автореферат диссертации по электронике, 05.27.06, диссертация на тему:Разработка конструкционных и технологических решений создания электронных устройств на поверхностных акустических волнах и встречно-штыревых преобразователях

На правах рукописи

Катаев Владимир Федорович

РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИОННЫХ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ СОЗДАНИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ НА ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ И ВСТРЕЧНО-ШТЫРЕВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯХ

Специальность 05.27.06 - Технология и оборудование для производства полупроводников, материалов и приборов электронной техники

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

19 ДЕК 2013

Новочеркасск 2013 г

005544025

005544025

Работа выполнена в лаборатории «Кристаллы и структуры твердотельной электроники» Южного научного центра Российской академии наук.

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор, заслуженный деятель науки Лунин Леонид Сергеевич

Официальные оппоненты: доктор физико-математических наук, профессор Л.А. Резниченко,

доктор технических наук, профессор В.П. Попов Ведущая организация: Северо-Кавказский Федеральный университет

Защита состоится «27»декабря 2013 г. в 12:00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.304.09 при-федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова» в 147 ауд. главного корпуса по адресу: 346428, г. Новочеркасск, ул. Просвещения, 132.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный политехнический университет (НПИ) имени М.И. Платова», с авторефератом — на сайте www.npi-tu.ru.

Автореферат разослан «26»ноября 2013г.

Отзывы на автореферат просим направлять по адресу: 346428, г. Новочеркасск, ул. Просвещения, 132.

Ученый секретарь диссертационного совета

Середин Б.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования.

Проблема беспроводного дистанционного контроля физических параметров (давления, температуры, влажности и др.) в настоящее время осуществляется с помощью различных датчиков по радиосигналу, т.е. к датчику придается радиопередатчик, который осуществляет беспроводную передачу информации от датчика. Все передатчики требуют источник питания. Возникает необходимость его периодической замены. Так как датчик может быть установлен в труднодоступном месте (например внутри вакуумной камеры технологической установки) или использоваться в условиях, при которых невозможна замена источника питания при работающем контролируемом объекте (например непрерывный цикл получения наноструктур), это часто невозможно. Неудовлетворенная потребность в подобных датчиках по данным ВТО составляла в 2012 более двух триллионов штук.

В предлагаемых датчиках проблема замены источника питания отсутствует. Такой датчик может быть установлен в труднодоступном или опасном месте лишь однажды. Разработка данных устройств позволит:

1. Создать системы беспроводного дистанционного контроля физических параметров (давления, температуры, влажности, радиоционного фона) в труднодоступных местах, не требующих питания, монтируемых однократно и позволяющих осуществить комплексный мониторинг напряженного состояния и ресурсной способности (наличие трещин, расслоений, дефектов и т.п.) узлов и конструкций, технологических режимов, а также безопасности обслуживающего персонала с одновременной идентификацией нескольких тысяч подобных устройств.

2. Создать системы беспроводного непрерывного получения и обработки информации о состоянии параметров технологического процесса и прочности конкретных узлов и инженерных конструкций ответственного назначения в течении времени физического существования датчика.

3. Создать системы беспроводного дистанционного контроля за параметрами (давлением, температурой, влажностью и т.д.) различных биологических объектов, с целью обеспечения их безопасности и безопасности окружающих их других биологических объектов;

Можно считать системы беспроводного дистанционного контроля физических параметров на поверхностных акустических волнах разновидностью систем радиочастотной идентификации с использованием ПАВ устройств, обладающей теми же самыми преимуществами.

Беспроводная радиочастотная идентификация (РЧИД) предложена Массачусетсом технологическим университетом, как одна из десяти ведущих технологий 21 века. Любая система идентификации подразумевает наличие объекта идентификации, промаркированного меткой, и некоего считывателя, который считывает закодированную информацию с метки и на основе считанной информации осуществляет идентификацию. Основой РЧИД

технологии является эффект модуляции отраженного радиосигнала за счет управления эффективной поверхностью рассеяния радиоконтрастных объектов. РЧИД, по своей сути, является симбиозом технологий радиолокации и радиосвязи.

Датчик монтируется на объекте и служит его идентификатором. Датчики могут быть двух типов: активные и пассивные. Радиочастотные обычно включает в себя приемник, передатчик, антенну и блок памяти для хранения информации. Приемник, передатчик и память конструктивно выполняются, как правило, в виде отдельной микросхемы (чипа).

Пассивные датчики не имеют собственного источника питания, а необходимую для работы энергию получают из поступающего от считывателя электромагнитного сигнала. Преимуществом пассивных датчиков является практически неограниченный срок их службы (не требуют замены источников питания). Недостаток пассивных датчиков в необходимости использования более мощных устройств считывания информации, обладающих соответствующими источниками питания.

РЧИД на поверхностных акустических волнах (ПАВ) является одним из лучших воплощений пассивной радиочастотной метки, так как она свободна от недостатков наиболее широко используемой во всем мире пассивной РЧИД метки с накоплением на основе смарт карты, в которой недостатком является длительная фаза заряда конденсатора, и как следствие не высокая скорость работы всей системы в целом.

Особо важно отметить низкую зону контроля, возможность подделки не в промышленных условиях, а также низкий уровень излучения (как для датчиков так и для устройств идентификации), требуемый для обнаружения отраженных импульсов, что очень важно при наличии в зоне считывания живых объектов.

Поэтому разработка таких устройств в настоящий момент, когда пассивные датчики устройства идентификации только начинают широко внедряться, является актуальной задачей.

Цели и задачи исследования

Целью диссертационной работы является разработка конструкционных и технологических решений создания пассивных датчиков на поверхностных акустических волнах (ПАВ) и встречно-штыревых преобразователей (ВШП) для беспроводного дистанционного мониторинга физических параметров (давления, температуры, напряженного состояния) и идентификации объектов.

Для реализации поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать, изготовить и исследовать датчики на основе линий задержки на ПАВ (ЛЗ на ПАВ) с уменьшенным вносимым затуханием с задержками 4-10 мкс, в диапазоне частот 100-2400 МГц.

2. Исследовать отражения ПАВ от встречно-штыревых преобразователей (ВШП) в зависимости от типа и величины нагрузки подключаемой к ВШП, величина которой изменяется от различных физических воздействий, для датчиков дистанционного контроля физических параметров.

3. Разработать и изготовить радиочастотных идентификационных датчиков с отражателями с убывающим коэффициентом отражения для компенсации затухания ПАВ в системе отражателей.

4. Разработать и изготовить для датчиков , согласованной с ВШП, направленной антенны для связи ЛЗ на ПАВ с приемо-передатчиком.

Объект исследования

Объектом исследования является датчики на основе линий задержки на поверхностных акустических волнах, в которых параметры ПАВ зависят от внешних воздействий, что позволяет измерять различные физические величины, устройства идентификации, а также связанные с ними антенны, считыватели, необходимые для связи с датчиком и обработки информации.

Предметом исследования являются различные ориентации пьезоэлектрических кристаллов, а также акустоэлектронные элементы, входящие в состав приборов на ПАВ. К последним относятся встречно-штыревые преобразователи (ВШП), конструкции антенн, электронные схемы.

