Разработка конструкционных и технологических решений создания электронных устройств на поверхностных акустических волнах и встречно-штыревых преобразователях тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.06, кандидат наук Катаев, Владимир Федорович

• Катаев, Владимир Федорович
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Катаев, Владимир Федорович

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ДАТЧИКОВ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

И УСТРОЙСТВ РАДИОЧАСТОТНОЙ ИДЕНТИФИКАЦИИ

1.1. Беспроводные датчики физических величин

1.2. Устройства идентификации на ПАВ

Выводы к гл. 1

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

2.1. Введение

2.2. Описание конструкции и расчет однонаправленных ВШП

с внутренними отражателями новой конструкции

2.3. ВШП, работающие на пространственных гармониках

Выводы к гл.2

3. ПАССИВНЫЕ ДАТЧИКИ НА ПАВ

3.1. Исследование прохождения ПАВ под управляющим ВШП

3.2. Конструкция датчика

3.3. Датчик давления на основе составной ЛЗ

3.3.1. Принцип действия

3.3.2. Конструкция упругого элемента

3.4. Датчик перемещения на основе валика

3.5. Датчики давления и уровня жидкости на основе датчика перемещения

3.6. Датчик измерения давления на основе мембранного конденсатора

Выводы к гл. 3

4. УСТРОЙСТВА ИДЕНТИФИКАЦИИ НА ПАВ

4.1. Введение

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

4.2.1 Разработка и изготовление фотошаблонов РЧИДметок

4.2.2. Изготовление РЧИД меток

4.3. РЧИД метки в диапазоне частот 2400-2480 МГц

4.4. Разработка, изготовление и исследование РЧИД меток на ПАВ

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

4.4.1. Разработка и изготовление фотошаблонов

4.4.2. Изготовление РЧИД меток

4.5. Возможность конструирования устройства сочетающего одновременно датчик и идентификацию

Выводы к гл. 4

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)

5.2. Результаты измерения датчиков

5.2.1. Результаты измерения датчика температуры

5.2.2.Результаты измерения датчика давления

5.2.3. Экспериментальные результаты датчиков давления с мембранным конденсатором

5.2.4. Проведение дистатщонных исследований

5.3.Экспериментальное исследование РЧИД меток

5.3.1. РЧИД метки в диапазоне 860-870 МГц

5.3.2. РЧИД метки в диапазоне 2400-2483 МГц

Выводы к главе 5

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка конструкционных и технологических решений создания электронных устройств на поверхностных акустических волнах и встречно-штыревых преобразователях»

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, малые энергопотребление, габариты, вес, а также высокие надежность и воспроизводимость параметров. Немаловажным является и тот факт, что для их производства применима планарная микроэлектронная технология, открывающая возможность массового производства высококачественных преобразователей. Значительное число технических решений таких датчиков, в т. ч. перемещений, силы, напряжений, электрофизических параметров материалов и окружающей среды приведено в обзоре [1], составленном на основе анализа более 100 работ и патентов США, Великобритании, ФРГ и Японии. Результаты зарубежных и отечественных работ приводятся также в работе [2].

Принцип действия известных прототипов датчиков на ПАВ основан на изменении условий распространения ПАВ при воздействии внешних факторов на подложку. При механическом воздействии на подложку ее поверхность определенным образом деформируется. При этом могут изменяться как линейные размеры звукопровода, так и его упругость и плотность. Эти факторы влекут за собой изменения как скорости ПАВ, так и

времени прохождения сигнала от входного встречно-штыревого преобразователя (ВШП) до выходного. Кроме того, возможно нанесение пленки между ВШП, способной селективно поглощать те или иные вещества из окружающей среды, что также влияет на величину скорости ПАВ. Как известно, скорость ПАВ также зависит от температуры подложки. Таким образом, очевидно, широко известна и апробирована принципиальная возможность измерения таких физических параметров, как сила, смещение, давление, температура, а также газовый состав окружающей среды [13,14,15].

Вместе с тем, до определенного момента практическое применение датчиков на ПАВ сдерживалось сложностью индикации. И, только появление генераторов на ПАВ, позволило осуществить индикацию хорошо отработанными методами частотных измерений [3].

Изменения в окружающей среде приводят к сдвигу фазы волны распространяющейся от входного к выходному ВШП. Суммарный сдвиг фазы в цепи

£<р = ф0 ± Афд ± фэ,

где фо— сдвиг фазы, обусловленный самим распространением волны от входного к выходному ВШП, фд — дополнительный сдвиг фазы, вызванный изменением параметров окружающей среды и сил, действующих на подложку, и фэ - сдвиг фазы в усилителе и согласующих цепях.

