CN102435384B - 基于纵横应力调整的saw高温压力传感器温度补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于纵横应力调整的SAW高温压力传感器温度补偿的方法。其特征在于优化选择SAW敏感基片切型的基础上，将传统的平面形式的膜片结构优化设计为背面为内柱面的结构。本发明通过合理设计膜片直径、厚度、柱面半径等几何尺寸，来控制表面应力纵横比的分布状态，从而改变膜片表面的SAW谐振器的频率-温度特性，使得SAW器件的频率-温度特性在一个较宽的温度和压力范围内基本保持恒定，以达到宽温度和宽量程范围的更好的温度补偿效果。

Description

基于纵横应力调整的SAW高温压力传感器温度补偿方法

技术领域

本发明涉及的是一种用于声表面波（SAW）高温压力传感器的温度补偿的方法。具体是在优化选择SAW敏感基片切型的基础上，通过控制基片表面的纵横应力比来改善SAW谐振器的频率-温度特性，从而实现较宽温度和程范围的更好的温度补偿效果。

背景技术

高温环境下温度、压力等参数的检测是石油、化工、汽车、航天、军事等领域的一项重要任务，由于高温环境下供电和导线联接困难，一般电子线路也难以正常工作，常规传感器的使用受到极大限制。因此研究适合高温环境下使用的压力传感器是非常有意义的。基于声表面波（Surface Acoustic Wave，简写为SAW）技术的传感器是纯无源且便于进行无线测量和传输，这对于运动部件、密闭腔、易燃、易爆、辐射、高温等特殊环境的检测更为有利。目前国际上已研制成功了以石英晶体为基片的声表面波压力传感器，在结构上有石英杯式、导压式、杠杆式、悬臂梁式等。但是以石英、铌酸锂等常用压电晶体为基片的SAW传感器并不适合在200℃以上的高温环境下使用。新兴的LGS（硅酸镓镧，Langsite（La₃Ga₅SiO₁₄））压电晶体具有良好的压电特性和温度特性，是到目前为止发现的最好的高温声表面波基片材料，它的出现使无线无源化的高温SAW压力传感器成为可能。但在高温条件下不仅会引起热应力、基片和金属叉指结构形变，而且也会使基片材料常数发生变化，表现为基片零温度特性点（简称拐点）的漂移、灵敏度的变化、SAW谐振器Q值的降低和插损的增大，从而使传感器的稳定性和线性度变差，因此研制SAW高温压力传感器必须很好解决温度补偿问题。

经对现有技术的文献检索发现，现有的方法是通过选用零温度系数切向和双通道差动结构，该补偿方法要求进行差频的两个谐振器的频率-温度特性完全一致，这在工艺上是很难做到的。同时，所谓的零温度系数切向也是相对某一特定温度点而言的，SAW器件的频率-温度特性随着温度的变化而发生显著变化，如目前在SAW压力传感器上广泛使用的石英ST切，在室温下其温度系数基本为零，但如果温度变化到100℃，其温度系数则变为约90ppm。同时温度敏感性和压力敏感性之间还存在非线性耦合问题，即频率-温度特性会随着压力的变化而变化，而且这种非线性耦合会随着温度和压力范围的增大而加剧。这样传统的温度补偿措施只是针对某个固定压力点的，而不能实现全量程范围的补偿。

经对现有技术的文献检索发现，中国专利申请“高温（600℃）压力测量无源无线声表面波传感器（CN102169036A）”公开了一种可用于600℃高温的无源无线声表面波压力传感器，该专利仅对传感器的一般基本组成结构进行了公开，并未涉及基片切向优化选择和温度补偿问题。

经对现有技术的文献检索发现，中国专利“声表面波频率器件温度补偿系统（CN201584960U）”公开了一种声表面波频率器件温度补偿系统，包括温度传感器、温度补偿电路、可调电容库等。其基本思路是预先测出SAW器件的频率-温度特性，并将其作为列表存储在存储器中，工作时通过温度传感器测量当前实际温度并依次查询列表，确定应调整的可变电容的大小，从而实现SAW器件频率的性对稳定。可以看出该专利是以保持器件的频率稳定为目的，且采用的技术思路是引入专门的温度传感器和可调电容，与本申请的技术思路完全不同。

