CN101008586A

CN101008586A - 一种可无线访问的声表面波力敏传感器

Info

Publication number: CN101008586A
Application number: CN 200710063145
Authority: CN
Inventors: 程卫东; 董永贵; 冯冠平; 鄂明成
Original assignee: Beijing Jiaotong University
Current assignee: Beijing Jiaotong University
Priority date: 2007-01-29
Filing date: 2007-01-29
Publication date: 2007-08-01

Abstract

一种可无线访问的声表面波力敏传感器，在压电基片上利用声表面波延迟线制作，主要用于将其用来测量特殊场所的力学量，如压力、加速度等。属于声表面波技术应用领域。采用钽酸锂LiTaO₃单晶材料，叉指换能器(Interdigital Transducer缩写IDT)和反射器的布局采用了并联式结构，3个声波传播通道，采用不同大小的反射器声孔径。传感器的灵敏度为298°/N。本发明的有益效果；可无线访问的声表面波力敏传感器可以使传感器无源化并进行无线测量。由于无线测量系统以电磁波作能量激励传感器，获得测量信息，故该传感器可以方便地用于旋转部件的应力、扭矩等检测，及其他普通传感器所无法应用的特殊领域。

Description

一种可无线访问的声表面波力敏传感器

技术领域

本发明涉及一种可无线访问的声表面波力敏传感器，一种在压电基片上利用声表面波延迟线制作的力敏传感装置，主要用于将其用来测量特殊场所的力学量，如压力、加速度等。属于声表面波技术应用领域。

背景技术

微电子技术的发展，计算机技术的普及，在当今世界范围内掀起了一股从实现工业社会向信息社会过渡为目标的新的技术革命浪潮。信息社会的特征是社会活动和生产活动的信息化。信息的采集和处理是信息的两大支柱。前者靠的是传感技术，后者依赖于计算机技术。上世纪80年代以来，世界上许多发达国家都在努力研究各种新型传感器，改进传统的传感器。目前国际上，一旦出现一种新材料、新元件、新工艺、新理论就可能很快地应用于传感技术，并研制出一种新的传感器。声表面波(Surface Acoustic Wave缩写SAW)传感器正是在这样的背景下发展起来的一种新型传感器。由于它具有许多独特的优点，近十多年来，美、德、日、法、意大利及俄罗斯等国投入了大量的人力、物力，进行积极开发，并取得了长足的进步。目前，声表面波技术已成为传感器研究新的热点领域。

声表面波传感器是声表面波技术的一个新的应用领域。到目前为止，国际上已研制了种类繁多的声表面波传感器。声表面波技术的发展为传感器的研究提供了很高的技术平台。声表面波传感器可以具有一些其他传感器所没有的特殊优势。其中一个最大的优势就是：利用声表面波器件本身的高频特性及基片的压电特性可以使传感器无源化并进行非接触测量。

雷达技术和无源声表面波传感器结合可以实现独特的传感器系统。该系统的主要特点是：在距离传感器几米的地方读出数据，传感器不需要电池或其他的电源供电。另一个优点是：声表面波传感器制作在高稳定的单晶上，所以几乎没有老化。这使得无源声表面波传感器有着非常广泛的应用前景。无源的声表面波传感器能放在移动或旋转的部件上进行测量，在特殊的环境里(例如被污染的地方或高压的电厂)进行监测。他们也能用在高真空内、混凝土下、高温及强辐射的环境下进行测量，而使用传统的传感器是不可能的。无源的声表面波传感器代表了声表面波传感器的一个新的发展方向。

SAW传感器的研究起源于70年代，当时人们在研究SAW电子器件的时候发现：表面沉积物、应力、温度、电场、磁场等外界因素均会对器件的特性产生较大的影响，这些影响是电子器件所不希望的，然而却十分适合于传感器的研究。

近十几年来，SAW技术、电子技术以及微平面工艺的不断发展，更是为SAW传感器的发展提供了良好的发展契机。重点体现在两个方面：一是在传感器的核心振荡元件中，采用谐振型振荡器，从而获得了更高的器件Q值。二是微平面工艺和电子技术的不断提高，使SAW振荡器的频率不断提高，电路Q值不断增大，体积不断缩小。正是上述两个因素，使SAW传感器不断向更高的精度、灵敏度、分辨率，更小的体积发展。国际核心刊物以及重要会议中有关SAW传感器的文章所占的比重正在逐年增加。SAW传感器技术的发展速度越来越快。到目前为止，已研制了种类繁多的SAW传感器。总起来讲，主要分两大类：

