CN101504445B - 背槽式结构磁流体-声表面波集成磁传感器 - Google Patents

背槽式结构磁流体-声表面波集成磁传感器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了背槽式结构磁流体-声表面波集成磁传感器，包括压电基片、两个叉指换能器IDT、磁流体槽及两组收发电磁波信号的天线，所述两个叉指能换能器IDT分别位于基片表面的两端，所述磁流体槽设置在两个叉指换能器之间压电基片底部的中央位置；所述收发电磁波信号的天线，分别连接在两个IDT的汇流条上。该传感器可实现无源无线高精度实时的磁场强度测量，通过天线接收射频信号在IDT上激发瑞利波RSAW，由于磁流体对外磁场变化的零迟滞响应，瞬时使瑞利波能量衰减，再将衰减的瑞利波经IDT转换为电磁波由天线发射出去，根据发射出去的电磁波频率和幅值变化与磁场强度变化的对应关系，即可准确测量出磁场变化。

Description

背槽式结构磁流体-声表面波集成磁传感器
技术领域
本发明涉及磁传感器的生产及应用领域，尤其涉及背槽式结构磁流体-声表面波集成磁传感器。
背景技术
目前，随着信息产业、工业自动化、电力电子技术、交通运输、医疗仪器、办公自动化、家用电器等飞速发展和电子计算机应用的普及，需要大量传感器将被测非电参量转换成可与计算机兼容的电讯号，这就为磁传感器的快速发展提供了机会，形成了相当可观的磁传感器产业。
传统的磁传感器多为基于磁阻效应的磁敏电阻或巨磁电阻加工制成测量磁场的磁传感器。包括最早的基于霍尔效应的霍尔效应器件，基于载流子畴磁场调制的载流子畴器件，基于磁敏电阻各向异性的金属膜磁敏器件，基于巨磁阻抗或巨磁感应效应的巨磁阻抗传感器，基于磁致伸缩效应的磁致伸缩传感器，基于法拉第电磁感应效应的磁电感应传感器，基于材料的B-H饱和特性的磁通门磁强计，基于核磁共振的核磁共振磁强计，基于法拉第效应或磁致伸缩的磁光传感器等。
声磁传感器基于材料的磁致伸缩效应，当对其施加交变磁场激励信号，并且交变激励信号的频率与材料的固有频率相等时，材料将产生磁力共振，接收装置检测到材料由于共振而产生的声波信号，并经过处理得到声磁传感器的共振频率及响应幅值，从而反映磁场变化。用声表面波器件进行磁场测量的方法，目前是以超磁致伸缩材料为间接媒质，将超磁致伸缩材料受外磁场变化产生的应力转化为谐振器的频率、幅值变化，进而通过测量声表面波谐振器频率幅值的变化来测量外磁场变化。
上述各种磁传感器测量磁场强度范围受其各自原理限制，即使是超磁致伸缩材料制成的磁传感器反应灵敏度也不够高，实时性不够好，且上述磁传感器均不易实现无源无线的信号激励和收发控制。
发明内容
本发明的目的在于依据磁流体在外加磁场变化时有明显的粘度变化，且磁流体的磁粘特性对瑞利波的阻尼效应使得瑞利波能量有明显变化，从而改变输出电磁波的频率和幅值；使外磁场强度变化与输出电磁波的频率和幅值变化建立起对应关系，可以精确，实时地测量磁场强度变化，即形成磁传感器。
为了达到上述目的，本发明提出背槽式结构磁流体-声表面波集成磁传感器，本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明所涉及的背槽式结构磁流体-声表面波集成磁传感器，包括：
所述传感器包括：压电基片、两个叉指换能器IDT、磁流体槽及两组接受和发射电磁波信号的天线，所述叉指换能器位于压电基片的两端，所述磁流体槽设置在两个叉指换能器之间压电基片底部的中央位置，在该磁流体槽内填注有磁流体并封装；所述天线连接于叉指换能器IDT的汇流条上。
所述传感器的基片材料为石英晶体，通过采用ST切割及X方向传播的加工方式，使得基片表面激发瑞利波RSAW。
所述传感器的叉指换能器IDT包括有两个，设置在压电基片表面两端，将两个叉指换能器加工成指条宽度为四分之一瑞利波波长的相同周期及相同指长的叉指电极；所述叉指换能器采用的材料为金属铜。
所述传感器底部中央位置的磁流体填注槽的形状为梯形，将磁流体填入后进行封装，使得传感器通过磁流体粘度变化引发瑞利波能量发生变化，所述磁流体粘度变化是由外磁场强度的变化引起的，从而通过瑞利波能量的变化对外磁场强度的变化进行测量。
所述传感器是采用磁流体的磁粘特性对瑞利波能量产生影响，即影响输出电磁波的频率和幅值，从而实现引起磁粘变化的外磁场强度变化的测量；磁-声耦合发生在微米数量级，使得传感器测量精度较高，且所述磁传感器采用的磁流体对外磁场变化响应无延时可以实现实时测量。
所述传感器天线包括两组，分别接收和发送射频信号，实现瑞利波的激发和能量变化后声波转换为电磁波的发射。
所述传感器能实现无源无线的磁场强度变化检测。
本发明提供的技术方案的有益效果是：
1、温度特性好(温度系数为零)，传播损耗小(声表面波有效的机电耦合系数大)，加工容易且成本低廉；
2、有效测量静磁场和交变、高频磁场强度变化，零迟滞，精度高；
3、该传感器可实现无源无线的磁场强度测量，尤其对于不宜采用电源或需遥测的传感系统较之传统的有源有线传感器更为适用；
4、器件小、稳定，适合集成到微型检测系统中。
附图说明
图1为背槽式结构磁流体-声表面波集成磁传感器的二维立体结构示意图；
图2为背槽式结构磁流体-声表面波集成磁传感器的平面结构俯视图；
图3为背槽式结构磁流体-声表面波集成磁传感器的传感原理图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述：
本实施例提供了背槽式结构磁流体-声表面波集成磁传感器。
参见图1与图2，展示了背槽式结构磁流体-声表面波集成磁传感器的二维立体结构与平面结构俯视图，该传感器包括压电基片2、两个叉指换能器IDT4、磁流体槽3及两组天线1，其中，两个叉指换能器4分别位于压电基片2两端，磁流体梯形槽3位于压电基片2底部的中央位置，并且在该中央位置设置有一磁流体填注槽，将磁流体填入并进行封装，两组天线1分别连接于叉指换能器IDT。该传感器可实现无源无线高精度实时的磁场强度测量，通过天线接收电磁波信号在IDT上激发瑞利波，由于磁流体对外磁场变化的零迟滞响应，瞬时使瑞利波能量衰减，再将衰减的瑞利波经IDT转换为电磁波由天线发射出去，根据发射出去的电磁波频率和幅值变化与磁场强度变化的对应关系，即可准确测量出磁场变化。
结合原理图3进一步描述压电基片2，材料为石英晶体。石英晶体制作的声表面波器件，除具有频带宽度窄、稳定度高的特点，还具有零温度系数切割，传播损耗小的特点，并且加工工艺成熟。为使基片表面激发瑞利波RSAW，采用传统的ST切割X方向传播的加工方式。由于接收端压电基片的逆压电效应，在输入端IDT上的交变电压使得基片表面产生交替的形变，该基片表面的形变以弹性机械振动的形式，即瑞利波的形式传播，再经发送端压电基片的压电效应将声波的机械振动转变为基片的周期性形变，从而在输出端IDT上产生交变输出电压。
结合原理图3进一步描述叉指换能器IDT4，材料为金属铜，加工于压电基片表面两端，指条宽度为四分之一瑞利波波长的相同周期及相同指长的叉指电极。器件一边的IDT接受天线输入的电信号激发出声信号，器件另一边的IDT将声信号变换为电信号从天线输出，其中输出电磁波的频率和幅值变化反映了磁流体粘度变化对瑞利波的影响，即外磁场变化对瑞利波能量的影响。
结合原理图3进一步描述磁流体槽3，它位于压电基片底部的中央位置，并且在该中央位置设置有一梯形磁流体填注槽，将磁流体填注其中并进行封装。磁流体材料是由纳米强磁性粒子、基液以及表面活性剂三者混合而成的一种稳定胶状溶液。该流体在静态时无磁吸引力，当外加磁场作用时，才表现出有磁性。磁流体在外磁场强度变化时粘度发生变化，对在基片表面传播的瑞利波产生阻尼效应而使瑞利波能量衰减，从而使得输出电磁波的频率和幅值产生变化。将这一变化量与外磁场变化建立起对应关系即可对磁场强度进行实时测量。
结合原理图3进一步描述天线1，两组天线分别连接于IDT的汇流条上。其中接收天线通过接收到特定频率的射频信号(射频激励信号频率与石英基片的固有频率和IDT的中心频率严格相同)在输入IDT上激发的瑞利波，经粘度变化的磁流体后，衰减的瑞利波经输出IDT转换为电磁波信号，再通过发射天线发射出去。
虽然通过实施例描绘了本发明，本领域普通技术人员知道，本发明有许多变形和变化而不脱离本发明的精神，本发明的申请文件的权利要求包括这些变形和变化。

