CN102928111A - 声表面波温度传感器 - Google Patents
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Abstract
声表面波温度传感器，包括设置在基座上的两个以上SAW器件，所述SAW器件分别包括压电基片和设置在压电基片上的叉指换能器和反射栅条，所述任意两个SAW器件的压电基片的温度系数不同；所述SAW器件的压电基片的频率和温度成单调或者线性的关系，任意两个SAW器件的压电基片的频率差不为零，根据任意两个SAW器件的压电基片的频率差得到声表面波传感器探测到的温度。本发明通过两个SAW器件之间的频率差来计算声表面波温度传感器探测的温度，可以解决现有SAW传感器面临的抗环境噪声和电磁干扰的问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种声表面波（Surface Acoustic Wave, SAW）温度传感器，尤其是一种能够同时实现抗环境噪声和电磁干扰的声表面波温度传感器。
背景技术
目前，公知的SAW温度传感器构造包括单一声表面波器件，声表面波器件包括谐振器结构和延迟线结构，具体包括压电基片、基片上放置SAW叉指换能器、反射栅组成。
工作情况下SAW器件接触测温点，由于热胀冷缩，导致SAW器件芯片频率发生漂移，从而根据测量频率漂移，得到待测温度点的温度。如文章《仪器仪表学报》2003年8月第24期第4卷PP403-405和文章1981 《ULTRASONICS SYMPOSIUM 》PP148-151所述，SAW器件频率漂移和温度在合适的欧拉角情况下，可以实现线性的频率—温度关系，线性单调温度系数报道的有-90~32ppm。又如专利申请200910101086.6和201110302933.2，美国Sengenuity公司产品所述（见www.visensor.com），制作单一SAW器件，通过监测SAW器件的频率变化得到待测点的温度信息。上述SAW器件没有考虑环境因素对传感器件频率特性变化的影响，因此抗干扰能力弱。
实际SAW传感器的使用中，由于SAW传感器工作频率属于国家规定的工业控制频率段，除了环境噪声外还有各种其他无线干扰窄带信号，例如对讲机在433MHz附近存在强的电磁干扰。如果强电磁干扰和SAW温度传感器的信号同频率，则读写器无法正常接收传感信号。
目前SAW传感器既能去除环境噪声、强电磁干扰的方式尚未有有效解决方式。
因此，现有技术存在缺陷，有待于进一步改进和发展。
发明内容
本发明的目的是提供一种实现抗环境噪声和电磁干扰的声表面波温度传感器。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
声表面波温度传感器，包括设置在基座上的两个以上SAW器件，所述SAW器件分别包括压电基片和设置在压电基片上的叉指换能器和反射栅条，其中，所述任意两个SAW器件的压电基片的温度系数不同；所述SAW器件的压电基片的频率和温度成单调或者线性的关系，任意两个SAW器件的压电基片的频率差不为零，根据任意两个SAW器件的压电基片的频率差得到声表面波传感器探测到的温度。
所述的声表面波温度传感器，其中，所述SAW器件采用叉指换能器和反射栅条混合设置的谐振结构。
所述的声表面波温度传感器，其中，所述声表面波温度传感器包括三个SAW器件，所述三个SAW器件的压电基片分别是第一压电基片、第二压电基片和第三压电基片；第一压电基片设置为128°YX-LiNbO3，其线性温度系数约-90ppm/℃，谐振频率为第一频率f1；第二压电基片设置为JCL石英，切角为0°,42.1°,39°，线性温度系数约-22ppm/℃，谐振频率为第二频率f2；第三基片是LST石英，切角为11.4°，39.4°,35°，线性温度系数约-33ppm/℃，谐振频率为第三频率f3；|f1-f2|，|f1-f3|，|f2-f3|依次正比于-68ppm/℃,-57ppm/℃，11ppm/℃。
所述的声表面波温度传感器，其中，所述SAW器件采用叉指换能器和反射栅条分离设置的延迟线结构。
声表面波温度传感器，包括设置在基座上的两个以上SAW器件，其中，所述基座上设置压电基片，所述压电基片上设置多组叉指换能器和反射栅条，多组叉指换能器和反射栅条同所在的压电基片构成SAW器件；所述多组SAW器件之间旋转的角度为-21°至29°；切角每变化1′,温度系数变化0.001~0.01ppm/℃，SAW器件的压电基片之间的温度系数不同；所述SAW器件的压电基片的频率-温度成单调或者线性的关系，任意两个SAW器件的压电基片的频率差不为0，根据任意两个SAW器件的压电基片的频率差得到声表面波传感器探测到的温度。
所述的声表面波温度传感器，其中，该压电基片为42.75°Y-X石英基片。
所述的声表面波温度传感器，其中，该压电基片为Y切石英基片。
所述的声表面波温度传感器，其中，所述SAW器件采用叉指换能器和反射栅条混合设置的谐振结构；或采用叉指换能器和反射栅条分离设置的延迟线结构。
