CN104768113A - 一种用于液体多参数传感的乐甫波器件结构及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于液体多参数传感的乐甫波器件结构及检测方法。本发明的乐甫波器件结构包括压电基片、压电薄膜、第一反射栅、第二反射栅、叉指换能器、第一液体敏感区、第二液体敏感区；叉指换能器沉积在压电基片表面中部，第一反射栅（3）、第二反射栅（4）分别沉积在压电基片（1）表面的左右两侧，压电薄膜溅射在压电基片表面，第一液体敏感区设置于第一反射栅与叉指换能器之间，第二液体敏感区设置于第二反射栅与叉指换能器之间。本发明仅用一个乐甫波器件就实现对液体密度、粘度、介电常数和电导率的并行检测，能够消除液体的体积弹性模量对测量结果的影响，并且具有无源无线功能。

Description

一种用于液体多参数传感的乐甫波器件结构及检测方法

技术领域

本发明涉及一种声波器件，尤其涉及一种用于液体多参数传感的乐甫波器件结构及检测方法，属于新型传感器领域。

背景技术

液体传感器主要用于对液体本身特征参数的检测，通常包括密度、粘度两种机械参数和介电常数、电导率两种电学参数的测量(在某些特殊的情况下，还需要测量液体的体积弹性模量)。液体检测不仅关注液体某单个特定的特征参数，还希望能够并行检测液体的多个特征参数。在科学技术尤其是信息科学技术日新月异发展的今天，无线传感技术成为传感器领域的发展趋势和研究热点。在液体检测领域，无线传感也是大势所趋。对于诸如生物医学、食品安全、环境保护等领域的批量液体试样检测，具有无线功能的液体传感器更是大受青睐。

声波传感器是一种新型谐振式传感器。声波传感器以压电材料作为敏感器件，利用压电效应，通过叉指换能器在压电基片上激发出弹性波，主要根据声波的传播特性随被测对象变化来实现检测功能。在阅读器和天线的配合下，声波传感器在无线传感的同时也不需要电源。声波传感器最引人注目的便是其无线功能和无源本质。

通常来说，声波传感器可分为声表面波传感器、声板波传感器、乐甫波传感器三种类型。其中，乐甫波传感器最适于液相检测。并且，由于乐甫波器件只存在水平剪切方向的振动位移，与沿传播方向存在振动位移的声表面波和声板波器件相比，液体的体积弹性模量不影响乐甫波的传播特性，在测量液体密度、粘度、介电常数、电导率时，消除了液体体积弹性模量对测量结果的耦合影响。

声波传感器用于液体检测时，与温度、压力、气体等待测对象相比，液体的出现会导致声波信号的明显衰减。这在有源有线的测试方法中不会造成太大影响，但在用于无线传感时需要采取各种有效的方法来增强信号强度。通常的乐甫波器件是在声表面波器件结构的基础上，在压电基片上再溅射一层非压电薄膜作为波导层。由于波导层的非压电特性，导致机电耦合系数减小，激发出的乐甫波信号也明显较微弱，很难用于无源无线液体检测。

发明专利《声板波虚拟阵列传感器系统及基于该系统的液体检测方法》（公开号：101806776A，公开日：2010-08-18）。该发明专利基于声板波自身的频散特性，对于同一个声板波器件，可通过改变激发频率得到多个声板波模态，各个模态敏感液体时具有各不相同的频移和衰减，从而可将每个模态看作一个单独的虚拟器件，由此提出了通过声板波虚拟阵列器件来并行敏感液体多特征参数的思路。虽然采用虚拟阵列器件的思想来并行检测液体特征参数时，所需实际器件数量大大减小。但迄今为止，还无法仅用一个声波器件来实现对液体密度、粘度、介电常数、电导率的同时并行敏感。采用多个器件进行测量时，测量条件的一致性无法完全保证，从而存在着测量结果的不确定性，在无线测量时尤为如此。与此同时，多个器件测量还存在着测量方法的繁琐性和后续信号处理的复杂性等问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种用于液体多参数传感的乐甫波器件结构及检测方法，仅用一个乐甫波器件实现液体密度、粘度、介电常数和电导率的并行检测，能够消除液体的体积弹性模量对测量结果的影响，并且具有无源无线功能。