Если Еф = 2тш, где п - целое число, а потери в согласующих цепях и в линии задержки (ЛЗ) на ПАВ полностью компенсируются усилителем, возникает генерация. В случае изменения сдвига фазы в цепи обратной связи, происходит изменение рабочей частоты генератора на величину, позволяющую восстановить вновь требуемые фазовые соотношения. При неизменном фэ изменение частоты генератора будет определяться изменением параметров окружающей среды и сил, действующих на подложку. Следует отметить, что в кристаллическом кварце изменение

скорости за счет изменения упругости и плотности относительно невелико и основной вклад в изменение частоты вносится изменением длины звукопровода.

Более того, практически во всех типах датчиков следует учитывать изменение температуры окружающей среды. Уход частоты генератора определяется при этом температурным коэффициентом задержки (ТКЗ) звукопровода. Значения ТКЗ определяются совокупностью таких факторов как изменение линейных размеров звукопровода и скорости распространения ПАВ при изменении температуры. Изменение скорости ПАВ обусловлено температурными зависимостями упругих постоянных пьезоматериала и механическими напряжениями, возникающими при тепловом расширении звукопровода.

Если при разработке устройств на ПАВ для обработки сигналов стремятся к использованию термостабильных материалов (срезов), то в случае датчиков температуры на ПАВ, наоборот, выбирают термочувствительные материалы и срезы. Следует отметить, что температурные характеристики пьезоматериалов достаточно хорошо изучены.

Датчики на ПАВ строятся, как правило, по схеме с частотным выходом. Основа частотных датчиков - автогенератор, в котором в качестве частотозадающего элемента используется линия задержки или резонатор на ПАВ [4,16]. Обычно используется дифференциальная схема с двумя автогенераторами и формирователем сигнала разностной частоты, иногда схема с фазовым выходом.

Однако все эти датчики на ПАВ являются датчиками активного типа. В настоящей работе впервые проводятся, как фундаментальные исследования физических основ создания, так и экспериментальные исследования, направленные на разработку датчиков на ПАВ пассивного типа, не требующих электропитания.

В настоящее время появились пассивные датчики на ПАВ для дистанционного контроля температуры и давления основанные на изменении частоты отраженного сигнала [12]. Эти датчики содержат ПАВ резонатор, резонансная частота которого изменяется под действием температуры и давления и ли крутящего момента. В этом случае широкополосный считывающий импульс будет отражаться от такого датчика в виде затухающего длинного импульса с несущей частотой равной резонансной частоте ПАВ резонатора. Ясно, что резонансная частота такого резонатора может изменяться только при непосредственном воздействии измеряемой физической величины на параметры подложки, что и приводит к смещению резонансной частоты ПАВ резонатора. Поэтому для таких датчиком (кроме датчиков температуры) необходимы сложные дорогостоящие герметичные корпуса, чтобы физическое воздействие могло бы передаваться на подложку без искажений. Кроме того, такие датчики требуют сложную систему идентификации, которая должна определять с высокой точностью частоту заполнения отраженного импульса.

Рис. 1.1. Датчик физической величины

В предлагаемых в данной работе датчиках [8,9,10] 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. 1.1). 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 Z, то необходимость в специализированном корпусе отпадает и можно использовать серийно выпускаемые корпуса для ПАВ устройств.

1.2. Устройства идентификации на ПАВ

Беспроводная радиочастотная идентификация (РЧИД) стала одним из ярких примеров воплощения технологий, которые еще недавно казались фантастическими, а сегодня используются повсеместно в повседневной жизни. Любая система идентификации подразумевает наличие объекта идентификации, промаркированный меткой, и некоего считывателя, который считывает закодированную информацию с метки и на основе считанной информации осуществляет идентификацию [5]. Основой РЧИД технологии является эффект модуляции отраженного радиосигнала за счет управления эффективной поверхностью рассеяния (ЭПР) радиоконтрастных объектов [6]. РЧИД, по своей сути, является симбиозом технологий радиолокации и радиосвязи. Аналогично радиолокации: радиосигналом облучают пассивный радиоконтрастный объект - датчик (метку, или репер, или транспондер (tag)). Облучающий радиосигнал используется в качестве источника энергии для модулятора, находящегося в составе датчик. Модулятор по программе коммутирует диполь, при этом, ЭПР диполя изменяется, а отраженный сигнал модулируется по амплитуде. Аналогично радиосвязи: транспондер является источником модулированного радиосигнала, который принимают и анализируют в считывателе с целью получения информации, содержащей специфический номер транспондера. Аппаратная реализация технологии РЧИД достаточно проста и состоит из 3-х элементов — датчика, антенны и считывателя, связанного стандартным интерфейсом с информационной сетью. Структурная схема аппаратуры, реализующей эту технологию в микроволновом диапазоне (860 - 2400 МГц), показана на Рис. 1.2.