Методологическая и теоретическая основа исследования.

Исследования распространения и возбуждения поверхностных акустических волн (ПАВ) в произвольных пьезоэлектрических кристаллах и слоистых структурах, существенный вклад в которые внесли российские ученые И.А.Викторов, Ю.В.Гуляев, В.И. Пустовойт, положили начало новому направлению в электронике - акустоэлектроники. Основные преимущества и конкурентноспособность акустоэлектронных приборов по сравнению с другими классами аналогичных устройств заключаются в возможности значительного уменьшения габаритов и массы компонентов, технологичности изготовления, стабильности параметров и относительно невысокой стоимости.

В числе информационных источников диссертации использованы: а) научные источники в виде данных и сведений из книг, журнальных статей, научных докладов и отчетов, материалов научных конференций, семинаров; б) результаты собственных расчетов и проведенных экспериментов.

Научная новизна работы. При выполнении диссертационной работы получены следующие новые научные результаты:

• Предложена оригинальная конструкция пассивного датчика на ПАВ, позволяющего измерять различные физические величины.

• Предложена оригинальная конструкция отражателей на основе датчиков на ПАВ с убывающими коэффициентами отражения для компенсации затухания.

• Предложены конструкции датчиков, позволяющих не только измерять некоторую физическую величину, но и производить идентификацию измеряемого объекта.

Практическая ценность работы. Практическая ценность работы состоит в разработке и внедрении в промышленность:

• Новых конструкций датчиков на ПАВ и систем контроля за ними.

• Новых конструкций РЧИД меток на ПАВ для систем безопасности.

• Новых конструкций датчиков совмещенных с РЧИД метками на ПАВ, позволяющими не только измерить физическую величину, но и идентифицировать объект, на котором он расположен.

Научные положения, выносимые на защиту:

• Для формирования датчиков и радиочастотных идентификационных меток с уменьшенным вносимым затуханием с целью повышения рабочих частот необходимо использовать однонаправленные ВШП, в которых межэлектродные зазоры равны четверти длины ПАВ на центральной частоте преобразователя, а также ВШП работающие на пространственных гармониках.

• Применение в датчиках ЛЗ на ПАВ с задержками 4-10 мкс и с отражательными ВШП, нагруженными на внешний импеданс позволяет упростить конструкцию за счет того, что физическое воздействие производится не на ЛЗ, а на внешний импеданс, что особенно в диапазоне частот 100-2400 МГц.

• Использование ЛЗ с отражательным валиком вместо составной ЛЗ, позволяет значительно упростить конструкцию датчиков давления.

. • Экспериментальные исследования показали, что для датчиков температуры можно использовать ЛЗ с отражательным ВШП, нагруженным на терморезистор или изменение задержки ПАВ в подожке из-за температуры.

• Использование в РЧИД метках отражателей с убывающим коэффициентом отражения и позволяет получать наиболее равномерные импульсные отклики (не более 6 дБ).

Апробация работы Основные результаты работы докладывались и обсуждались на VIII Международной научно-технической конференции «Машиностроение и техносфера на рубеже XXI -века», г.Севастополь, 2001г. , 47-м Международном техническом коллоквиуме, г. Ильменау, Германия, 2002г.; IV, VII, VIII, EX, X, XI, XII, XIII, XIV Международных научно практических конференциях «Современные информационные и электронные технологии», г. Одесса, 2003г.; 2006г.; 2007г.; 2008г.; 2009г.; 2010г.; 2011г.; Международных научных конференциях «Инновационные технологии в управлении, образовании, промышленности «АСТИНТЕХ — 2008», «АСТИНТЕХ - 2009», «АСТИНТЕХ - 2010», г.Астрахань; «Стратегическое планирование инновационной деятельности и способы коммерциализации научно-технической продукции», Международная школа-семинар, г.Астрахань, 2008г.; Международная конференция «Мехатроника-2008», «Мехатроника-2009» г. Новочеркасск; Всероссийская конференция «Мехатроника и

робототехника-2010», г. Новочеркасск; Региональная научно-практическая конференция «состояние и перспективы строительства и безопасной эксплуатации Волгодонской АЭС», г.Волгодонск, 2008, 2009, 2010, 2011гг.; V Всероссийская конференция обучающихся. «Национальное достояние России» г.Москва, 2011г.; XXVII Всероссийская конференция обучающихся. Юность, наука, культура», г.Москва, 2011г.

Результаты работы были внедрены на ряде предприятий РФ

Экономический эффект и внедрение результатов работы.

Экономический эффект от внедрения результатов работ за период 20012012 гг. превышает 6 млн. рублей

Публикация результатов работы. По результатам выполненных исследований опубликовано 43 научных работы, в том числе в 22 статьях в том числе 3 в международных журналах, 20 тезисах докладов различных конференций и семинаров.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения и списка использованных источников. Диссертация содержит 150 страниц машинописного текста.

2. КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснованы актуальность выбранного направления исследования. Сформулированы цель работы и задачи, которые решаются в диссертации, приведены сведения об апробации результатов работы и перечислены положения, выносимые на защиту.

В первой главе диссертации приводится анализ состояния датчиков физических величин и устройств радиочастотной идентификации. Показано, что существующие беспроводные датчики должны иметь источники питания, а существующие пассивные датчики дистанционного контроля и основанные на изменении частоты отраженного сигнала требуют сложную систему идентификации, а также сложные дорогостоящие корпуса, так как физическое воздействие должно передаваться на подложку на которой изготовлен датчик и которая должна быть загерметезирована.

В предлагаемых в данной работе датчиках измерение физических величин происходит не за счет взаимодействия ПАВ с измеряемыми величинами. В этих датчиках ПАВ является лишь носителем информации о величине коэффициента отражения от отражательного ВШП, нагруженного на импеданс, величина которого зависит от измеряемой физической величины (Рис.1.).

Рис.1. Датчик физической величины

В этом смысле такие датчики более близки, к устройствам идентификации, принцип действия которых как раз и основан на измерении отраженных от ВШП импульсов. Так как физическое воздействие приложено не к подложке, в которой распространяются ПАВ, а к импедансу Ъ, то необходимость в специализированном корпусе отпадает и можно использовать серийно выпускаемые корпуса для ПАВ устройств.

Показано, что устройства идентификации на ПАВ являются наилучшим воплощением для пассивных меток, так как для них не требуется мощных считывающих радиосигналов даже на расстояниях до 10 м между меткой и считывателем.

Принцип действия РЧИД на ПАВ основан на использовании эффекта формирования модулированного сигнала линией задержки на поверхностных акустических волнах при ее возбуждении широкополосным сигналом.