本发明为解决上述技术问题采用以下技术方案：

一种用于液体多参数传感的乐甫波器件结构，所述乐甫波器件结构包括压电基片、压电薄膜、第一反射栅、第二反射栅、叉指换能器、第一液体敏感区、第二液体敏感区；其中，叉指换能器沉积在压电基片表面中部，第一反射栅、第二反射栅分别沉积在压电基片表面的左右两侧，压电薄膜溅射在压电基片表面，第一液体敏感区设置于第一反射栅与叉指换能器之间，第二液体敏感区设置于第二反射栅与叉指换能器之间，在所述第一液体敏感区和第二液体敏感区上分别设置有一个用于负载液体试样的液槽。

    进一步的，本发明的用于液体多参数传感的乐甫波器件结构，所述第一液体敏感区和第二液体敏感区为不同的界面电学结构，其中第一液体敏感区是金属化电学结构的液体敏感区，第二液体敏感区是自由化电学结构的液体敏感区。

进一步的，本发明的用于液体多参数传感的乐甫波器件结构，所述第一液体敏感区的压电薄膜表面镀有一层金属薄膜。

进一步的，本发明的用于液体多参数传感的乐甫波器件结构，所述压电基片为36°YX钽酸锂，所述压电薄膜为氧化锌薄膜。

进一步的，本发明的用于液体多参数传感的乐甫波器件结构，第一反射栅、第二反射栅与叉指换能器的距离各不相同，以确保测试时两个反射栅对应的回波信号在时间上互不干涉。

进一步的，本发明的用于液体多参数传感的乐甫波器件结构，设第一反射栅与叉指换能器的距离为L1、第二反射栅与叉指换能器的距离为L2，则L1与L2的差值应大于乐甫波在外部阅读器发射的射频查询脉冲持续时间内传播距离的一半。

本发明还提出一种基于上述用于液体多参数传感的乐甫波器件结构的检测方法，包括如下步骤：

步骤A、将待测液体试样分别放置于乐甫波器件结构的第一液体敏感区、第二液体敏感区上的液槽内，采用外部阅读器发射射频查询脉冲电信号，该脉冲电信号被与乐甫波器件连接的天线接收后进入叉指换能器，叉指换能器将该脉冲电信号转换为第一路乐甫波信号和第二路乐甫波信号后分别向器件两端传播；

步骤B、第一路乐甫波信号通过第一液体敏感区，遇到第一反射栅产生反射，反射信号再进入叉指换能器被转换为第一脉冲回波信号，经天线发射回阅读器，获得所述第一脉冲回波信号的时延和幅值，并得到待测液体密度和液体粘度；

 步骤C、第二路乐甫波信号通过第二液体敏感区，遇到第二反射栅产生反射，反射信号再进入叉指换能器被转换为第二脉冲回波信号，经天线发射回阅读器，获得所述第二脉冲回波信号的时延和幅值，并得到待测液体介电常数和液体电导率。

本发明采用以上技术方案与现有技术相比，具有以下技术效果：

1. 仅用一个乐甫波器件实现液体密度、粘度、介电常数和电导率的并行检测；

2. 在测量时能消除液体的体积弹性模量对测量结果的影响；

3. 在阅读器和天线的配合下，具有无源无线功能；

4. 采用压电薄膜作为波导层，与非压电薄膜相比，机电耦合系数增大，激发出的乐甫波信号会明显增强，更适于无源无线液体检测；

5. 充分利用了叉指换能器的声电换能，接收到的回波信号也会明显更强。

附图说明

图1是本发明的乐甫波器件结构纵向剖面示意图。

图2是本发明的乐甫波器件结构俯视剖面示意图。

图3是本发明的脉冲回波信号示意图。

上述图中的标号名称：1. 压电基片，2. 叉指换能器，3. 第一反射栅，4. 第二反射栅，5. 压电薄膜，6. 第一液体敏感区，7. 第二液体敏感区，8. 液体试样，9. 查询脉冲，10. 第一回波信号，11. 第二回波信号。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案进行详细说明，本技术领域技术人员可以理解的是，除非另外定义，这里使用的所有术语（包括技术术语和科学术语）具有与本发明所属领域中的普通技术人员的一般理解相同的意义。还应该理解的是，诸如通用字典中定义的那些术语应该被理解为具有与现有技术的上下文中的意义一致的意义，并且除非像这里一样定义，不会用理想化或过于正式的含义来解释。