Диполь

Информационная сеть

Считыватель Антенна

V у*

Рис. 1.2. Структурная схема аппаратуры РЧИД в микроволновом диапазоне

Метка (датчик) монтируется на объекте и служит его идентификатором. Метки 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 метки не имеют собственного источника питания, а необходимую для работы энергию получают из поступающего от считывателя электромагнитного сигнала.

Преимуществом активных меток по сравнению с пассивными является значительно большая (не менее, чем в 2-3 раза) дальность считывания информации и высокая допустимая скорость движения активной метки относительно считывателя. Недостатками являются: ограниченный срок службы и возможность обнаружения.

Преимуществом пассивных меток является практически неограниченный срок их службы (не требуют замены батареек). Недостаток пассивных меток в необходимости использования более мощных устройств считывания информации, обладающих соответствующими источниками питания.

РЧИД на поверхностных акустических волнах (ПАВ) [7,10,11] является одним из лучших воплощений пассивной радиочастотной метки, так как она свободна от недостатков наиболее широко используемой во всем мире пассивной радиометки 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 даже не в промышленных условиях.

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

Электромагнитный сигнал, принятый антенной метки с помощью ВШП преобразуется в поверхностно акустическую волну (рис 1.3). 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 [17]. Для опроса метки служит считыватель, который формирует опросный импульс и принимает отраженную от метки последовательность импульсов [20].

Радиоволны

Антенна метки

«А <А ¡« у* »•..„ о=

Метка на ПАВ

вшп

Импульсы ПАВ

Рис 1.3. Принцип работы радиометки на ПАВ

В отличие от пассивных меток на основе микросхем для ПАВ меток требуется считывающие импульсы низкой мощности (сотни мкВт- единицы мВт) [19]. В этом случае удается достичь дальности считывания 5-10 м. Для меток на основе микросхем требуются значительно большие мощности, чтобы обеспечить питание микросхемы с помощью радиосигнала. Как отмечалось выше, метки и предлагаемые датчики имеют сходство, так как они работают на основе изменения отраженного от метки или датчика импульса. Поэтому считыватель для датчика работает аналогично считывателю для метки. В считывателе для меток должно присутствовать устройство распознавания кодов, а в считывателе для датчиков устройство которое измеряет амплитуду принятых импульсов.

Выводы к гл. 1

1. Описан принцип действия датчиков на ПАВ активного типа.

2. Описан принцип действия пассивных беспроводных датчиков на

ПАВ

3. Показано преимущества предлагаемых беспроводных датчиков по сравнению с известными.

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

2.1. Введение

Примером однонаправленных преобразователей, в которых направленность излучения достигается за счет структурной асимметрии, могут служить преобразователи группового типа (ГТП) [1,2 ]. Простейший преобразователь такого типа представляет собой две идентичные секции, разнесенные в направлении распространения ПАВ на четверть длины волны. Шаг электродов в секциях равен А/2. Между секциями включена фазосдвигающая цепь, обеспечивающая сдвиг фазы на угол 90°. Реальная величина направленности в такой конструкции составляет 10...20 дБ. Основными недостатками простого ГТП являются узкая полоса пропускания; неуправляемый частотный отклик и большие боковые лепестки, обусловленные сильной зависимостью фазовых сдвигов от частоты. Естественным развитием ГТП является пространственное совмещение секций. В данном случае группы верхних и нижних электродов, имеющие шаг Х0, расположены со сдвигом ^4 в направлении распространения ПАВ. Между электродами этих групп расположен меандровый электрод с периодически меняющейся шириной вертикальных участков. Следует отметить, что периодичность групп в преобразователе обуславливает многополосность частотного отклика ГТП. При этом побочные полосы пропускания разнесены по частоте на величину ^/(1+Кг), где Кг— число электродов в группе. Более того, в пределах одноактавного частотного диапазона число побочных полос пропускания равно Кг. Взаимное подавление паразитных полос достигается соответствующим выбором числа групп и числа электродов в группе одновременно во входном и выходном преобразователях, хотя полностью скомпенсировать таким способом

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Катаев, Владимир Федорович, 2013 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Колешко В.М., Мешков Ю.В. Микроэлектронные преобразователи информации на поверхностных акустических волнах // Зарубежная электронная техника. - 1985, № 9, с. 3-116.