所述的声表面波温度传感器，其中，所述SAW器件有三个，包括第一SAW器件的叉指换能器和反射栅条、第二SAW器件的叉指换能器和反射栅条和第三SAW器件的叉指换能器和反射栅条；第二SAW器件的叉指换能器和反射栅条以及第三SAW器件的叉指换能器和反射栅条，相对于第一SAW器件的叉指换能器和反射栅条旋转-21°至29°之间角度。
本发明提供的声表面波温度传感器，在基座上设置2个以上SAW器件，SAW器件采用不同的温度系数的压电基片，优选的是单调且近似线性温度系数，通过两个SAW器件之间的频率差来计算声表面波温度传感器探测的温度，可以解决现有SAW传感器面临的抗环境噪声的问题；进一步载基座上设置3个以上温度系数不同的SAW器件，当任意一个SAW器件的频率点被干扰的时候，仍然可以根据另外2个SAW器件的频率差来计算声表面波温度传感器探测到的温度，使声表面波温度传感器具有抗环境噪声的能力和抗电磁干扰能力。
附图说明
图1为本发明谐振结构的声表面波器件的结构示意图；
图2为本发明延迟线结构的声表面器件的结构示意图；
图3为本发明声表面波传感器中多个SAW器件分别设置在不同压电基片上的结构示意图；
图4为本发明声表面波传感器中SAW器件设置在相同压电基片上的结构示意图；
图5为JCL和LCT切向石英基底的频率偏移随温度的变化关系图；
图6是实施例4中三种基片材料的频率随温度的变化关系图。
具体实施方式
下面结合优选的实施例对本发明做进一步详细说明。
本发明的声表面波传感器，如图3和4所示，包括多个SAW器件5，所述SAW器件5包括压电基片2和设置在压电基片2上的叉指换能器1和反射栅条3，所述多个SAW器件5可以设置在不同压电基片2上，如图3所示，所述多个SAW器件5的叉指换能器1和反射栅条3也可以设置在相同压电基片2上，如图4所示。
所述SAW器件5可以采用叉指换能器1和反射栅条3混合设置的谐振结构，如图1所示，也可以采用叉指换能器1和反射栅条3分离设置的延迟线结构，如图2所示，这里不做限制。
作为本发明的第一个优选例，以所述声表面波传感器设置2个SAW器件5为例，两个SAW器件5的压电基片2采用的温度系数不同，优选的两个SAW器件5的压电基片2分别采用JCL切向和LST切向的石英，如图5所示，其温度系数是单调且接近线性，根据压电基片2的频率-温度成线性的关系，两个SAW器件2的压电基片的频率差不为0，根据频率差得到声表面波传感器探测到的温度，而且探测到的温度可以去掉背景噪声。其原理是，环境噪声对两者影响基本相同，所以环境噪声对SAW传感器影响可以消除。
作为本发明的第二个优选的实施例，设置所述三个SAW器件的压电基片分别是第一压电基片、第二压电基片和第三压电基片，可以将第一压电基片设置为128°YX-LiNbO3，其线性温度系数约-90ppm/℃，谐振频率为第一频率f1；第二压电基片设置为JCL石英，切角为（0°,42.1°,39°），线性温度系数约-22ppm/℃，谐振频率为第二频率f2；第三基片是LST石英，切角为（11.4°,39.4°,35°），线性温度系数约-33ppm/℃，谐振频率为第三频率f3；|f1-f2|，|f1-f3|，|f2-f3|依次正比于-68ppm/℃,-57ppm/℃，11ppm/℃。因此在温度-频率差关系中，形成了3个斜率不一样的单调特性直线。这一特性直线去除了环境噪声对声表面波温度传感器的影响。
所述近似线性温度系数的材料有YZ-LiNbO3，128°YX-LiNbO3 ；石英包括LST、JCL、Y切及其相关X旋转、LGS等均存在线性温度系数在这一特性。
本实施例在所述声表面波温度传感器上设置3个SAW器件5，使声表面波温度传感器既可以防环境噪声，还可以抗电磁干扰。其原理是，由于强电磁干扰通常随机发生在某一个频率点，当传感器包括的SAW器件多于3个时候，总有2个以上频率点未受到干扰，这样，当任意一个SAW器件的频率点被干扰的时候，仍然有2个SAW器件5工作，仍然能够通过未受干扰SAW器件之间的频率差来确定测温点的温度，因此可以形成较强的抗电磁干扰能力。这就使声表面波温度传感器同时具有抗环境噪声、抗电磁干扰能力。
作为本发明的第三个优选例，SAW传感器由3个SAW器件5组成，如图4所示,且3个SAW器件5均制作在一个作为压电基片2的石英基片上，多组叉指换能器和反射栅条同所在的压电基片构成SAW器件，石英基片是42.75°Y-X石英。图4中最左边的是第一SAW器件的叉指换能器1和反射栅条3。第二SAW器件的叉指换能器1和反射栅条3以及第二SAW器件的叉指换能器1和反射栅条3，相对于第一SAW器件的叉指换能器1和反射栅条3旋转-21°至29°的角度，也就是声波传播方向和X轴夹角的为-21°至29°，例如可以选择旋转分别20°或29°。实验发现，由于切角每变化1′,温度系数变化0.001~0.01ppm/℃，因此第二SAW器件的叉指换能器1和反射栅条3以及第三SAW器件的叉指换能器1和反射栅条3，相对于第一SAW器件的叉指换能器1和反射栅条3旋转将形成不同的单调温度系数差。