如图1、图2所示，一种用于液体多参数传感的乐甫波器件结构。包括压电基片1、叉指换能器2、第一反射栅3、第二反射栅4、压电薄膜5、界面电学结构是金属化形式的第一液体敏感区6、界面电学结构是自由化形式的第二液体敏感区7。其中压电基片1所用材料为36°YX钽酸锂；叉指换能器2、第一反射栅3和第二反射栅4沉积在压电基片1表面上，所用材料为铝(第一反射栅、第二反射栅与叉指换能器的距离各不相同，其距离差应大于乐甫波在阅读器发射的射频查询脉冲持续时间内传播距离的一半，以确保测试时两个反射栅对应的回波信号在时间上互不干涉)；压电薄膜5选用C轴处于薄膜平面且与声波传播方向垂直的氧化锌薄膜，溅射在压电基片1表面并且覆盖叉指换能器2、第一反射栅3和第二反射栅4；在乐甫波器件上，第一液体敏感区6与第二液体敏感区7的区别在于，第一液体敏感区6的压电薄膜表面镀上了一层厚度极薄的金属薄膜。

上述乐甫波器件的制作工艺分为基片制作、叉指和反射栅图形制作、叉指和反射栅复制、压电薄膜溅射、金属化液体敏感区蒸镀金属五个部分。制作完成后对其进行封装，封装时将第一液体敏感区6的金属薄膜与封装座体接触，以保证其可靠接地。与此同时，须在封装结构中设计两个液槽用于负载液体试样，并且保证液体试样位于乐甫波器件两个液体敏感区6、7的正上方，如图1的液体试样8所示。乐甫波器件实物比壹圆硬币还要小，属于微传感器范畴，适于微量液体检测。

上述结构的乐甫波器件与常规的反射延迟线型结构声表面波标签有相似之处，但在一定程度上加以了改进。声表面波标签的叉指换能器和反射栅分别位于器件两端，由于叉指换能器通过逆压电效应产生的声波分两路分别沿器件左右两端传播，因此声表面波标签实际上只利用了一半的能量，并且损失的另一半能量还需要在器件相应的一端涂上吸声胶吸收，以避免器件边缘反射对测量结果的影响。与声表面波标签相比，本乐甫波器件采用一个叉指换能器位于乐甫波器件中间，两个反射栅分别位于器件两端的结构。通过该结构，分别沿器件左右两端传播的两路乐甫波能量都得到了充分利用，并且将金属化形式和自由化形式两个液体敏感区中负载液体对乐甫波传播特性的影响分离开来，便于实现液体的多参数传感功能。

对于该乐甫波器件结构，基于层状介质的声波传播理论建立了负载液体的乐甫波理论模型，并编写代码进行了仿真计算和分析。理论模型和仿真结果表明：

1、采用压电薄膜作为波导层，与非压电薄膜相比，机电耦合系数增大，激发出的乐甫波信号会明显增强。

2、由于器件的压电基片为36°YX钽酸锂；薄膜为C轴处于薄膜平面且与声波传播方向垂直的氧化锌薄膜，激发出的声波只存在水平剪切方向的振动位移，液体的体积弹性模量不影响乐甫波的传播特性。

3、对于界面电学结构为金属化形式的液体敏感区，液体介电常数、电导率不影响乐甫波的传播特性。

4、对于界面电学结构为自由化形式的液体敏感区，液体密度、粘度、介电常数、电导率同时影响乐甫波的传播特性。

5、乐甫波传播速度主要受液体密度、介电常数影响。

6、乐甫波传播衰减主要受液体粘度、电导率影响。

采用本发明的乐甫波器件结构进行检测，方法包括如下步骤：

1）阅读器发射的射频查询脉冲经过与乐甫波器件连接的天线接收进入叉指换能器，通过逆压电效应将电信号转换为两路乐甫波信号，分别沿器件左右两端传播；

2）其中一路乐甫波在传播过程中通过界面电学结构为金属化的液体敏感区，并且遇到位于器件一端的第一反射栅产生反射，反射信号再由叉指换能器经正压电效应转换为第一脉冲回波信号经天线发射回阅读器，采用该脉冲回波信号的时延来检测液体密度，采用该脉冲回波信号的幅值来检测液体粘度；

