM датчики были успешно использованы для обнаружения ртути в количестве микрограмм на литр, что соответствует уровню соответствующего теста согласно Закону о безопасной питьевой воде. Более чувствительные к нагрузке массы от собственного веса чем TSM резонатор, SH-APM менее чувствительны чем датчики поверхностной волны. На это есть две причины: первая заключается в том, что чувствительность к нагрузке массы от собственного веса и другим отклонениям зависит от толщины пластины, причем чувствительность возрастает вместе с утоньшением устройства. Пределы толщины определяются производственным процессом. Вторая причина состоит в том, что энергия волны не достигает предельных значений на поверхности, что уменьшает чувствительность.

Рисунок 6. Энергия волны замыкается в пределах одной длины волны с поверхности датчика на SAW. Эта характеристика позволяет создавать датчики, очень чувствительные к взаимодействию с поверхностью.

Датчики поверхностной акустической волны. В 1887 году лорд Релей открыл моду поверхностной акустической волны и в своей классической работе предсказал свойства этих волн. Названные по имени человека их открывшего, волны Рэлея обладают продольной и вертикальной поперечной компонентой, которая может соединяться со средой при контакте с поверхностью устройства (см. рисунки 5,7,1). Такое соединение сильно влияет на амплитуду и скорость волны. Эта черта позволяет датчикам SAW напрямую оценивать массу и механические характеристики. Движение поверхности также позволяет использовать эти устройства как микроприводы. Волна обладает скоростью примерно на 5 порядков меньше чем соответствующая электромагнитная волна, что делает поверхностные волны Рэлея одними из самых медленных по скорости распространения в твердых веществах. Амплитуда волны составляет ~10 Å, а длина волны колеблется от 1 до 100 микрон.

На рисунке 6 подробно представлено область деформации, вызванная распространением SAW вдоль оси Z и соответственное распределение потенциальной энергии. Так как фактически вся энергия волн Рэлея заключена в пределах одной длины волны на поверхности, датчики SAW обладают наибольшей чувствительностью среди всех рассмотренных акустических датчиков.

Обычно датчики SAW работают в пределах от 25 до 500 Мгц. Одним из недостатков этого устройства является то, что волны Рэлея являются поверхностными нормальными волнами, и поэтому они плохо подходят для измерения жидкостей. Когда датчик SAW вступает в контакт с жидкостью, результирующие волны сжатия вызывают существенное затухание поверхностной волны.

Фотография 1. Датчики акустической волны коммерчески доступны в нескольких формфакторах. Большинство из них представляет собой полупроводниковые пластины, которые потом тестируются, нарезаются на кристаллы и упаковываются.

Если срез пьезокристалла соответствующим образом повернуть, тогда мода волны меняется от датчика на вертикальной поперечной SAW до датчика на поперечно-горизонтальной SAW. Это существенно снижает потери, когда жидкости вступают в контакт со средой распространения, что позволяет датчикам SH-SAW работать в качестве биосенсоров (см. рисунок 7).

В общем случае, чувствительность датчика пропорциональна количеству энергии, которая возникает на пути распространения волны. Датчики объемной акустической волны рассеивают энергию с поверхности через вещество основы на другую поверхность. Распределение энергии минимизирует интенсивность энергии на поверхности, на которой происходит измерение. Датчики SAW наоборот фокусируют энергию на поверхности, что делает их более чувствительными (см. таблицу 2). Другие конструкторские соображения при выборе датчиков акустических волн включают в себя стабильность генератора и уровень помех.

Все датчики акустических волн в той или иной степени чувствительны к отклонениям от многих физических параметров. Некоторое из представленных на рынке датчиков представлены на фото 1. По сути говоря, все датчики акустических волн, выпускаемые для индустрии телекоммуникаций должны быть герметично запечатаны для предотвращения любых помех, которые могут быть измерены устройством и соответственно вызовут нежелательные изменения на выходе.

Рисунок 7. Если выбрать правильное направление среза материала, тогда будут преобладать горизонтально поляризованные поперечные поверхностные акустическое волны. У этих волн есть смещение, параллельное поверхности устройства.

Уровень явления, которое могут уловить акустические устройства, может быть значительно увеличен путем нанесения на устройство покрытия из материалов, которые претерпевают изменения в массе, упругости, или проводимости под воздействием каких-либо физических или химических стимулов. Под приложенным напряжением, которое меняет динамические свойства среды, эти датчики становятся детекторами давления, вращающего момента, ударной волны и силы. Они становятся датчиками массы, или веса, если частицам позволено контактировать со средой распространения, меняя напряжения в ней. Они становятся датчиками испарения когда применяется покрытие, которое абсорбирует только определенные химические осаждения. Эти устройства работают путем эффективного измерения массы абсорбированного осаждения. Если покрытие абсорбирует определенные биологические химические вещества в жидкостях, датчик становится биодатчиком. Как было замечено ранее, если выбрать правильное направление распространения волны, можно создать беспроводной датчик температуры. Среда распространения меняется вместе с температурой, влияя на данные на выходе. Ниже приведены некоторые наиболее общие способы применения датчиков акустических волн.