Радиоволны

/■/> 1)1 _ Метка на ПАВ__

Г-Н Но / /^Л-Г ^ у

Счтывающее / _. т ___//

устройство Г*—у ^ .1 т'| -Ь-У

Антенна .* **'*••*.*/■

метки ВШП " Импульсы ПАЕ

Рис 2. Принцип работы радиочастотной идентификационной метки на ПАВ

Электромагнитный сигнал, принятый антенной метки с помощью ВШП преобразуется в поверхностно акустическую волну (Рис 2). Далее волна распространяется по кристаллу до системы отражателей, которые находится на различном расстоянии от преобразователя, так что отраженные пакеты приходят на ВШП в различные моменты времени, образуя кодовую последовательность. Преобразователь выполняет обратное преобразование ПАВ в электромагнитный сигнал, который и излучается антенной метки. Варьируя пространственное расположение отражателей, мы можем изменять временное положение отраженного пакета. Размер простейшей антенны -диполя определяется длиной электромагнитной волны. Отражатели ПАВ должны иметь возрастающий коэффициент отражения, поскольку амплитуда ПАВ убывает по мере распространения ПАВ в системе отражателей. Для опроса метки служит считыватель, который формирует опросный импульс и принимает отраженную от метки последовательность импульсов.

Во второй главе приведены обзор однонаправленных ВШП с внутренними отражателями и методов их расчета. Приведены оригинальная конструкция и методика расчета однонаправленных ВШП с внутренними отражателями. В этих конструкциях удается в СВЧ диапазоне изготавливать однонаправленные ВШП с потерями на преобразование не более 3 дБ и направленностью более 10 дБ. Конструкция однонаправленного ВШП с внутренними отражателями показана на рис.3.

Он состоит из двух гребенчатых электродов, вложенных друг в друга, а также из плавающих электродов, расположенных между электродами гребенок. Как видно из рис.3., такой ВШП состоит из параллельно соединенных активных парциальных ВШП из трех электродов, а также отражательных ВШП состоящих из двух электродов верхней гребенки и плавающего электрода, важно отметить, что данной конструкции ВШП (см.рис.3.) ширина электродов и зазоров близка к четверти длины ПАВ как в обычном ВШП, что особенно важно для высокочастотных фильтров. Сконструированный таким образом ВШП представляет собой последовательность электрически соединенных парциальных ВШП, находящихся в одном акустическом канале. Причем, те парциальные ВШП, электроды которых являются электродами верхней и нижней гребенок, являются активными ВШП, а те ВШП. которые содержат электроды только верхней гребенки и плавающий электрод, являются отражательными ВШП (эти ВШП разомкнуты или нагружены на нагрузку с нулевой проводимостью).

Для получения более узких полос пропускания (1% и менее), что иногда надо при применениях в датчиках физических величин, необходимо использовать прореженные однонаправленные ВШП (рис.3).

III

пЛ

Рис. 3. Топология прореженного однонаправленного ВШП

Приведены конструкции однонаправленных ВШП, работающих на пространственных гармониках. Таким образом удается эффективно возбуждать ПАВ на частотах свыше 2 ГГц.

Ж2

л?—н

Ш8

1к-

2 1У..-8

Рис.4. Фрагмент однонаправленной секции ВШП

На рис. 4 показан фрагмент ВШП, у которого межэлектродные зазоры, а также наиболее узкие электроды имеют размер, равный не четверти, а

полдлины ПАВ (А), что и позволяет изготовить их на имеющемся технологическом оборудовании, так как размер зазоров и электродов не будет менее 0,73 мкм.

Однонаправленный ВШП состоит из активного ВШП, который возбуждает и принимает ПАВ и двух отражательных ВШП, обеспечивающих преимущественное излучение ПАВ в одну сторону. Активная секция содержит один электрод шириной, равной длине ПАВ и подсоединенный к верхней шине и два электрода, подсоединенных к нижней шине и шириной 11/8 длины ПАВ (справа) и 13/8 длины ПАВ (слева) соответственно. Между электродами, подсоединенными к шинам, находятся плавающие электроды, не подсоединенные к шинам, шириной полдлины ПАВ, таким образом, что все межэлектродные зазоры равны также полдлины ПАВ. Отражающие ВШП отличаются от активного тем, что центральные электроды шириной полдлины ПАВ не подсоединены к верхней шине.

В третьей главе диссертации описаны пассивные беспроводные датчики физических величин. Описан принцип их работы. Исследована зависимость коэффициента отражения (фазы и амплитуды) ПАВ от величины и типа нагрузки. Коэффициент отражения ПАВ от ВШП определяется выражением:

К С" т

отр Са+}<1)С+Ва+У > ^

где где Са — активная составляющая проводимости излучения ВШП; Ва

- реактивная составляющая проводимости излучения ВШП; Ст - статическая

ёмкость ВШП.

Особенно сильная зависимость коэффициента отражения от величины внешней нагрузки будет, если нагрузка имеет индуктивно-емкостный вид, т.е.

■¿ = ](со1—1~) , (2)

соС

где Ь - индуктивность, а С-емкость нагрузки. В этом случае

V , п ■ 1 ю1

У = 1/ £ = 1-, , ,-5—-г — /—5—г-5—7

а>С\со 1} +1 / си С ) аз I? +1/ю С

При надлежащем подборе индуктивности можно скомпенсировать собственную емкость ВШП в выражении (1) и тогда величина коэффициента отражения начинает сильно зависеть от величины емкости, особенно если величина Са меньше или близка к величине емкостной составляющей проводимости излучения соС.

Приведены типы нагрузок для измерения температуры и давления. Показано, что использование опорного ВШП повышает точности измерения и делает его не зависимым от расстояния между считывателем и датчиком. Приведены различные конструкции пассивных ПАВ датчиков, а также антенн для связи датчиков со считывателем. Описана конструкция для датчика давления на основе составной ЛЗ, которая имеет большую чувствительность. На рис. 5. показан датчик в корпусе. Корпус состоит их керамического основания, на котором по краям нанесена металлизация, к которой припаивается коваровая рамка толщиной 3,5 мм. В образовавшуюся полость

помещается датчик и сверху накрывается тонкой коваровои крышкой, которая герметично приваривается к коваровой рамке.

I I

Четверть вол новый вибратор

Стеклотекстолит

II'

Четверть волновый

"Датчик в корпусе

IИмпеданс, зависящий от :змеряемой физической величины

Рис. 5. Датчик (или РЧИД метка) в корпусе и на плате.

Недостатком предлагаемых датчиков является низкая чувствительность, так как для заметного изменения коэффициента отражения требуется изменения емкости в несколько процентов, т.е. для заметного изменения давления необходимо изменение емкости в несколько процентов. Поэтому был предложен другой метод изменения давления на линии задержки на ПАВ с валиком, представляющей собой датчик перемещения.

\ II 1 с

Рис.6. Датчик давления на основе ЛЗ с валиком

Так как валик находится непосредственно на поверхности, вдоль которой распространяются ПАВ, то это приводит к изменению граничных условий на поверхности в месте касания валика, что вызывает изменение скорости ПАВ в области касания валика подложки, а, следовательно, и приводит к отражению ПАВ от области касания. Валик перемещаются относительно друг ВШП. При этом меняется задержка сигнала, по которой и определяется величина перемещения.

В четвертой главе описаны принципы работы идентификационных радиочастотных меток. Приведены оригинальная конструкция и расчет системы отражателей с равномерным коэффициентом отражения.