经对现有技术的文献检索发现，文献“浮动零点法及其在声表面波传感器中的应用（陈明、李岁劳、范东远；载于《航空计测技术》1994年04期）”及“用浮动零点法消除温度对SAW加速度计测量准确度的影响（刘骏跃,陈明；载于《传感技术学报》2005年03期）”提出了应用浮动零点法进行温度补偿的方法。其基本思路是采用差动谐振器原理，通过判断两个谐振器的频率变化方向是否一致来确定是被测信息还是温度干扰信息引起的输出。如果两个谐振器的频率变化方向一致，说明是由温度变化引起的，将此差频输出作为新的零点，从而实现零位点随温度变化的浮动。可以看出这种方法只适合温度变化和被测量变化不同时发生的情形，但实际在压力传感器应用上，温度和压力的变化往往都是同时发生的，因此该方法并不适合。

发明内容

本发明涉及一种基于纵横应力调整的声表面波（SAW）高温压力传感器温度补偿的方法。本发明的目的是针对高温声表面波压力传感器开发和应用中的温度补偿难题，在优化选择SAW敏感基片切型的基础上，通过控制基片表面的纵横应力比来改善SAW谐振器的频率-温度特性，从而实现较宽温度和程范围的更好的温度补偿效果。为高温表面波压力传感器的温度补偿提供新的技术思路。

本发明在优化选择SAW敏感基片切型的基础上，将传统的平面形式的膜片结构改为背面为内柱面的结构，通过合理设计膜片直径、厚度、柱面半径等几何尺寸，来控制表面应力纵横比的分布状态，从而改变膜片表面的SAW谐振器的频率-温度特性，使得SAW器件的频率-温度特性在一个较宽的温度和压力范围内基本保持恒定，以达到宽温度和宽量程范围的更好的温度补偿效果。

根据本发明的一个方面，提供一种基于纵横应力调整的SAW高温压力传感器温度补偿方法，选择SAW敏感基片切型，采用受力面为内柱面形式的弹性结构，控制SAW谐振器基片表面的纵横应力比，其中：在选择SAW敏感基片切型时，根据压电晶体各向异性的特点，以传感器实际工作的温度范围的中心点为参考，通过理论计算选择具有较大机电耦合系数k和较小温度延时系数TCD及较高压力敏感特性的切向作为SAW基片切割和传播方向；所述弹性结构作为感受被测压力的弹性敏感膜片，其上表面为平面、下表面为内柱面形式。

优选地，所述基片切向范围用欧拉角表示为：φ=8°～30°，θ=24°～36°，ψ=4°～25°；或者φ=30°～55°，θ=144°～158°，ψ=4°～28°。

优选地，φ=34.1°，θ=157.7°，ψ=9°。

优选地，SAW敏感基片材料为耐高温的硅酸镓镧晶体。

优选地，SAW基片切割和传播方向，是利用求解压电介质中Christofel方程的方法，求解硅酸镓镧晶体在不同切割和包含传播方向的波速、机电耦合系数、能流角、各向异性因子、有效介电常数在内的表面波参数，再利用扰动理论结合边界条件计算频率温度系数、压力敏感系数和压力灵敏度温度系数指标确定的。

优选地，根据SAW压力传感器的量程范围和优化选择的SAW敏感基片切型的SAW特征，通过合理确定敏感基片包含半径、厚度、柱面半径在内的几何尺寸来控制基片表面的纵横应力。

优选地，对纵横应力比具体数值的确定，以实现在传感器实际工作的温度范围内尽可能平缓的TCD-温度T曲线为约束。

优选地，采用结构相同的两个SAW谐振器，布置在弹性结构上温度相同、而压力敏感系数符号相反的对称位置，通过差动方式输出。

优选地，所述两个SAW谐振器，其中，一个设置在中心位置以用于承受被测压力产生的压应力，另一个设置在0.68R位置以用于承受被测压力产生的拉应力。

具体地，本发明是通过如下技术方案实现的：以具有良好压电特性和温度温度性的新兴压电晶体LGS（硅酸镓镧，Langsite（La₃Ga₅SiO₁₄））为传感器基片材料，根据压电晶体各向异性的特点，通过理论计算选择具有较大机电耦合系数（k）、较小温度延时系数（TCD）和较高压力敏感特性的切向作为制作SAW压力传感器谐振器的基片的切割和表面波传播方向。通过设计曲面形式的被测载荷作用面实现对谐振器所在区域纵横应力比的调整和控制，通过合适的纵横应力比来改善SAW谐振器的频率-温度特性，使得SAW器件的频率-温度特性在一个较宽的温度和压力范围内基本保持恒定，然后再通过差动形式的输出，从而达到较宽温度和量程范围的更好的温度补偿效果。