Термодатчик. Скорости поверхностных волн являются термозависимыми и определяются направлением и типом кристаллического материала, используемого для производства датчика. Термодатчики на базе генераторов линии запаздывания SAW обладают миллиградусным разрешением, хорошей линейностью и низким запаздыванием. Они к тому же весьма чувствительны к нагрузке массы от собственного веса и поэтому должны быть герметично упакованы. 124 МГц термодатчик кварца ST-среза приповерхностной объемной волны, как недавно сообщили, обладает температурным коэффициентом 32 ppm/ÞC и разрешением 0.22ÞC [12]. Он также продемонстрировал на три порядка меньшую чувствительность к нагрузке массы от собственного веса, чем датчик на SAW. Время ответа составляет 0.3 с, что в 103 раза быстрее чем датчик BAW. Преимущество термодатчиков также состоит в том, что они не требуют элементов и они являются беспроводными, что делает их пригодными для использования в удаленных местах.

Датчик давления. В 1975 году первой заявленной технологией использования SAW в сфере применения датчиков стали датчики давления. На скорости SAW сильно влияет напряжение, подаваемое на пьезоэлектрическую подложку, по которой распространяется волна. Таким образом датчик давления на SAW создан путем превращения устройства в диафрагму (см. рисунок 8).

Рисунок 8. Частоты SAW изменяется вместе с напряжением. Когда диафрагма прогибается под давлением, датчик SAW изменяет данные на выходе.

Невозмещенные температурные колебания, которые мешают работе датчиков давления на SAW может быть минимизирован путем помещения образцового устройства измерения на SAW рядом с измеряющей SAW на ту же подложку и смешивая два сигнала. Один датчик работает как термодатчик, чья близость к датчику давления гарантирует, что оба из них подвержены одной и той же температуре. Однако температурный датчик на SAW должен быть изолирован от напряжения, которому подвергается SAW (см. рисунок 9).

Датчики давления на SAW пассивны (не требуют элементов питания), беспроводные, дешевые, выносливые, очень компактные и легкие, и соответственно хорошо приспособлены для измерения давления в движущихся объектах (например, шины машин или грузовиков). Эти характеристики обеспечивают преимущество над такими технологиями как емкостные и пьезорезистивные датчики, которым необходимы элементы питания и которые не являются беспроводными. Датчик давления на SAW весом <1г с разрешением 0.73 фунт на квадратный дюйм недавно был интегрирован в шину автомашины с отличными результатами. Такая система позволяет оператору наблюдать давление в каждой из шин из комфортной кабины. Правильно надутые шины способствуют улучшению безопасности, большей экономности топлива и к более длинному сроку эксплуатации самих шин. Эта технология особенно интересна для нового рынка шин со спущенным давлением (также называемых с нулевым давлением или расширенной маневренностью).

Датчик крутящего момента. Если устройство на SAW неподвижно прикреплено к плоскому месту на валу и вал подвергается крутящему моменту, этот крутящий момент подвергает напряжению датчик и превращает его в беспроводной, пассивный, легковесный датчик крутящего момента. Если вал вращается в одну сторону, тогда датчик находится в состоянии натяжения, при вращении в другом направлении датчик находится в состоянии сжатия. В практическом применении два датчика вращающего момента используются таким образом, что их центральные (осевые) линии находятся под прямым углом друг к другу (см. рисунок 10). Таким образом, когда один датчик находится в состоянии сжатия, другой - в состоянии натяжения. Так как оба датчика подвергаются одной температуре, сумма двух сигналов минимизирует любые эффекты ухода параметров под влиянием температуры.

Рисунок 9. Добавление второй SAW эффективно минимизирует температурные колебания датчика давления на SAW.

По сравнению с другими датчиками крутящего момента, включая резистивные датчики сопротивления, оптические преобразователи, торсионы, датчик крутящего момента на SAW является дешевым, обладает высокой надежностью и к тому же беспроводной. Отслеживание крутящего момента на грузовиках и автомашинах значительно улучшит управление и торможение, так как крутящий момент измеряет сцепление колес гораздо лучше, чем датчики оборотов двигателя, используемые в настоящее время.

Датчики массы. Из всех оцениваемых здесь устройств, датчики на SAW наиболее чувствительны к нагрузке от собственной массы, что можно использовать при создании датчика частиц и датчика толщины пленки. Если датчик покрыт адгезивом, то он становится датчиком частиц: любая частица попадающая на поверхность там и остается и изменяет распространение волны. Сообщается, что разрешение по массе составляет 3 pg на 200 МГц кварца ST-среза SAW, что в 1000 чувствительней протестированного 10 МГц TSM резонатора. Датчики частиц используются в производственных помещениях, мониторах качества воздуха, и мониторах атмосферы.

