CN106225948A

CN106225948A - 一种双声表面波温度传感器及其设计方法

Info

Publication number: CN106225948A
Application number: CN201610602402.8A
Authority: CN
Inventors: 彭斌; 张万里; 邓泽佳; 崔亦霖; 舒琳; 李光兰; 弓冬冬; 周伟
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2016-07-27
Filing date: 2016-07-27
Publication date: 2016-12-14

Abstract

本发明属于声表面波传感器的设计领域，具体为一种双声表面波温度传感器及其设计方法。本发明通过将两个SAW谐振器设计集成于同一块压电基片上；两个SAW谐振器IDT的垂线互为夹角a，20°≤a≤160°，主体结构之间不相互接触。本发明所制成的双SAW温度传感器能实现全温度范围内即基片所能承受温度对温度的测量，并显著提高传感器谐振频率随温度变化的线性度。

Description

一种双声表面波温度传感器及其设计方法

技术领域

本发明属于声表面波传感器的设计领域，涉及一种利用两个声表面波谐振器构建线性温度传感器的设计方法，具体为一种双声表面波温度传感器及其设计方法。

背景技术

声表面波(Surface Acoustic Wave，SAW)是指在物体表面产生并沿着其自由表面或界面传播的一种弹性波，SAW器件是通过SAW来传播和处理信号的一种器件。SAW器件主要由压电基片和叉指换能器(Interdigital，IDT)组成。压电材料是指受到压力作用在其两端面会出现电荷的一大类单晶或多晶的固体材料，它是声表面波器件进行能量转化和信号传递的重要载体。

IDT是SAW器件的核心部分，它可以直接接收和激励SAW，当电信号输入到输入IDT端时，压电基片可以通过逆压电效应将电能转化为机械能，并以SAW的形式在基片表面传播；当输出IDT端接收到SAW信号时，压电基片又可以通过压电效应将SAW的机械能转变成电信号输出，SAW器件就是通过IDT的脉冲响应或频率响应来实现延迟、滤波和传感等功能。

SAW温度传感器是利用SAW器件来检测温度变化的传感器。按照SAW温度传感器构造类型的不同，可以将其分为延迟型SAW温度传感器和谐振型SAW温度传感器。

构成谐振型SAW温度传感器的SAW谐振器由一个IDT以及在IDT两边对称分布的两组反射栅组成，IDT与反射栅构成一个谐振腔，使得SAW谐振器只对特定频率的射频信号产生响应，这个特定的频率即为SAW谐振器的谐振频率。随着外界温度的变化，SAW谐振器的谐振频率会随之改变，通过测试其谐振频率的变化就可以得到对应的待测温度物理量。

传统的基于SAW谐振器的温度传感器是在压电基片上制作一个SAW谐振器，通过测试其谐振频率和温度的关系，来获得环境温度。然而，实验结果表明，SAW谐振器的谐振频率随温度的变化是非线性的，其谐振频率随温度变化呈现二次函数，即抛物线型，这导致一个谐振频率对应于两个温度点，因而在全温度范围内不能直接通过测试谐振频率而获得环境温度，只能在某个谐振频率随温度单调变化的区间进行温度测试。同时，由于谐振频率随温度变化的非线性，也给温度的标定和测试带来不便。

发明内容

本发明的目的在于针对声表面波温度传感器的谐振频率与温度呈近似二次函数变化从而导致测试温度范围窄、线性度不佳的问题，提供了一种双声表面波温度传感器及其设计方法，以在全温度范围内进行测量(基片所能承受温度)，并显著提高传感器谐振频率随温度变化的线性度。

该双声表面波温度传感器，包括第一SAW谐振器、第二SAW谐振器和一块压电基片,两个SAW谐振器制作在该压电基片上，并使得两个SAW谐振器IDT的垂线互为夹角a，进行电路连接,20°≤a≤160°。两个SAW谐振器的主体结构之间不相互接触，SAW谐振器的主体结构即IDT和反射栅。