所述SAW传感器谐振器基片切向和表面波传播方向，是利用求解压电介质中Christofel方程的方法，求解LGS晶体在不同切割和传播方向的波速、机电耦合系数、能流角、各向异性因子、有效介电常数等表面波参数，再利用扰动理论结合边界条件计算频率温度系数、压力敏感系数和压力灵敏度温度系数等指标。然后按以下基本原则综合进行优化切向的选择：

①尽可能大的压力灵敏度系数和尽可能小的压力灵敏度温度系数；

②零或者绝对值尽可能小的频率温度系数；

③尽可能大的机电耦合系数；

④绝对值尽可能小的能流偏向角和负的接近于-1的各向异性因子；

⑤慢切变波附近的有效介电常数的虚部绝对值尽可能小。

所述曲面形式的被测载荷作用面，是作为感受被测压力的弹性敏感膜片，上表面为平面以方便制作SAW谐振器的叉指换能器和反射栅，下表面设计为内柱（或抛物）曲面的形式，这样在均布载荷的作用下，可以通过曲面形式、半径、厚度等几何尺寸的合理设计，达到调整和控制基片表面纵横应力比的目的。

所述SAW器件的频率-温度特性在一个较宽的温度和压力范围内基本保持恒定，是通过基片表面特定纵横应力比分布方式，补偿SAW器件频率-温度和压力敏感特性随温度变化的情况，以实现在传感器实际工作的温度范围内尽可能平缓的频率-温度曲线和恒定的压力敏感系数。

所述纵横应力比的调整和控制，其具体数值的确定，通过有限元分析和表面波扰动理论，以实现在传感器实际工作的温度范围内尽可能平缓的频率-温度曲线为约束，通过优化计算来确定。

所述差动形式的输出，是采用结构相同的两个SAW谐振器，布置在温度相同，而压力敏感系数符号相反的对称位置，通过差动输出，提高压力灵敏度，并进一步消除温度影响。

本发明属于对现有差动谐振式SAW压力传感器的的改进，从而实现较宽温度和程范围的更好的温度补偿效果。与现有装置相比，在基片切向选择和结构设计上，不再单纯地追求零温度系数特性，而是力求做到在一个较宽的温度和压力范围内，其压力敏感特性和温度敏感特性保持恒定，然后通过差动的方法消除温度的影响。可以在不增加其他附件的情况下，达到更好的温度补偿效果，这对高温SAW压力传感器来说具有更加重要的意义。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1是本发明的总体结构示意图；

图2是本发明实施例的SAW谐振器结构图；

图3是本发明实施例的敏感膜片结构图；

图4是本发明实施例的双通道差动谐振器放置位置图；

图5是本发明实施例的膜片上谐振器所在位置的纵横应力分布及其比值图；

图6是本发明实施例的纵横应力比调整前后理论计算的频率温度系数和压力敏感系数温度系数图。

图中：1为导压孔，2为外壳，3为减震压片，4为弹性膜片，5为SAW谐振器，6为引线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例作详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了一种可行的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

以具有良好压电特性和温度性的新兴压电晶体LGS（硅酸镓镧，Langsite（La₃Ga₅SiO₁₄））为传感器基片材料，根据压电晶体各向异性的特点，利用求解压电介质中Christofel方程的方法，求解LGS晶体在不同切割和传播方向的波速、机电耦合系数、能流角、各向异性因子、有效介电常数等表面波参数，再利用扰动理论结合边界条件计算频率温度系数、压力敏感系数和压力灵敏度温度系数等指标，综合选择具有较大机电耦合系数（k）、较小的温度延时系数（TCD）和较高压力敏感特性的切向作为制作SAW压力传感器谐振器的基片的切割和表面波传播方向。本实施例以适合高温（300℃－800℃）范围的SAW压力传感器为目的，对LGS晶体在500℃温度偏载条件下进行的SAW各性能指标分析计算，得到两个适合高温压力传感器应用的基片优化切向范围（用欧拉角表示）：