2. Чалабян Г.А., Яковлев С.А. Преобразователи параметров окружающей среды на поверхностных акустических волнах. — Л., 1987. -53 с.

3. Речицкий В.И. Акустоэлектронные радиокомпоненты. Схемы, топология, конструкции. — М.: Радио и связь. 1987, - 192 с.

4. Малов В.В. Пьезорезонансные датчики. - М.: Энергоатомиздат, 1989. -272 с.

5. Гуляев Ю.В. «Акустоэлектроника — Российский приоритет». Радиоэлектроника и управление», 2-3, с.55-61, 2002.

6. ТИИЭР, №8, 1965

7. Clinton S. Hartmann. A Global SAW ID Tag with Large Data Capacity

Reprint from Proceedings of2002 IEEE Ultrasonics SymposiumMunich, Germany, October, 2002

8. Карапетьян Г.Я., Катаев В.Ф. Пассивный датчик на поверхностных акустических волнах для дистанционного контроля параметров. ТКЭА, №5, 2006, с.53.

9. Карапетьян Г.Я., Багдасарян A.C., Катаев В.Ф. Катаева О.В. Акустические датчики для дистанционного контроля давления. ТКЭА, №2, 2008,с.31

10. Карапетьян Г.Я., Катаев В.Ф. Устройство идентификации с ЛЗ на ПАВ. Материалы международной конференции "Машиностроение и техносфера на рубеже XXI века", 15 - 20 сентября 2001 г., с. 62.

11. М.Гудин, В.Зайцев, "Технология RFID: реалии и перспективы", Компоненты и технологии №4, 2003

12. Н.Елисеев Перспективные ПАВ-датчики «TRANSENSE/HONWELL» ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, 45 Бизнес 1/2008

13. Соборовер Э.И., Зяблов B.JL, Бессонов С.Г. Элемент на поверхностно-акустических волнах без чувствительного покрытия как анализатор газов и газовых смесей. Ч.З. Сверхлегкие газы: водород и гелий; датчик горизонтальных углов // Датчики и системы. 2005. № 3. С.47-54.

14. Соборовер Э.И., Бессонов С.Г., Абашкин А.Ю., Прусакова И.И. Элемент на поверхностно-акустических волнах без чувствительного покрытия как анализатор газов и газовых смесей. 4.5. Сенсорный датчик для течеискателя фреона-134а. результаты, полученные на одинарной линии задержки // Датчики и системы. 2005. №11. С.37-43.

15. Соборовер Э.И., Бессонов С.Г., Абашкин А.Ю., Элемент на поверхностно-акустических волнах без чувствительного покрытия как анализатор газов и газовых смесей. 4.6. Сенсорный датчик для течеискателя фреона-13 4а. результаты, полученные на двойной линии задержки // Датчики и системы. 2006. № 4. С.18-23.

16. Лепих Я.И. Датчик давления с тензочувствительным преобразователем на поверхностных акустических волнах ТКЭА, №3, 2004, с.53

17. S. Harma, W. G. Arthur, С. S. Hartmann, R. G. Maev, and V. P. Plessky Inline SAW RFID Tag Using Time Position and Phase Encoding. 2007 IEEE International Ultrasonics Symposium

18. S. Harma, V. P. Plessky, C. S. Hartmann, W. Steichen, SAW RFID Tag with Reduced Size 2006 IEEE Ultrasonics Symposium, p.2389

19. Clinton S. Hartmann and Lewis T. Claiborne, RF SAW, Inc., Richardson, Fundamental Limitations on Reading Range of Passive IC-Based RFID and SAW-Based RFID, 2007 IEEE International Conference on RFID Gaylord Texan Resort, Grapevine, TX, USA, March 26-28, 2007.

20. Li Shujian, Ma Lin, Wadg Danzhi, A Remote Wireless Identification System Based On Passive Surface Acoustic Wave (SAW) Devices, 0-7803901 5-6/05/$20.00 02005 IEEE, p.1113

21. Г.Я. Карапетьян., Т.В.Розовская, Л.И. Долгова, В.М. Мухортов. ВСТРЕЧНО-ШТЫРЕВОЙ ПРЕОРАЗОВАТЕЛБ ДЛЯ

РАДИОЧАСТОНЫХ ИДЕНТИФИКАЦИОННЫХ МЕТОК НА ЧАСТОТЫ СВЫШЕ 2 ГГЦ, "Вопросы радиоэлектроники", сер. "Общие вопросы", вып., 2007.