Учитывая что амплитуда ПАВ на г+1 отражателе ослабляется на величину (1-/с,), а также выражение (3,4) расстояние а,- между ВШП в

отражателях (см.рис.7) и коэффициенты отражений от ¡-того отражателя определяется из рекуррентных выражений:

— агссов 2тг

^7+1-А'

(3)

(4)

4к 2М

/=0,1,2.. .Л, где Л^ - число отражателей, а0=МХ0, = -коэффициент

л

отражения от отражателя из двух ВШП, Л0 - период, а М - число периодов в обоих частях отражателя, к'- квадрат коэффициента электромеханической связи.

В этом случае коэффициент отражения отражателей возрастает по мере распространения ПАВ в системе отражателей, компенсируя убывание амплитуды ПАВ при распространении их в системе отражателей. В формуле (3) выражение в скобках характеризует убывание амплитуды ПАВ из-за отражений, а выражение в скобках под знаком косинуса характеризует изменение коэффициента отражения из-за расфазировки отражений ПАВ от обоих половинок отражателя. Если расстояние ах будет кратно четверти периода ВШП, то коэффициент отражения от такого отражателя будет близок к нулю, а если это расстояние будет кратно полупериоду или периоду, то коэффициент отражения будет максимальным и определятся выражением

4к 2М 4к27У

к0 =-, при условии -«1, Л^-число периодов в одном из ВШП

п " п

отражателя. Описаны методы кодирования РЧИД меток. Показана возможность

конструирования устройства сочетающего одновременно датчик и

идентификацию.

Кодирование меток производилось таким образом, что число действующих отражателей всегда оставалось не более 16-20. Поэтому коэффициенты отражения в отражательной структуре распределены следующим образом:

к0=0.14 к,= 0.123 к, = 0.109 к, = 0.099

к4 = 0.09 к. = 0.082 к, = 0.076 0 = 0.071

к? = 0.066 к9 = 0.062 к)0 = 0.058 к = 0.055

к)2 = 0.052 к,з" - 0.05 ки-0.047 к| _ - 0.045

Как видно коэффициенты отражения значительно уменьшается, что говорит о том, что ПАВ под системой отражателей значительно ослабляется. Расстояние между ВШП в отражателях меняется от периода ВШП, до 1,2 периода ВШП. что обеспечивает необходимый сдвиг фаз для достижения нужных коэффициентов отражения. Отсчет ведется от последнего отражателя с нулевым номером. Расстояние между ВШП в отражателях, начиная от

последнего, соответственно равны. Кодировка меток производилась с помощью специального кодирующего фотошаблона, который создавал окна на диске, где расположены некодированные метки с массивами по 16-20 отражателей. Через эти окна удалялись лишние, образуя кодовые последовательности из нулей и единиц.

В пятой главе приведены результаты экспериментальных исследований. Описаны методика контроля параметров датчиков и устройств идентификации. Приведены варианты использования датчиков и устройств идентификации в машиностроении и строительстве.

Для измерения электрических параметров датчиков и меток в диапазоне частот 800-2483 МГц на базе измерителя комплексных коэффициентов передачи (ИККП) «0бзор-304» и зондовой станции РМ-5 был изготовлен автоматизированный технологический стенд контроля (рис.7.) с возможностью обработки полученных результатов на ПЭВМ.

Автоматизированный технологический стенд контроля обеспечил выходной контроль датчиков и меток как на пластине, так и отдельных чипов и корпусированных в БМБ-корпусах меток.

Обмен измерительной информацией при помощи программного обеспечения между ИККП «0бзор-304» и ПЭВМ позволил производить управление и настройку рабочих параметров прибора, необходимые математические расчёты по определению основных параметров датчиков и меток, оптимизировать параметры датчиков и меток при их разработке.

На рис. 7. показан стенд для измерения параметров датчиков и корпусированных меток. Он содержит измеритель АЧХ, который имеет выход на ЭВМ. К входу и выходу прибора подсоединен кабели, соединенные между собой, в месте соединения подключена антенна в виде полуволнового вибратора

Рис. 7..Измерительный стенд для измерения корпусированных меток и

датчиков

На рис.8 показаны отраженные от отражательного ВП1П импульсы в случае когда он нагружен на согласованную нагрузку (пунктирная линия) и в случае отсутствия активного сопротивление в согласованной нагрузке (сплошная линия). Из этого рис видно, что при подключении ВИШ к согласованной нагрузке амплитуда отраженной ПАВ падает на 20 дБ.

ИККП

выход

вход

Метка (датчик)с антенной

Вносимое 0 затухание,

-30

дБ

■*о

~ 'jü о 100 ЭОО 300 400 500 600

4 tf4, НС

Рис.8. Импульсный отклик датчика На рис.9 показаны импульсные отклики РЧИД меток при толщине напыления 700 А

Вносимое затухание,

дБ -

Рис.9. Импульсный отклик от РЧИД меток, в которых неперекрывающиеся отражательные массивы находятся на различных расстояниях от ВШП.

Из откликов видно (рис.9), что амплитуда отраженных импульсов при толщине напыления 700 ангстрем намного ровнее, а вносимое затухание немного больше, чем при толщине напыления 1200 ангстрем, что говорит о уменьшении коэффициента отражения и уменьшении затухания ПАВ в металлической пленке.

Вносимое затухание,

t/л. ВС

Рис.10. Импульсные отклики кодированных РЧИД860 МГц

Как видно при толщине 700 ангстрем (рис.10) отраженные импульсы стали почти одной амплитуды, паразитные сигналы задавлены почти на 30 дБ, что говорит о значительном уменьшении влияния переотражения ПАВ внутри массивов отражателей, а так же о значительном уменьшении затухания ПАВ при прохождении отражателей.

//4. не

Рис.11. Кодированная РЧИД 860 второе временное положение.

Как видно из рис.11 шумов нет и кодированный сигнал легко распознаваем 1001100110011001. Видно, что амплитуда импульсов примерно одинаковы. Опорный импульс выше импульсов отраженных от массива отражателей всего на 7 дБ.

Таким образом, можно сделать вывод, что при толщине напыления 700 ангстрем влиянием затухания в пленке и увеличением коэффициента отражения можно пренебречь и импульсные отклики близки к расчетным. Этого нельзя сказать для меток на 2450 МГц (рис. 12), так как даже при толщине напыления 500 ангстрем влияние толщины пленки значительно сказывается на параметрах метки. Кроме того возможно сказывается затухание ПАВ в подложке, хотя для первого массива отражателей оно должно мало сказываться.

Вносимое , затухание, -дБ )1

))

В

Рис.12. Импульсные отклики РЧИД метки 2450 МГц

Вносимое затухание, дБ

Рис.13. Кодированная РЧИД метки 2450, второй отражательный массив, код

11100110001100110011

На рис. 13 показан импульсный отклик РЧИД2450 с большим временным разрешением. Ясно видно, что импульсы значительно меньше убывают вдоль отражательного массива после кодирования, а также хорошо виден опорный импульс в начале отклика, который по амплитуде гораздо больше, так как сказывается затухание ПАВ при распространении.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработаны конструкции пассивных датчиков на ПАВ для одновременного беспроводного контроля широкого спектра технологических параметров физико-химических процессов в совокупности с возможностью микропроцессорной обработки выходных параметров одновременно, что позволило создать новое эффективное средство для изучения и контроля технологических процессов производства и параметров изделий микро и наноэлектроники.