3）按上述步骤测得液体密度、液体粘度，另外一路乐甫波在传播过程中通过界面电学结构为自由化的液体敏感区，并且遇到位于器件另一端的第二反射栅产生反射，反射信号再由叉指换能器经正压电效应转换为第二脉冲回波信号经天线发射回阅读器，采用该脉冲回波信号的时延来检测液体介电常数，采用该脉冲回波信号的幅值来检测液体电导率。

阅读器接收到的该乐甫波器件的脉冲回波信号如图3所示。查询脉冲9为从阅读器发射链路耦合到阅读器接收链路的射频查询脉冲信号，第一回波信号10为第一反射栅3对应的回波信号，第二回波信号11为第二反射栅4对应的回波信号。第一回波信号10和第二回波信号11的时延与乐甫波传播速度有着一定的对应关系，第一回波信号10和第二回波信号11的幅值与乐甫波传播衰减有着一定的对应关系。

以上所述仅是本发明的部分实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1. 一种用于液体多参数传感的乐甫波器件结构，其特征在于：所述乐甫波器件结构包括压电基片（1）、叉指换能器（2）、第一反射栅（3）、第二反射栅（4）、压电薄膜（5）、第一液体敏感区（6）、第二液体敏感区（7）；其中，叉指换能器（2）沉积在压电基片（1）表面中部，第一反射栅（3）、第二反射栅（4）分别沉积在压电基片（1）表面的左右两侧，压电薄膜（5）溅射在压电基片（1）表面，第一液体敏感区（6）设置于第一反射栅（3）与叉指换能器（2）之间，第二液体敏感区（7）设置于第二反射栅（4）与叉指换能器（2）之间，在所述第一液体敏感区（6）和第二液体敏感区（7）上分别设置有一个用于负载液体试样的液槽。

2.根据权利要求1所述的用于液体多参数传感的乐甫波器件结构，其特征在于：所述第一液体敏感区（6）和第二液体敏感区（7）为不同的界面电学结构，其中第一液体敏感区（6）是金属化电学结构的液体敏感区，第二液体敏感区（7）是自由化电学结构的液体敏感区。

3.根据权利要求1或2所述的用于液体多参数传感的乐甫波器件结构，其特征在于：所述第一液体敏感区（6）的压电薄膜表面镀有一层金属薄膜。

4.根据权利要求1所述的用于液体多参数传感的乐甫波器件结构，其特征在于：所述压电基片（1）为36°YX钽酸锂，所述压电薄膜（5）为氧化锌薄膜。

5.根据权利要求1所述的用于液体多参数传感的乐甫波器件结构，其特征在于：第一反射栅、第二反射栅与叉指换能器的距离各不相同，以确保测试时两个反射栅对应的回波信号在时间上互不干涉。

6.根据权利要求1或5所述的用于液体多参数传感的乐甫波器件结构，其特征在于：设第一反射栅与叉指换能器的距离为L1、第二反射栅与叉指换能器的距离为L2，则L1与L2的差值应大于乐甫波在外部阅读器发射的射频查询脉冲持续时间内传播距离的一半。

7. 基于权利要求1所述的用于液体多参数传感的乐甫波器件结构的检测方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤A、将待测液体试样分别放置于乐甫波器件结构的第一液体敏感区（6）、第二液体敏感区（7）上的液槽内，采用外部阅读器发射射频查询脉冲电信号，该脉冲电信号被与乐甫波器件连接的天线接收后进入叉指换能器（2），叉指换能器（2）将该脉冲电信号转换为第一路乐甫波信号和第二路乐甫波信号后分别向器件两端传播；

步骤B、第一路乐甫波信号通过第一液体敏感区（6），遇到第一反射栅（3）产生反射，反射信号再进入叉指换能器（2）被转换为第一脉冲回波信号，经天线发射回阅读器，获得所述第一脉冲回波信号的时延和幅值，并得到待测液体密度和液体粘度；

 步骤C、第二路乐甫波信号通过第二液体敏感区（7），遇到第二反射栅（4）产生反射，反射信号再进入叉指换能器（2）被转换为第二脉冲回波信号，经天线发射回阅读器，获得所述第二脉冲回波信号的时延和幅值，并得到待测液体介电常数和液体电导率。