22. 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. 41-44. 0,41.

23. 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.

24. 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. : Мехатро-ника. Современное состояние и тенденции развития : Всерос. науч. шк. для молодежи (г. Новочеркасск, 2-15 нояб. 2009 г.). - С. 169-171. 0,32.

25. 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.

26. 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.

27. 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.

28. 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.

29. Катаев В.Ф., Лунин Л.С., Карапетьян Г.Я, Днепровский В.Г. Преобразование тепла окружающей среды в электрическую энергию в системе металл-диэлектрик-полупроводник-металл [Текст]. // Журнал технической физики. - 2013.- Том.83.-вып.11. С.72-77.

30. 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. 1619-1624 = Техн. физика. -2013.-Т. 58, вып. И.-С. 1619-1624.

31. Катаев В.Ф., Карапетьян Г.Я, Заремба О.И. Термоэлектрический преобразователь [Текст]. // Заявка PCT/RU2012/000240 Российская Федерация, HOIL 35/00 (2006/01). -№ WO 2013/151452 А1 ; заявл. 02.04.2012 ; опубл. 10.10.2013. -13 с.: ил.

32. 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.

33. Карапетьян Г.Я., Багдасарян А.С., 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

34. Катаев В.Ф., Багдасарян А.С., 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.

35. 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.VIII междунар научно-техн. конф.-г.Севастополь-Донецк: Дон ГТУ, 2001 г.-Т.1._С. 175-178

36. 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-т ЮРГТУ. -Новочеркасск: ЮРГТУ, 2001.- С. 56-58.

37. Катаев В.Ф., Гусаков A.B., Жуков В.А., Васильева О.Ю. Система скремблирования и дескремблирования каналов передачи информации на поверхностных акустических волнах Новые методы теоретических и экспериментальных исследований материалов, приборов и технологий: Сб. науч. тр. /Волгодонский ин-т ЮРГТУ. -Новочеркасск: ЮРГТУ, 2001.- С. 69-70. 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.

38. Катаев В.Ф., Ратушный В.И., Абдула B.A., 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.

39. Катаев В.Ф., Карапетьян Г.Я. Датчик на основе линии задержки на поверхностных акустических волнах (ПАВ) для дистанционного контроля физических параметров,. Современные информационные и электрон-

ные технологии : тр. VII междунар. науч.-практ. конф., 22-26 мая 2006 г., г. Одесса, Украина. - Одесса, 2006. -T.II-C.158

40. Катаев В.Ф., Багдасарян A.C., Карапетьян Г .Я. Датчик на основе линии задержки на поверхностных акустических волнах (ПАВ) для дистанционного контроля физических параметров. Современные информационные и электронные технологии : тр. VIII междунар. науч.-практ. конф., 21-25 мая 2007 г., г. Одесса, Украина. - Одесса, 2007. -С.ЗЗЗ

41. Катаев В.Ф., Воронин М.Н., Катаева О.В. Датчики на основе линии задержки на ПАВ для дистанционного контроля физических параметров конструкций АЭС. Студенческая научная весна-2007: сб. науч. тр. аспирантов и студентов ЮРГТУ (НПИ). -Новочеркасск: ЮРГТУ, 2007.-С. 117-118.

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

43. 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.

44. 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.

45. 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.

46. 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.

47. 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.

48. Чернышев 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.

49. 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, 17-23 ноября 2008 г. - Новочеркасск : Лик, 2008. - С. 580-581.

50. Крейс И.В,. Катаев В.Ф. Система радиоконтроля состояния водителя автомобиля с использованием датчика на основе резонатора на поверхностных акустических волнах [Текст]. // Студенческая научная весна — 2009 : материалы Межрегион, науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых Юж. федер. округа . - Новочеркасск, 2009.-С. 123124.

51. 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 Меж-дунар. науч. конф., 11-14 мая 2009 г. -Астрахань, 2009. - С. 186-188.

52. 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. 214218.

53. 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.-C.221.

