CN106840056A - 一种双声表面波应变传感器及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于声表面波传感器的设计领域，具体为一种基于硅酸镓镧的双声表面波应变传感器及其设计方法。本发明通过在同一块LGS基片上关于欧拉角为(0°,138.5°,90°)对称的两个切向上分别制作一个声表面波谐振器，利用两个谐振器温度频率特性相同的特点，从而制成双SAW应变传感器，旨在消除SAW应变传感器在应变测试的过程中温度对于它的影响。本发明所设计的双SAW应变传感器能将应变从温度的影响中分离出来,极大地减小了温度对于应变测试所造成的影响，可以在任何基片能承受的温度范围内，实现对应变的准确测量。

Description

一种双声表面波应变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应变传感器的设计方法，具体为一种基于硅酸镓镧的双声表面波应变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 transducer，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。

硅酸镓镧(LGS)晶体是一种橙色透明的新型压电晶体，具有比石英大2到3倍的机电耦合系数，与石英相当的温度稳定性，适合制作温度稳定性好的声表面波器件。另外LGS晶体的声表面波传播速度低，适合器件的小型化。LGS晶体从室温到熔点(1470℃)都没有相变，这样LGS晶体更适合制作高温下应用的声表面波器件。又由于LGS晶体结构的对称性，使得在其关于欧拉角为(0°，138.5°，90°)对称的两个切向上制成的声表面波谐振器具有相同的温度频率特性。

SAW应变传感器是利用SAW器件来检测应变变化的传感器。按照SAW应变传感器构造类型的不同，可以将其分为延迟型SAW应变传感器和谐振型SAW应变传感器。以谐振型SAW应变传感器为例，当器件周围温度发生变化以及器件受到应变的影响时，SAW谐振器的谐振频率便会随之改变，于是如何排除温度的影响而得到应变的大小成为构建SAW应变传感器的难题。

传统的基于SAW谐振器的应变传感器是在压电基片上制作一个SAW谐振器，在某一个特定的温度下，通过测试其谐振频率和应变的关系，来获得器件所受到的应变大小。然而在应用SAW应变传感器实验的过程中，我们发现其谐振频率受温度的波动影响是是非常大的，由于温度和应变同时影响谐振频率，使得传感器对应变大小的测量不准确。

发明内容

本发明的目的在于针对声表面波应变传感器的谐振频率同时受到温度和应变的双重影响从而导致传感器对于应变的测试不准确的问题，提出了一种双声表面波应变传感器及其设计方法。

本发明采用的技术方案为：

该双声表面波应变传感器，包括第一SAW谐振器、第二SAW谐振器和一块硅酸镓镧(LGS)压电基片,两个SAW谐振器制作在该压电基片上，并互为2X°夹角(80<X<90，0<X<10),以并联的方式(如图1)进行电路连接。

其设计方法具体如下：

器件图形的设计:在一块硅酸钾镧压电基片的欧拉角为(0°，138.5°，90+X°)的切向上制作第一SAW谐振器，并在该压电基片的欧拉角为(0°，138.5°，90-X°)的切向上制作第二SAW谐振器(两个SAW谐振器的主体结构(IDT和反射栅)之间不相互接触),使得两个SAW谐振器互为夹角(2X°)，再将两个SAW谐振器以并联的方式(如图1)进行电路连接。

本发明利用硅酸钾镧晶体结构的对称性的理论,通过将两个相同结构大小的SAW谐振器设计集成于同一块硅酸钾镧压电基片的两个特殊切向上，利用两个特殊切向位置的谐振器具有相同的温度特性以及不同的应变特性的特点使得该双SAW应变传感器能够排除温度对于谐振频率的影响，从而实现传感器对应变的测量(基片所能承受温度范围内)，显著提高传感器应变测量的准确性和精确性。两个SAW谐振器的谐振频率分别为f_r1和f_r2，第一SAW谐振器的谐振频率随温度和应变的变化的关系式近似为

Δf₁/f₀₁＝a₁(ΔT)+b₁(ΔT)²+ε*S1---------(1)，

第二SAW谐振器的谐振频率随温度和应变的变化的关系式近似为

Δf₂/f₀₂＝a₂(ΔT)+b₂(ΔT)²+ε*S2---------(2)，

其中，ε为应变大小，f_0x为室温时第X个SAW谐振器的谐振频率，a_x为第X个SAW谐振器为一阶温度频率系数，b_x为室温时第X个SAW谐振器的二阶温度频率系数，SX为第X个SAW谐振器的应变系数，Δf₁为频率变化量(Δf1＝f_r1-f₀₁),T为温度变化量(ΔT＝T-T₀，T₀为室温)，由于两个谐振器摆放位置的特殊性，所以它们的温度特性是一样，于是可得a₁＝a₂，b₁＝b₂，而f₀₁和f₀₂以及应变系数S1和S2可以事先标定(S1和S2可通过传感器应变性能的测试测量得到)，将(1)式减去(2)式，得ε＝(Δf₁/f₀₁-Δf₂/f₀₂)*(S1-S2)，从而只需通过测试得到Δf₁和Δf₂，即计算得到应变ε。

本发明通过在同一块LGS基片上的关于欧拉角为(0°,138.5°,90°)对称的两个切向上分别制作一个声表面波谐振器，利用两个谐振器温度频率特性相同的特点，从而制成双SAW应变传感器，旨在消除SAW应变传感器在应变测试的过程中温度对于它的影响。

综上所述,本发明所设计的双SAW应变传感器能将应变从温度的影响中分离出来,极大地减小了温度对于应变测试所造成的影响，可以在任何温度变化的范围内(基片能承受的温度)，实现对应变的准确测量。

附图说明

图1、本发明的结构示意图。

具体实施方案

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。

步骤1、双SAW温度传感器的制备:取X＝85，采用微电子光刻工艺将图形制作在LGS压电基片上,再采用电子束蒸发技术在此压电基片上生长Au电极,Au的厚度为100纳米，然后通过去光阻液剥去剩下的胶，从而制成图1所示的双SAW应变传感器。

步骤2、应变的测试：将步骤1制成的器件在25℃进行应变测试,分别得到两个SAW谐振器应变频率关系，以此得到两个谐振器的应变系数S1、S2的值，并测得室温下(即25℃)的谐振频率f₀₁和f₀₂，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ε＝(Δf₁/f₀₁-Δf₂/f₀₂)*(S1-S2)得到一个ε值，从而实现对应变的测量。

Claims (2)

1.一种双声表面波应变传感器，包括第一SAW谐振器、第二SAW谐振器和一块硅酸镓镧LGS压电基片,其特征在于：

第一、第二SAW谐振器互为2X°夹角制作在LGS压电基片上，并以并联的方式进行电路连接，其中80<X<90或0<X<10。

2.如权利要求1所述双声表面波应变传感器，其设计方法具体如下：

在一块LGS压电基片欧拉角为0°，138.5°，90+X°的切向上制作第一SAW谐振器，并在该压电基片欧拉角为0°，138.5°，90-X°的切向上制作第二SAW谐振器，两个SAW谐振器的主体结构即IDT和反射栅之间不相互接触，再将两个SAW谐振器以并联的方式进行电路连接。