Ⅰ：φ=8°～30°，θ=24°～36°，ψ=4°～25°

Ⅱ：φ=30°～55°，θ=144°～158°，ψ=4°～28°

该范围内的几个典型切向的性能指标如表1所示。综合考虑，本实施例选择（34.1°，157.7°，9°）作为基片切割和传播方向。

表1高温优化切向范围内几个典型切向的性能指标

为了提高SAW器件的Q值和降低插损，本实施例采用了双端对的谐振器结构，如附图2所示，金属指条采用金或钛材料用蒸镀、刻蚀方法制作，谐振器结构参数如表2所示。

表2谐振器设计参数

如附图3所示，感测被测载荷作用的膜片的上表面为平面，下表面为内柱面形式的曲面。膜片可以采用LGS晶体，并直接在其上表面制作SAW谐振器，这样效果最好，但由于在LGS晶体上加工任意尺寸的曲面比较困难，一种替代方法是采用耐高温合金钢制作膜片，然后将制作好的以LGS为衬底的SAW谐振器用高温胶粘贴在金钢制膜片上表面，这样由于有粘接层存在，对传感器的设计性能会有一定的影响，但弹性金属材料制作加工很容易，方便精确实现设计的曲面结构。

如附图3所示，为了实现谐振器所在区域纵横应力比的精确控制和调整，弹性膜片的下表面制作为曲面形式，本实施例采用了内柱面结构，膜片几何尺寸根据选取的基片切向结合有限元分析和扰动理论计算后确定。

如附图4所示，在膜片上表面制作（或粘贴）两个结构完全相同的SAW谐振器，根据理论计算结果，一个在中心位置，承受被测压力产生的压应力，另一个在0.68R位置，承受被测压力产生的拉应力，两个位置的谐振器理论上承受相同的温度作用，通过检测两个谐振器的差频输出，一方面可以进一步消除温度影响，提高压力灵敏度，另一方面也大幅降低了需要检测信号的频率范围，降低了对测试电路的要求。

在这种结构下，理论计算的SAW谐振器所在区域在均布载荷作用下的纵横应力及其比值如附图5所示，理论计算的频率温度特性曲线和压力灵敏度温度曲线如附图6所示，为了对比也给出了未进行纵横应力比调整的相应曲线。可以看出在300℃－800℃温度范围内，理论计算的频率温度系数变化量约从53ppm下降到16ppm，压力灵敏度系数变化量约从0.7下降到0.4，当然可以看出这是以牺牲一定的压力灵敏度为代价的。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (6)

1.一种基于纵横应力调整的SAW高温压力传感器温度补偿方法，其特征在于，选择SAW敏感基片切型，采用受力面为内柱面形式的弹性结构，控制SAW谐振器基片表面的纵横应力比，其中：

在选择SAW敏感基片切型时，根据压电晶体各向异性的特点，以传感器实际工作的温度范围的中心点为参考，通过理论计算选择具有较大机电耦合系数k和较小温度延时系数TCD及较高压力敏感特性的切向作为SAW基片切割和传播方向；

所述弹性结构作为感受被测压力的弹性敏感膜片，其上表面为平面、下表面为内柱面形式；

SAW敏感基片材料为耐高温的硅酸镓镧晶体；

SAW基片切割和传播方向，是利用求解压电介质中Christofel方程的方法，求解硅酸镓镧晶体在不同切割和包含传播方向的波速、机电耦合系数、能流角、各向异性因子、有效介电常数在内的表面波参数，再利用扰动理论结合边界条件计算包含频率温度系数、压力敏感系数和压力灵敏度温度系数在内的指标来确定的；

采用结构相同的两个SAW谐振器，布置在弹性结构上温度相同、而压力敏感系数符号相反的对称位置，通过差动方式输出。

2.根据权利要求1所述的基于纵横应力调整的SAW高温压力传感器温度补偿方法，其特征在于，所述基片切向范围用欧拉角表示为：

φ=8°～30°，θ=24°～36°，ψ=4°～25°；或者

φ=30°～55°，θ=144°～158°，ψ=4°～28°。

3.根据权利要求2所述的基于纵横应力调整的SAW高温压力传感器温度补偿方法，其特征在于，φ=34.1°，θ=157.7°，ψ=9°。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的基于纵横应力调整的SAW高温压力传感器温度补偿方法，其特征在于，根据SAW压力传感器的量程范围和优化选择的SAW敏感基片切型的SAW特征，通过合理确定敏感基片包含半径、厚度、柱面半径在内的几何尺寸来控制基片表面的纵横应力。

5.根据权利要求4所述的基于纵横应力调整的SAW高温压力传感器温度补偿方法，其特征在于，对纵横应力比具体数值的确定，以实现在传感器实际工作的温度范围内尽可能平缓的TCD-温度T曲线为约束。

6.根据权利要求1所述的基于纵横应力调整的SAW高温压力传感器温度补偿方法，其特征在于，所述两个SAW谐振器，其中，一个设置在中心位置以用于承受被测压力产生的压应力，另一个设置在0.68R位置以用于承受被测压力产生的拉应力。

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