Claims (6)

1.背槽式结构磁流体-声表面波集成磁传感器，其特征在于，所述传感器包括：压电基片、两个叉指换能器IDT、磁流体槽及两组天线，所述两个叉指换能器分别位于压电基片的两端，所述磁流体槽设置在两个叉指换能器之间压电基片底部的中央位置，在该磁流体槽内填注有磁流体并封装；所述两组天线分别连接于叉指换能器IDT的汇流条上；
所述传感器的基片材料为石英晶体，并通过采用ST切割及X方向传播的加工方式，使得基片表面激发瑞利波；
将设置在压电基片两端表面上的叉指换能器加工成指条宽度为四分之一瑞利波波长的相同周期及相同指长的叉指电极。
2.根据权利要求1所述的背槽式结构磁流体-声表面波集成磁传感器，其特征在于，所述叉指换能器采用的材料为金属铜。
3.根据权利要求1所述的背槽式结构磁流体-声表面波集成磁传感器，其特征在于，所述传感器底部中央位置的磁流体填注槽的形状为梯形，并将填注磁流体后的梯形槽进行封装，使得传感器通过磁流体粘度变化引发瑞利波能量发生变化，所述磁流体粘度变化是由外磁场强度的变化引起的，从而通过瑞利波能量的变化对外磁场强度的变化进行测量。
4.根据权利要求1或3所述的背槽式结构磁流体-声表面波集成磁传感器，其特征在于，所述传感器是通过磁流体的磁粘特性对瑞利波能量产生影响，即影响输出电磁波的频率和幅值，从而实现引起磁粘变化的外磁场强度变化的测量；磁-声耦合发生在微米数量级，使得传感器测量精度较高，且所述磁传感器采用的磁流体对外磁场变化响应无延时可以实现实时测量。
5.根据权利要求1所述的背槽式结构磁流体-声表面波集成磁传感器，其特征在于，所述传感器天线包括两组，分别接收和发送电磁波信号，实现瑞利波的激发和能量变化后声波转换为电磁波的发射。
6.根据权利要求1所述的背槽式结构磁流体-声表面波集成磁传感器，其特征在于，所述传感器能实现无源无线的磁场强度变化检测。
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