2. Разработаны новые структуры ВШП в диапазонах рабочих частот 1002400 МГц в датчиках давления (диапазон давлений 100-700 Па) и температуры (диапазон температур 25° - 100° С) для контроля физико-химических процессов, позволяющих существенно повысить точность и дальность дистанционого беспроводного контроля.

3. Исследованы и разработаны антенны для связи датчиков со считывателем.

4. Предложены конструкции датчиков, позволяющих не только измерять некоторую физическую величину, но и производить идентификацию измеряемого объекта.

5. Разработана конструкция считывателя, позволяющего измерять амплитуды отраженных от датчиков и РЧИД меток импульсов.

6. Разработаны конструкции РЧИД меток, позволяющих получать до 290 различных кодов.

К личному вкладу автора можно отнести:

В диссертации изложены результаты работ, которые были выполнены автором лично и в соавторстве. В части работ, выполненных в соавторстве и включенных в диссертацию, автор является инициатором проведенных работ (выдвигал идею, формулировал задачу, намечал пути ее решения) и внес определяющий вклад в проведение экспериментов, разработку конструктивных решений, методов и методик исследований, проведение теоретических и машинных расчетов. Кроме того, автор осуществлял обработку, анализ и обобщение результатов. Соавторы, принимавшие участие в исследованиях по отдельным направлениям, указаны в списке основных публикаций по теме диссертации. Все результаты, составляющие научную новизну диссертации и выносимые на защиту, получены автором лично.

Содержание диссертации отражено в следующих работах:

Работы, опубликованные в изданиях рекомендованных ВАК России:

1. Катаев В.Ф., Лунин Л.С., Карапетьян Г.Я Датчик перемещения на поверхностных акустических волнах [Текст]. // Изв. вузов. Материалы электронной техники. - 2013. - №2 - С. 39-43. 0,41

2. V. F. Kataev., L.S. Lunin, V.G. Dneprovskiy Conversions of Environmental Heat to Electric Energy in the Metal-Dielectric-Semiconductor-Metal System = Преобразование тепла окружающей среды в электрическую энергию в системе металл-диэлектрик-полупроводник-металл [Текст]. // Technical Physics, 2013, Vol. 58, No. 11, pp. 16191624 = Техн. физика. - 2013. - T. 58. вып. 11. - С. 1619-1624. 0.71

3. Катаев В.Ф., Лунин Л.С.. Крейс И.В. Особенности численного моделирования датчиков на основе поверхностных акустических волн (ПАВ) методом конечных элементов [Текст]. // Прикасп. журн. - 2011. - № 3 (15). - С. 39-46. 0,44.

4. Катаев В.Ф., Крейс И.В. Радиосистема удаленного контроля деформации конструкций в строительстве и машиностроении с применением акустоэлектронных ПАВ-датчиков на основе линий задержки [Текст]. // Прикасп. журн. - 2009. - № 1 (5). -С. 31-35. 0,3.

5. Катаев В.Ф., Крейс И.В. Датчик магнитного поля на основе резонатора на поверхностных акустических волнах [Текст]. // Прикасп. журн. - 2009. - № 4 (8). - С. 14-20. 0,8.

6. Катаев В.Ф., Лунин Л.С., Карапетьян Г .Я, Днепровский В.Г. металл-диэлектрик-полупроводник-металл [Текст]. // Журнал технической физики. - 2013,-Том.83.-вып.11. С.72-77. 0.71

Основные прочие работы по теме диссертации:

7. Катаев В.Ф., Крейс И.В. Датчики на основе линии задержки на поверхностных акустических волнах для системы температурного контроля реактора АЭС [Текст]. // Изв.-вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. - 2010. - Спец. вып. - С. 4144.0,41.

8. Катаев В.Ф., Крейс И.В. Система беспроводного дистанционного контроля деформации несущих конструкций с применением датчиков на основе составной линии задержки на поверхностных акустических волнах [Текст]. // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. - 2009. - Спец. вып. - С. 22-24.; 0,28.

9. Катаев В.Ф., Крейс И.В. Датчик на основе пьезоэлектрических структур для удаленного контроля физических параметров [Текст]. // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. - 2009. - Спец. вып. : Мехатроника. Современное состояние и тенденции развития : Всерос. науч. шк. для молодежи (г. Новочеркасск, 2-15 нояб. 2009 г.). - С. 169-171. 0,32.

10. Карапетьян Г.Я., Катаев В.Ф. Пассивный датчик на поверхностных акустических волнах для дистанционного контроля параметров. [Текст]. Технология и конструирование в электронной аппаратуре, (ТКЭА),-2006,- №5(65),-С..53-54,-0,25.

11. Карапетьян Г.Я.. Багдасарян A.C., Катаев В.Ф. Катаева О.В. Акустические датчики для дистанционного контроля давления. [Текст] Технология и конструирование в электронной аппаратуре, ТКЭА, №2, 2008,с.31-33,-0,4.

12. Катаев В.Ф.. Багдасарян A.C., Карапетьян Г.Я., В.Г. Днепровский В.Г. Датчики на поверхностных акустических волнах для дистанционного контроля

температуры [Текст]. //Технология и конструирование в электронной аппаратуре, (ТКЭА). - 2008. - № 5 (77). - С. 31-32. 0,2

13. Карапетьян Г.Я.. Катаев В.Ф., Ратушный В.И. Устройство идентификации подвижных объектов на поверхностных акустических волнах (ПАВ). Материалы международной конференции "Машиностроение и техносфера на рубеже XXI века":сб. тр.УШ междунар научно-техн. конф.-г.Севастополь-Донецк: Дон ГТУ, 2001 r.-T.l.C. 175-178 ,019

14. Катаев В.Ф., Гусаков A.B., Жуков В.А.Устройство обнаружения (идентификации) с помощью линии задержки на ПАВ. Новые методы теоретических и экспериментальных исследований материалов, приборов и технологий: Сб. науч. тр. /Волгодонский ин-тЮРГТУ. -Новочеркасск: ЮРГТУ, 2001,- С. 56-58, 0,16

15. V. F. Kataev., L.S. Lunin, V.l. Ratushniy. Device for Identification Of Objects Moving On Surface Acoustic Waves (SAW). 47 Internationales Technische Wissenschaftliches Kolloquium, 23-26 Sept. 2002,- Ilmenau, 2002. - P. 542-543, 0,125

16. Катаев В.Ф., Ратушный В.И., Абдула В.А., Глебов К.П. Перспективы создания персонифицированной биофизической и химико-физической системы идентификации физических и биологических объектов. Научно-техническое творчество студентов вузов: материалы Всерос. смотра-конкурса науч.-техн. творчества студентов вузов «Эврика-2005», г. Новочеркасск. 5-6 дек. 2005. -Новочеркасск : ЮРГТУ (НПИ), 2005г.-4.1.-С. 19-23.- 0,25

17. Катаев В.Ф., Левитский А.Е, Мазеин И.В. Устройство идентификации подвижных и неподвижных объектов с использованием пассивных акустоэлектронных датчиков Сборник конкурсных работ Всероссийского смотра-конкурса научно-технического творчества студентов высших учебных заведений «Эврика-2007».-Новочеркасск: Оникс+, 2007. - С.72-74 -0,15

18. Катаев В.Ф., Крейс И.В. Пугачева Е.А. Устройство дистанционного контроля деформации несущих конструкций в строительстве и машиностроении с использованием датчиков на основе пьезоэлектрических структур. Сборник конкурсных работ Всероссийского смотра-конкурса научно-технического творчества студентов высших учебных заведений «Эврика-2007». Новочеркасск: Оникс+, 2007.-С. 83-86.-0,2

19. Устройство дистанционного контроля деформации несущих конструкций в строительстве и машиностроении с использованием датчиков на основе линии задержки на поверхностных акустических волнах (ПАВ) [Текст] / В. Ф. Катаев, И. В. Крейс, И. И. Молодцов. // Инновационные технологии в управлении, образовании, промышленности "АСТИНТЕХ-2008" : материалы Междунар. науч. конф., 15-17 апр. 2008 г. -Астрахань, 2008. - С. 105-110. 0,56.