1.物理量传感器：力传感器、应力应变传感器、压力传感器、加速度传感器、温度传感器、磁场传感器、电压传感器、倾斜度传感器、流量传感器、水声传感器等等。

2.化学量传感器：气体传感器、湿度传感器、液体传感器等等。

可无线访问测量的SAW力敏传感器所采用的延迟线结构，和普通的延迟线SAW传感器件有很大的差别。制作高灵敏度可无线访问SAW力敏传感器，传感器的基片材料选择以理论计算的结果为基础，选温度系数低，声学传输损耗低，机电耦合系数高且有较大应变灵敏度系数的材料切向。设计反射器位置时考虑二次回波、回波之间的间隔及回波损耗。从传感器传输特性的带宽，保证最大的能量耦合。为保证回波的衰减一致，采用不同大小声孔径的反射器，补偿不同回波的传播损耗。

本发明主要为声表面波力敏传感器，用于进行大型工矿装备移动或旋转部件力学量的检测、测量。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明为一种可无线访问的声表面波力敏传感器。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种可无线访问的声表面波力敏传感器，采用钽酸锂LiTaO₃单晶材料，叉指换能器(Interdigital Transducer缩写IDT)和反射器的布局采用了并联式结构，3个声波传播通道，采用不同大小的反射器声孔径。传感器的灵敏度为298°/N。

对于可无线访问声表面波力敏传感器，需要有高的应变灵敏度系数，低的温度灵敏度系数；较高的耦合系数，特别是对于可无线访问SAW传感器，可以进一步增大测量距离。另外，机电耦合系数高对于减小传感器的尺寸也十分有利。所以本发明主要以这几项性能指标来选择可无线访问声表面波力敏传感器的材料。

提高传感器灵敏度主要有两个措施：(1)提高传感器的中心频率，(2)增大SAW在传感器基片上的传播时间。增大SAW在基片上的传播时间等于增大了波的传播路径，这要求选择材料时考虑波在基片上的传播衰减。

本发明的有益效果；

可无线访问的声表面波力敏传感器可以使传感器无源化并进行无线测量。由于无线测量系统以电磁波作能量激励传感器，获得测量信息，故该传感器可以方便地用于旋转部件的应力、扭矩等检测，及其他普通传感器所无法应用的特殊领域。

附图说明

图1可无线访问SAW力敏传感器反射器布局图；

图2传感器基片外形；

图3传感器结构示意图。

下面结合附图和实施例对发明进一步说明。

具体实施方式

实施例1：

铌酸锂和钽酸锂在结构和性能上都极为相似，根据性能参数的理论计算，LiNbO₃单晶材料机电耦合系数大，其温度系数也大。LiTaO₃单晶材料虽然机电耦合系数不如LiNbO₃单晶那样高，温度系数又不象ST石英单晶那么低，但他的应变灵敏度系数比铌酸锂大，而且LiTaO₃材料声学传输损耗低，是目前使用的各种晶体中最小的，所以选择采用LiTaO₃单晶材料。根据对LiNbO3、LiTaO3的三项性能参数计算结果的分析，把传感器材料确定为温度系数小、应变灵敏度系数大，机电耦合系数居中的X切112°Y传播的LiTaO₃材料。

如图1所示，IDT和反射器的布局采用了并联式结构，图中所示为3个声波传播通道，有上下两个激励IDT，采用并联方式。下方IDT左侧为第一声波传播通道，右侧为第三声波传播通道，上方IDT的右侧为第二声波传播通道，3个声波传播通道，可以使回波能量大大增强。反射器位置考虑了二次回波、回波之间的间隔及回波损耗。从传感器的总体传输特性的带宽，确定IDT的指对数，保证最大的能量耦合。为保证回波的衰减一致，采用了不同大小的反射器声孔径。传感器的灵敏度为298°/N。

本发明研究的可无线访问SAW力敏传感器，压电基片外形如图2所示，基片上角度θ为15°，等强度梁上纵、横向应变是均匀的。

传感器的实际结构如图3所示。图中1为电极，与基片上编号为2的IDT相联，3为硅胶膜片来封装IDT及反射器，4为金属屏蔽外壳，5为基片。

采用X切112°Y传播LiTaO₃单晶材料制作了高灵敏度可无线访问SAW力敏传感器。

实施例2：

传感器的IDT和反射器的布局采用了并联式结构，3个声波传播通道，可以使回波能量大大增强。

实施例3：

传感器结构参数为：反射器的栅条数为200条，声孔径分别为1.0089mm、0.9369mm、0.7742mm。第一个回波的位置定在3.625mm处，第二回波位于12.521mm处，第三回波定在16.475mm处。

Claims

1.一种可无线访问的声表面波力敏传感器，其特征是：采用LiTaO₃单晶材料，IDT和反射器的布局采用了并联式结构，3个声波传播通道，采用不同大小的反射器声孔径。传感器的灵敏度为298°/N。

2.根据权利要求1所述的一种可无线访问的声表面波力敏传感器，其特征是：采用X切112°Y传播LiTaO₃单晶材料。

3.根据权利要求1或2所述的一种可无线访问的声表面波力敏传感器，其特征是：传感器结构参数为：反射器的栅条数为200条，声孔径分别为1.0089mm、0.9369mm、0.7742mm，第一个回波的位置定在3.625mm处，第二回波位于12.521mm处，第三回波定在16.475mm处。