所述第一、第二SAW谐振器电路连接的方式为串联或并联。

其设计方法具体如下：

步骤1、在一块压电基片上的制作第一SAW谐振器；

步骤2、在步骤1得到的压电基片上，制作第二SAW谐振器，两个SAW谐振器的主体结构之间不相互接触，并使得两个SAW谐振器IDT的垂线互为夹角a,20°≤a≤160°；

步骤3、将步骤2得到的两个SAW谐振器以串联(如图1右)或并联(如图1左)的方式进行电路连接。

本发明通过将两个SAW谐振器设计集成于同一块压电基片上，使得该双SAW温度传感器能够实现对全温度范围的测量(基片所能承受温度)，显著提高传感器谐振频率随温度变化的线性度。两个SAW谐振器的谐振频率分别为f_r1和f_r2，谐振频率随温度变化近似为f_r1＝f_r01+a₁T+b₁T²和f_r2＝f_r02+a₂T+b₂T²(如图3、图4)，其中，f_r01，a₁，b₁，f_r02，a₂，b₂系数可以事先标定(通过传感器温度性能的测试测量得到)。从而只需通过测试f_r1和f_r2，即得到拟合计算测量到的温度为：

T = \frac{\frac{f_{r 1} - f_{r 01}}{b_{1}} - \frac{f_{r 2} - f_{r 02}}{b_{2}}}{a_{1} / b_{1} - a_{2} / b_{2}} .

通过拟合计算测量到的温度与实际温度之间的关系如图5所示。

综上所述，本发明所制成的双SAW温度传感器能实现全温度范围内(基片所能承受温度)对温度的测量，并显著提高传感器谐振频率随温度变化的线性度。

附图说明

图1、本发明并联结构示意图(左)，串联结构示意图(右)；

图2、实施例实体图；

图3、实施例的第一个SAW谐振器的温度频率关系图，通过二次函数拟合得到f_r1＝f_r01+a₁T+b₁T²；

图4、实施例的第二个SAW谐振器的温度频率关系图，通过二次函数拟合得到f_r2＝f_r02+a₂T+b₂T²；

图5、实施例的拟合温度与实际温度之间的关系图。

具体实施方式

以具体实施例结合附图进一步说明本发明技术方案。

双SAW温度传感器的制备：采用微电子光刻工艺将图1(左)所示的图形(两个SAW谐振器互成45°)制作在压电基片上，再采用电子束蒸发技术在此基片上生长Au电极，Au的厚度为100纳米，然后通过去胶液剥去剩下的胶，从而制成双SAW温度传感器，如图2。

温度测试：将制作好的器件进行温度测试，分别得到两个SAW谐振器温度频率关系图(如图3和图4)以此得到f_r01，a₁，b₁，f_r02，a₂，b₂的值，在得到这些参数之后，通过测得两个器件的谐振频率，则由公式

T = \frac{\frac{f_{r 1} - f_{r 01}}{b_{1}} - \frac{f_{r 2} - f_{r 02}}{b_{2}}}{a_{1} / b_{1} - a_{2} / b_{2}}

得到一个唯一的T值，从而实现对温度的测量。

Claims

1.一种双声表面波温度传感器，包括第一SAW谐振器、第二SAW谐振器和一块压电基片,其特征在于：

两个SAW谐振器制作在该压电基片上，使得两个SAW谐振器IDT的垂线互为夹角a，并进行电路连接,20°≤a≤160°；两个SAW谐振器的主体结构之间不相互接触，SAW谐振器的主体结构即IDT和反射栅。

2.如权利要求1所述双声表面波温度传感器，其特征在于：所述第一、第二SAW谐振器电路连接的方式为串联或并联。

3.如权利要求1所述双声表面波温度传感器，其设计方法具体如下：

步骤1、在一块压电基片上的制作第一SAW谐振器；

步骤2、在步骤1得到的压电基片上，制作第二SAW谐振器，两个SAW谐振器的主体结构之间不相互接触，并使得两个SAW谐振器IDT的垂线互为夹角a,20°≤a≤160°，SAW谐振器的主体结构即IDT和反射栅；

步骤3、将步骤2得到的两个SAW谐振器以串联或并联的方式进行电路连接。