20. Катаев В.Ф, Багдасарян A.C.. Карапетьян Г.Я., Днепровский В.Г.. Исследование датчиков на поверхностных акустических волнах (ПАВ)для дистанционного контроля температуры [Текст]. // Современные информационные и электронные технологии : тр. IX междунар. науч.-практ. конф., 19-23 мая 2008 г., г. Одесса, Украина. - Одесса, 2008. - Т. 2. -С. 125. 0,06.

21. Катаев В.Ф,: Крейс И.В:. Устройство беспроводного дистанционного контроля давления шинавтомобиля с применением датчиков на основе составной линии задержки на поверхностных акустических волнах [Текст]. // Мехатроника-2008 : материалы IV Междунар. науч.-практ. студен, коллоквиума, 18-20 июня 2008 г. -Новочеркасск : ЮРГТУ (НПИ), 2008. - С. 20-21. 0,11.

22. Катаев В.Ф., Молодцов И.И., Катаева О.В.. Система идентификации подвижных и неподвижных объектов в машиностроении и транспорте с использованием акустоэлектронных радиометок на поверхностных акустических волнах (ПАВ) [Текст]. // Стратегическое планирование инновационной деятельности и способы коммерциализации научно-технической продукции : тез. школы-семинара, 20-25 окт. 2008 г. - Астрахань, 2008. - С. 13-17. 0,53.

23. Чернышов A.C., Катаева О.В, Катаев В.Ф. Пассивная радиочастотная идентификационная метка на поверхностных акустических волнах [Текст]. // Сборник конкурсных работ Всероссийского смотра-конкурса научно-технического творчества студентов высших учебных заведений "Эврика-2008". г. Новочеркасск, 17-23 ноября 2008 г. - Новочеркасск : Лик. 2008. - С. 98-100. 0,14

24. Молодцов И.И., Катаева О.В.. Катаев В.Ф. Акустоэлектронные датчики температур на поверхностных акустических волнах (ПАВ) в строительстве [Текст]. // Сборник конкурсных работ Всероссийского смотра-конкурса научно-технического творчества студентов высших учебных заведений "Эврика-2008", г. Новочеркасск, 1723 ноября 2008 г. - Новочеркасск : Лик. 2008. - С. 580-581. 0,11.

25. Чернышев A.C., Катаев В.Ф., Катаева О.В. Пассивная радиочастотная идентификационная метка на ПАВ для транспортной и складской логистики, идентификации товаров со средней дальностью в диапазоне частот 860-930 МГЦ [Текст]. // Инновационные технологии в управлении, образовании, промышленности "АСТИНТЕХ-2009": материалы Междунар. науч. конф., 11-14 мая 2009 г. -Астрахань, 2009.-С. 186-188.; 0,26.

26. Катаев В.Ф.. Крейс И.В. Датчик на основе резонатора на поверхностных акустических волнах для удаленного контроля биофизических параметров водителя [Текст]. // Инновационные технологии в управлении, образовании, промышленности "АСТИНТЕХ-2009": материалы Междунар. науч. конф., 11-14 мая 2009 г. -Астрахань. 2009.-С. 214-218.; 0,5.

27. Катаев В.Ф., Крейс И.В. Ультравысокочастотная пассивная идентификационная метка на поверхностных акустических волнах [Текст]. // Современные информационные и электронные технологии : тр. X междунар. науч.-практ. конф.. 18-22 мая 2009 г., Украина, г. Одесса. - Одесса, 2009. - Т. I. - С. 221. 0.06.

27. Катаев В.Ф, Чихиркина А.И., Шаповалова К.И. Технология наноимпринтолитографни для изготовления пассивных радиочастотных меток[Текст]. // Сборник конкурсных работ Всероссийского смотра-конкурса научно-технического творчества студентов высших учебных заведений «Эврика-2009». -Новочеркасск: Оникс+, 2009. - С. 244-247, 02.

28. Пассивная акустоэлектронная радиометка на поверхностных акустических волнах в системе контролируемого доступа на секретные военные объекты [Текст] / И. В. Крейс, А. И. Чихиркина, М. В. Кровякова, Катаев, В.Ф. (науч. рук.). // Юность, наука, культура : сб. тез. докл. XXY юбил. Всерос. конф. обучающихся. - [Б. м.] : Гос. Дума [и др. ], 2010. - С. 430-431. 0,05.

29. Катаев В.Ф., Крейс И.В. Особенности расчета основных характеристик и параметров датчиков на основе поверхностных акустических волн (ПАВ) для мехатронных систем [Текст] / «Ин-т термоэлектричества» // Мехатроника и робототехника. Современное состояние и тенденции развития : сб. тез. и ст. Всерос. конф. С элементами науч. н молодежи 20-24 сент. 2010 г., г. Новочеркасск. -Новочеркасск: ЛИК, 201 о'. - С. 36-44.

Катаев Владимир Федорович

РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИОННЫХ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ СОЗДАНИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ НА ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ И ВСТРЕЧНО-ШТЫРЕВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯХ

Автореферат

Подписано в печать 26.11.2013 Формат 60x84 '/16. Бумага офсетная. Печать цифровая. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100. Заказ № 46-2179.

Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)

Отпечатать в ИД «Политехник» 346428. г. Новочеркасск, ул. Первомайская, 166 idp-npi@mail.ru

Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Южный научный центр Российской академии наук. Лаборатория «Кристаллы и структуры твердотельной электроники»

Катаев Владимир Федорович

РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИОННЫХ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ

РЕШЕНИЙ СОЗДАНИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ УСТРОЙСТВ НА ПОВЕРХНОСТНЫХ АКУСТИЧЕСКИХ ВОЛНАХ И ВСТРЕЧНО-ШТЫРЕВЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯХ

Специальность 05.27.06 — "Технология и оборудование для производства полупроводников, материалов и приборов электронной техники» диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор физико-математических наук, профессор, заслуженный деятель науки Российской Федерации Лунин Леонид Сергеевич

Новочеркасск 2013

04201453713

На правах рукописи

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ..............................................................................................................4

1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ДАТЧИКОВ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

И УСТРОЙСТВ РАДИОЧАСТОТНОЙ ИДЕНТИФИКАЦИИ.....................11

1.1. Беспроводные датчики физических величин...........................................11

1.2. Устройства идентификации на ПАВ........................................................15

Выводы к гл. 1....................................................................................................18

2. ОДНОНАПРАВЛЕННЫЕ ВШП С ВНУТРЕННИМИ ОТРАЖАТЕЛЯМИ, РАБОТАЮЩИХ НА ОСНОВНОЙ ЧАСТОТЕ И ПРОСТРАНСТВЕННЫХ ГАРМОНИКАХ..................................................................................................19

2.1. Введение......................................................................................................19

2.2. Описание конструкции и расчет однонаправленных ВШП

с внутренними отражателями новой конструкции.....................................21

2.3. ВШП, работающие на пространственных гармониках...........................27

Выводы к гл.2.....................................................................................................32

3. ПАССИВНЫЕ ДАТЧИКИ НА ПАВ...............................................................34

3.1. Исследование прохождения ПАВ под управляющим ВШП..................34

3.2. Конструкция датчика..................................................................................39

3.3. Датчик давления на основе составной ЛЗ................................................41

3.3.1. Принцип действия................................................................................41

3.3.2. Конструкция упругого элемента........................................................43

3.4. Датчик перемещения на основе валика....................................................44

3.5. Датчики давления и уровня жидкости на основе датчика перемещения...................................................................................................61

3.6. Датчик измерения давления на основе мембранного конденсатора.....63

Выводы к гл. 3....................................................................................................67

4. УСТРОЙСТВА ИДЕНТИФИКАЦИИ НА ПАВ............................................68

4.1. Введение......................................................................................................68

4.2. Разработка и изготовление радиочастотных идентификационных (РЧИД) меток в диапазоне частот 860-890 МГц.........................................72

4.2.1 Разработка и изготовление фотошаблонов РЧИДметок..............72

4.2.2. Изготовление РЧИД меток................................................................80

4.3. РЧИД метки в диапазоне частот 2400-2480 МГц...................................83

4.4. Разработка, изготовление и исследование РЧИД меток на ПАВ

в диапазоне частот 2400-2483 МГц, работающих на основной частоте... 86

4.4.1. Разработка и изготовление фотошаблонов.....................................86

4.4.2. Изготовление РЧИД меток................................................................92

4.5. Возможность конструирования устройства сочетающего одновременно датчик и идентификацию...............................................................................94

Выводы к гл. 4....................................................................................................96

5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ДАТЧИКОВ И МЕТОК.. 98 5.1 Методика контроля параметров датчиков и устройств идентификации (описание стенда для измерения параметров датчиков и устройств

идентификации)..............................................................................................98

5.2. Результаты измерения датчиков.............................................................101

5.2.1. Результаты измерения датчика температуры.............................101

5.2.2.Результаты измерения датчика давления.......................................104

5.2.3. Экспериментальные результаты датчиков давления с мембранным конденсатором......................................................................108

5.2.4. Проведение дистатщонных исследований......................................115

5.3.Экспериментальное исследование РЧИД меток....................................127

5.3.1. РЧИД метки в диапазоне 860-870 МГц...........................................127

5.3.2. РЧИД метки в диапазоне 2400-2483 МГц.......................................131

Выводы к главе 5.............................................................................................139

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...................................................................................................140

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ...................................................................................141

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность исследования

Проблема беспроводного дистанционного контроля физических параметров (давления, температуры, влажности и др.) в настоящее время осуществляется с помощью различных датчиков по радиосигналу, т.е. к датчику придается радиопередатчик, который осуществляет беспроводную передачу информации от датчика. Все передатчики требуют источник питания. Возникает необходимость его периодической замены. Так как датчик может быть установлен в труднодоступном месте (например внутри вакуумной камеры технологической установки) или использоваться в условиях, при которых невозможна замена источника питания при работающем контролируемом объекте (например непрерывный цикл получения наноструктур), это часто невозможно. Неудовлетворенная потребность в подобных датчиках по данным ВТО составляла в 2012 более двух триллионов штук.

В предлагаемых датчиках проблема замены источника питания отсутствует. Такой датчик может быть установлен в труднодоступном или опасном месте лишь однажды. Разработка данных устройств позволит:

1. Создать системы беспроводного дистанционного контроля физических параметров (давления, температуры, влажности, радиоционного фона) в труднодоступных местах, не требующих питания, монтируемых однократно и позволяющих осуществить комплексный мониторинг напряженного состояния и ресурсной способности (наличие трещин, расслоений, дефектов и т.п.) узлов и конструкций, технологических режимов, а также безопасности обслуживающего персонала с одновременной идентификацией нескольких тысяч подобных устройств.

2. Создать системы беспроводного непрерывного получения и обработки информации о состоянии параметров технологического процесса и

прочности конкретных узлов и инженерных конструкций ответственного назначения в течении времени физического существования датчика.

3. Создать системы беспроводного дистанционного контроля за параметрами (давлением, температурой, влажностью и т.д.) различных биологических объектов, с целью обеспечения их безопасности и безопасности окружающих их других биологических объектов;

Можно считать системы беспроводного дистанционного контроля физических параметров на поверхностных акустических волнах разновидностью систем радиочастотной идентификации с использованием ПАВ устройств, обладающей теми же самыми преимуществами.

Беспроводная радиочастотная идентификация (РЧИД) предложена Массачусетским технологическим университетом, как одна из десяти ведущих технологий 21 века. Любая система идентификации подразумевает наличие объекта идентификации, промаркированного меткой, и некоего считывателя, который считывает закодированную информацию с метки и на основе считанной информации осуществляет идентификацию. Основой РЧИД технологии является эффект модуляции отраженного радиосигнала за счет управления эффективной поверхностью рассеяния радиоконтрастных объектов. РЧИД, по своей сути, является симбиозом технологий радиолокации и радиосвязи.

Датчик монтируется на объекте и служит его идентификатором. Датчики могут быть двух типов: активные и пассивные. Радиочастотные обычно включает в себя приемник, передатчик, антенну и блок памяти для хранения информации. Приемник, передатчик и память конструктивно выполняются, как правило, в виде отдельной микросхемы (чипа).

Пассивные датчики не имеют собственного источника питания, а необходимую для работы энергию получают из поступающего от считывателя электромагнитного сигнала. Преимуществом пассивных датчиков является практически неограниченный срок их службы (не требуют замены источников питания). Недостаток пассивных датчиков в

необходимости использования более мощных устройств считывания информации, обладающих соответствующими источниками питания.

РЧИД на поверхностных акустических волнах (ПАВ) является одним из лучших воплощений пассивной радиочастотной метки, так как она свободна от недостатков наиболее широко используемой во всем мире пассивной РЧИД метки с накоплением на основе смарт карты, в которой недостатком является длительная фаза заряда конденсатора, и как следствие не высокая скорость работы всей системы в целом.

Особо важно отметить низкую зону контроля, возможность подделки не в промышленных условиях, а также низкий уровень излучения (как для датчиков так и для устройств идентификации), требуемый для обнаружения отраженных импульсов, что очень важно при наличии в зоне считывания живых объектов.

Поэтому разработка таких устройств в настоящий момент, когда пассивные датчики устройства идентификации только начинают широко внедряться, является актуальной задачей.