更进一步的，所述3个SAW器件5的压电基片均采用Y切石英基片，欧拉角分别为（0°,90°,10°），（0°,90°, 20°），（0°,90°,30°），其温度系数从20ppm/℃~4 ppm/℃线性单调变化。因此任意两个SAW器件的频率差和温度的关系是一一对应的，通过测量任意两个SAW器件的频率差，就可以得到测温点的温度。
作为本发明的第4个优选的实施例，所述的3个SAW器件5的压电基片分别采用ST-X 石英,XY- La3Ga5SiO14,和YZ-LiNbO3；这三种材料在0-300℃范围进行温度传感的时候，其温度系数单调，且接近线性，如图6所示。尽管不是线性，但是任意两者之间的频率差依然是随温度单调的，因此任意两个SAW器件的频率差和温度的关系是一一对应的。同样的原理，通过测量任意两个SAW器件的频率差，就可以得到测温点的温度。
本发明的声表面波温度传感器，在基座上设置2个以上SAW器件，SAW器件采用不同的温度系数的压电基片，优选的是单调且近似线性温度系数，通过两个SAW器件之间的频率差来计算声表面波温度传感器探测的温度，可以解决现有SAW传感器同面临的抗环境噪声的问题；进一步载基座上设置3个以上温度系数不同的SAW器件，当任意一个SAW器件的频率点被干扰的时候，仍然可以根据另外2个SAW器件的频率差来计算声表面波温度传感器探测到的温度。
以上内容是对本发明的优选的实施例的说明，可以帮助本领域技术人员更充分地理解本发明的技术方案。但是，这些实施例仅仅是举例说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于这些实施例的说明。对本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演和变换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.声表面波温度传感器，包括设置在基座上的两个以上SAW器件，所述SAW器件分别包括压电基片和设置在压电基片上的叉指换能器和反射栅条，其特征在于，所述任意两个SAW器件的压电基片的温度系数不同；所述SAW器件的压电基片的频率和温度成单调或者线性的关系，任意两个SAW器件的压电基片的频率差不为零，根据任意两个SAW器件的压电基片的频率差得到声表面波传感器探测到的温度。
2.根据权利要求1所述的声表面波温度传感器，其特征在于，所述SAW器件采用叉指换能器和反射栅条混合设置的谐振结构。
3.根据权利要求2所述的声表面波温度传感器，其特征在于，所述声表面波温度传感器包括三个SAW器件，所述三个SAW器件的压电基片分别是第一压电基片、第二压电基片和第三压电基片；第一压电基片设置为128°YX-LiNbO3，其线性温度系数约-90ppm/℃，谐振频率为第一频率f1；第二压电基片设置为JCL石英，切角为0°,42.1°,39°，线性温度系数约-22ppm/℃，谐振频率为第二频率f2；第三基片是LST石英，切角为11.4°，39.4°,35°，线性温度系数约-33ppm/℃，谐振频率为第三频率f3；|f1-f2|，|f1-f3|，|f2-f3|依次正比于-68ppm/℃,-57ppm/℃，11ppm/℃。
4.根据权利要求1所述的声表面波温度传感器，其特征在于，所述SAW器件采用叉指换能器和反射栅条分离设置的延迟线结构。
5.声表面波温度传感器，包括设置在基座上的两个以上SAW器件，其特征在于，所述基座上设置压电基片，所述压电基片上设置多组叉指换能器和反射栅条，多组叉指换能器和反射栅条同所在的压电基片构成SAW器件；所述多组SAW器件之间旋转的角度为-21°至29°；切角每变化1′,温度系数变化0.001~0.01ppm/℃，SAW器件的压电基片之间的温度系数不同；所述SAW器件的压电基片的频率-温度成单调或者线性的关系，任意两个SAW器件的压电基片的频率差不为0，根据任意两个SAW器件的压电基片的频率差得到声表面波传感器探测到的温度。
6.根据权利要求5所述的声表面波温度传感器，其特征在于，该压电基片为42.75°Y-X石英基片。
7.根据权利要求5所述的声表面波温度传感器，其特征在于，该压电基片为Y切石英基片。
8.根据权利要求5所述的声表面波温度传感器，其特征在于，所述SAW器件采用叉指换能器和反射栅条混合设置的谐振结构；或采用叉指换能器和反射栅条分离设置的延迟线结构。
9.根据权利要求8所述的声表面波温度传感器，其特征在于，所述SAW器件有三个，包括第一SAW器件的叉指换能器和反射栅条、第二SAW器件的叉指换能器和反射栅条和第三SAW器件的叉指换能器和反射栅条；第二SAW器件的叉指换能器和反射栅条以及第三SAW器件的叉指换能器和反射栅条，相对于第一SAW器件的叉指换能器和反射栅条旋转-21°至29°之间角度。
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