Датчик толщины работает в основном по тому же принципу что и датчик частиц, за исключением того, что на нем нет покрытия. Измеряемый сдвиг частоты пропорционален массе осажденной пленки, так что датчик получает данные по толщине путем измерения плотности пленки и акустического сопротивления. Этот метод точен только в том случае, если пленка тонкая (в идеальном случае не больше чем несколько процентов акустической длины волны). Наиболее доступные в продаже датчики толщины базируются на TSM резонаторах. Не являясь такими же чувствительными, как датчики на SAW, эти устройства тем не менее легки в использовании и обладают достаточной чувствительностью.

Датчик конденсации/влажности. Если датчик на SAW подвергается температурному контролю и прямому воздействию окружающей среды, то вода будет конденсироваться на нем при температуре конденсации, что делает его эффективным датчиком точки конденсации. Существующие коммерческие инструменты для высокоточных измерений точки конденсации основаны на оптических методах, которые являются достаточно дорогими, и не обладают достаточной чувствительностью, точностью и долговременной устойчивостью. Был разработан 50 МГц датчик конденсации YZ-среза ниобата лития на SAW, который устойчив к основным загрязняющим веществам, обладает разрешением ±0.025°C (ср. ±0.2°C для оптического датчика), дешевый, и значительно более стабилен.

Рисунок 10. Напряжение в вале передается на датчик на SAW, который из-за напряжения меняет свою рабочую частоту и, соответственно, крутящий момент. Дополнительное использование еще одной SAW минимизирует температурный эффект.

Из датчиков акустических волн с упругим гигроскопическим полимерным покрытием получаются отличные датчики влажности. Три рабочих механизма составляют чувствительность датчика: нагрузка от собственной массы, электроакустические эффекты и вязкоэластичные эффекты. Каждый из этих механизмов можно эффективно контролировать и производить дешевый, точный датчик влажности. 50 МГц датчик YZ-среза ниобата лития на SAW, покрытый polyXIO был продемонстрирован как датчик влажности с диапазоном относительной влажности 0%-100% и областью неоднозначности порядка 5%. Дополнительно, 767 МГц датчик AT-среза кварца на SH-SWA был недавно продемонстрирован как датчик влажности с чувствительностью 1.4 ppm/% относительной влажности и областью неоднозначностью в 5%. Как выяснилось, он является более чувствительным устройством, чем 14 МГц TSM резонатор, покрытый тем же полимером.

В той же категории 434 Мгц датчик YZ-среза ниобата лития на SAW был использован в качестве удаленного датчика воды, а 86 МГц датчик XY-срез кварца на волнах Лаве был продемонстрирован как датчик льда.

Биодатчик. Подобно датчикам химических испарений, биодатчики определяют наличие химического вещества, но скорее в жидкостях, чем в парах. Как было замечено ранее, устройство на SAW в данном случае не подходит, так как вертикальная компонента распространения волны будет подавляться жидкостью. Биодатчики производились с использованием TSM резонатора, SH-APM и SH-SAW датчиков. Из всех известных акустических датчиков для измерения жидкости, наибольшей чувствительностью обладает датчик волн Лове, специального класса поперечно-горизонтальных SAW. Для того чтобы создать датчик волны Лове, волноводное покрытие помещается на устройство на SH-SAW таким образом, что энергия поперечно-горизонтальных волн фокусируется на этом покрытии. Потом биораспознавающее покрытие помещается на волнопроводное покрытие, образуя полный биодатчик. Было достигнуто успешное распознавание anti-goat IgG в концентрации 3 3 10–8–10–6 moles при использовании 110 МГц YZ-срез SH-SAW с полимерным покрытием проводящим волну Лове.

Сокращения
BAW	Объемная акустическая волна
FPW	Изгибная анодная волна
IDT	Встречно-штыревой преобразователь
SAW	Поверхностная акустическая волна
SH-APM	Горизонтально поляризованные поперечные плоские акустические волны
SH-SAW	Горизонтально поляризованная поперечная поверхностная акустическая волна
SSBW	Приповерхностная объемная волна
STW	Поверхностная сдвиговая волна
TSM	Колебания сдвига по толщине

Датчики на акустических волнах - чрезвычайно универсальные устройства, чей коммерческий потенциал только начинают осознавать. Они конкурентноспособны по цене, прочные, очень чувствительные, и надежные, тому же некоторые из них являются беспроводными и/или не требуют элементов питания. Беспроводные датчики весьма удобны для использования их на движущихся объектах, например, для измерения давления покрышек на машинах или крутящего момента вала. Датчики которым не требуется энергия желательны для удаленного наблюдения за химическими испарениями, влажностью и температурой. Другие применения включают измерение силы, ускорения, ударной волны, угловой скорости, вязкости, смещения и потока, как дополнение к характеристики пленки. Датчики также обладаю электроакустической чувствительностью, что позволяет им определять уровень рH, ионных примесей и электрические поля. Датчики поверхностной акустической волны показали себя как самые чувствительные в общем, что является результат их большой плотности энергии на поверхности. Для измерения жидкостей самыми чувствительными показали себя датчики волн Лове, специального класса поперечно-горизонтальных поверхностных волн. Продолжается работа по разработке данных датчиков для применения их в других областях.