Цели и задачи исследования

Целью диссертационной работы является разработка конструкционных и технологических решений создания пассивных датчиков на поверхностных акустических волнах (ПАВ) и встречно-штыревых преобразователей (ВШП) для беспроводного дистанционного мониторинга физических параметров (давления, температуры, напряженного состояния) и идентификации объектов.

Для реализации поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать, изготовить и исследовать датчики на основе линий задержки на ПАВ (ЛЗ на ПАВ) с уменьшенным вносимым затуханием с задержками 4 — 10 мкс, в диапазоне частот 100-2400 МГц.

2. Исследовать отражения ПАВ от встречно-штыревых преобразователей (ВШП) в зависимости от типа и величины нагрузки подключаемой к ВШП, величина которой изменяется от различных физических воздействий, для датчиков дистанционного контроля физических параметров.

3. Разработать и изготовить радиочастотных идентификационных датчиков с отражателями с убывающим коэффициентом отражения для компенсации затухания ПАВ в системе отражателей.

4. Разработать и изготовить для датчиков , согласованной с ВШП, направленной антенны для связи ЛЗ на ПАВ с приемо-передатчиком.

Объект исследования

Объектом исследования является датчики на основе линий задержки на поверхностных акустических волнах, в которых параметры ПАВ зависят от внешних воздействий, что позволяет измерять различные физические величины, устройства идентификации, а также связанные с ними антенны, считыватели, необходимые для связи с датчиком и обработки информации.

Предметом исследования являются различные ориентации пьезоэлектрических кристаллов, а также акустоэлектронные элементы, входящие в состав приборов на ПАВ. К последним относятся встречно-штыревые преобразователи (ВШП), конструкции антенн, электронные схемы.

Методологическая и теоретическая основа исследования

Исследования распространения и возбуждения поверхностных акустических волн (ПАВ) в произвольных пьезоэлектрических кристаллах и слоистых структурах, существенный вклад в которые внесли российские ученые И.А.Викторов, Ю.В.Гуляев, В.И. Пустовойт, положили начало новому направлению в электронике - акустоэлектроники. Основные преимущества и конкурентноспособность акустоэлектронных приборов по сравнению с другими классами аналогичных устройств заключаются в

возможности значительного уменьшения габаритов и массы компонентов, технологичности изготовления, стабильности параметров и относительно невысокой стоимости.

В числе информационных источников диссертации использованы:

а) научные источники в виде данных и сведений из книг, журнальных статей, научных докладов и отчетов, материалов научных конференций, семинаров;

б) результаты собственных расчетов и проведенных экспериментов.

Научная новизна работы. При выполнении диссертационной работы получены следующие новые научные результаты:

• Предложена оригинальная конструкция пассивного датчика на ПАВ, позволяющего измерять различные физические величины.

• Предложена оригинальная конструкция отражателей на основе датчиков на ПАВ с убывающими коэффициентами отражения для компенсации затухания.

• Предложены конструкции датчиков, позволяющих не только измерять некоторую физическую величину, но и производить идентификацию измеряемого объекта.

Практическая ценность работы. Практическая ценность работы состоит в разработке и внедрении в промышленность:

• Новых конструкций датчиков на ПАВ и систем контроля за ними.

• Новых конструкций РЧИД меток на ПАВ для систем безопасности.

• Новых конструкций датчиков совмещенных с РЧИД метками на ПАВ, позволяющими не только измерить физическую величину, но и идентифицировать объект, на котором он расположен.

Научные положения, выносимые на защиту:

• Для формирования датчиков и радиочастотных идентификационных меток с уменьшенным вносимым затуханием с целью повышения рабочих

частот необходимо использовать однонаправленные ВШП, в которых межэлектродные зазоры равны четверти длины ПАВ на центральной частоте преобразователя, а также ВШП работающие на пространственных гармониках.

• Применение в датчиках J13 на ПАВ с задержками 4-10 мкс и с отражательными ВШП, нагруженными на внешний импеданс позволяет упростить конструкцию за счет того, что физическое воздействие производится не на JI3, а на внешний импеданс, что особенно в диапазоне частот 100-2400 МГц.

• Использование JI3 с отражательным валиком вместо составной JI3, позволяет значительно упростить конструкцию датчиков давления.

• Экспериментальные исследования показали, что для датчиков температуры можно использовать JI3 с отражательным ВШП, нагруженным на терморезистор или изменение задержки ПАВ в подожке из-за температуры.

• Использование в РЧИД метках отражателей с убывающим коэффициентом отражения и позволяет получать наиболее равномерные импульсные отклики (не более 6 дБ).

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на VIII Международной научно-технической конференции «Машиностроение и техносфера на рубеже XXI -века», г.Севастополь, 2001г. , 47-м Международном техническом коллоквиуме, г. Ильменау, Германия, 2002г.; IV, VII, VIII, IX, X, XI, XII, XIII, XIV Международных научно практических конференциях «Современные информационные и электронные технологии», г. Одесса, 2003г.; 2006г.; 2007г.; 2008г.; 2009г.; 2010г.; 2011г.; Международных научных конференциях «Инновационные технологии в управлении, образовании, промышленности «АСТИНТЕХ — 2008», «АСТИНТЕХ - 2009», «АСТИНТЕХ - 2010», г.Астрахань; «Стратегическое планирование инновационной деятельности и способы коммерциализации научно-технической продукции», Международная школа-семинар,

г.Астрахань, 2008г.; Международная конференция «Мехатроника-2008», «Мехатроника-2009» г. Новочеркасск;; Всероссийская конференция «Мехатроника и робототехника-2010», г. Новочеркасск; Региональная научно-практическая конференция «состояние и перспективы строительства и безопасной эксплуатации Волгодонской АЭС», г.Волгодонск, 2008, 2009, 2010, 2011 гг.; V Всероссийская конференция обучающихся. «Национальное достояние России» г.Москва, 2011г.; XXVII Всероссийская конференция обучающихся. Юность, наука, культура», г.Москва, 2011г.

Результаты работы были внедрены на ряде предприятий РФ Экономический эффект и внедрение результатов работы. Экономический эффект от внедрения результатов работ за период 2001-2012 гг. превышает 6 млн. рублей

Публикация результатов работы. По результатам выполненных исследований опубликовано 43 научных работы, в том числе в 22 статьях в том числе 3 в международных журналах, 20 тезисах докладов различных конференций и семинаров.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, заключения и списка использованных источников. Диссертация содержит 150 страниц машинописного текста.

1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ДАТЧИКОВ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

И УСТРОЙСТВ РАДИОЧАСТОТНОЙ ИДЕНТИФИКАЦИИ

1.1. Беспроводные датчики физических величин

Все возрастающие требования к контролю параметров современных технологических процессов и режимов работы различных устройств, и оборудования ставят задачу по разработке датчиков с новыми функциональными возможностями. Здесь особое место занимают технологии автоматизированных систем дистанционного беспроводного мониторинга физических параметров технических систем.

До настоящего времени, датчики на поверхностных акустических волнах (ПАВ), разрабатывались, как правило, на основе генераторных схем. Их отличает высокая чувствительность, быстродействие, точность, �