54. Катаев В.Ф, Чихиркина А.И., Шаповалова К.И. Технология наноим-принтолитографии для изготовления пассивных радиочастотных ме-ток[Текст]. // Сборник конкурсных работ Всероссийского смотра-

конкурса научно-технического творчества студентов высших учебных заведений «Эврика-2009». - Новочеркасск: Оникс+, 2009. - С. 244-247.

55. 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. ХХУ юбил. Всерос. конф. обучающихся. - [Б. м.] : Гос. Дума [и др. ], 2010. -С. 430-431.

56. Газовый датчик на основе линии задержки на поверхностных акустических волнах [Текст] / Г. Г. Бойков, И. В. Крейс, В. Ф. Катаев. // Студенческая научная весна- 2010 : материалы межрегион, науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых вузов Рост. обл. — Новочеркасск, 2010. -С.113-114.

57. Датчик температуры на основе пьезоструктуры на поверхностных акустических волнах (ПАВ) [Текст] / В. Ф. Катаев, И. В. Крейс // Студенческая научная весна - 2010 : материалы межрегион, науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых вузов Рост. обл. — Новочеркасск, 2010. -С. 142-143.

58. 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, 2010,- С. 36-44.

59. Катаев В.Ф., Крейс И.В. Взаимодействие ПАВ с периодической системой сверхпроводящих электродов датчиков мехатронных систем. [Текст] /М-во образования и науки // Мехатроника: сб. тез. и ст. Всерос. науч. шк. для молодежи в области мехатроники, 20-24 сент. 2010 г., г. Новочеркасск. - Новочеркасск: ЛИК, 2010.

60. Катаев В.Ф., Крейс И.В., Бойков Г. Беспроводной газовый датчик на основе : задержки на поверхностных акустических волнах [Текст]. // Инновационные техно в управлении, образовании, промышленности «АСТИНТЕХ-2010»: материалы Меж/ научн. конф.., 11-14 мая 2010 г., - г. Астрахань, 2010. - С. 111-113.

61. Катаев В.Ф., Кровякова М., Паша Д. Разработка систем контроля доступа идентификации на основе акустоэлектронных датчиков [Текст]. // Инновационные технологии в управлении, образовании, промышленности «АСТИНТЕХ-2010»: матер Междунар. научн. конф.., 11-14 мая 2010 г., - г. Астрахань, 2010. - С. 116-117.

62. Устройство беспроводного дистанционного контроля давления шин автомобиля с применением датчиков на основе составной линии задержки на поверхностных акустических волнах [Текст] / Г.Г. Бойков, Д.С. Паша, В.Ф. Катаев, (науч. рук.). // Национальное достояние России : сб. тез. докл. V Всерос. конф. обучающихся. - [Б. м.] : Гос. Дума [и др.], 2011.-С. 863-864.

63. Катаев В.Ф., Карапетьян Г.Я., Днепровский В.Г. Багдасарян A.C. Датчик на поверхностных акустических волнах для измерения параметров жидких сред [Текст]. // Современные информационные и электронные технологии : тр. XII междунар. науч.-практ. конф., 18-22 мая 2011г., Украина, г. Одесса. - Одесса, 2011. - С. 261.

«ИНСТИТУТ ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСТВА»

ЗАКРЫТОЕ АКЦИОНЕРНОЕ ОБЩЕСТВО

ИНТЕРМ

Россия, 347360, г.Волгодонск, Ростовская область, ул.Энтузиастов, 3, оф.125, телефон +7(8639_24-74-14 , тел./факс [phone] E-mail: [e-mail]

Исх.№ 51 от 19.04.2011г. [Акт внедрения]

Russia, 3473600, s.Volgodonsk, Rostov region. Entusiastov str., 3, of. 125, pfone [phone] pfoneZ/fax [phone] E-mail: [e-mail]

г. Волгодонск

Утверждаю И.о.генер^ьного^директора ЗАО <<Инст^т^т^адоэ4ектричества>> ^Жерняк

АКТ

внедрения результатов диссертационной работы В.Ф. Катаева

Настоящим актом подтверждается, что Катаев В.Ф. во время работы в ЗАО «Институт термоэлектричества» проводил разработки и исследование транспондерных РЧИД датчиков для контроля физико-химических параметров технологических процессов микроэлектроники и участвовал в процессе подготовки их производства.

В процессе работы ЗАО«Институт термоэлектричества» было выпущено транспондерных РЧИД датчиков для контроля физико-химических параметров технологических процессов микроэлектроники в количестве 102015 шт. на сумму 20403000 руб.

Технический директор ЗАО «Институт термоэлектричества»

/Карапетьян Г.Я/