CN106895803A - 一种利用两个声表面波谐振器分离温度影响的装置及方法 - Google Patents

Abstract

该发明公开了一种利用两个声表面波谐振器分离温度影响的装置及方法，属于声表面波传感器的设计领域。该装置包括：两个声表面波谐振器，所述的两个声表面波谐振器沿待测件的主应变方向设置于待测件上，且两个声表面波谐振器的声表面波传播方向与待测件的主应变方向相同，所述声表面波谐振器包括压电基底和设置于压电基底上的电极；其特征在于所述两个声表面波谐振器压电基底材料的切向不同，并在其中一个声表面波谐振器的压电基底上设置一层覆盖电极且使两个声表面波谐振器的转变温度相同的薄膜。该装置利用两个器件温度参数相同，应变参数不同的特性，抵消掉温度参数对声表面波器件的影响，最终实现对应变的测量。

Description

一种利用两个声表面波谐振器分离温度影响的装置及方法

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，具体为一种利用镀膜改变声表面波谐振器转变温度的方法。

背景技术

声表面波(Surface Acoustic Wave，SAW)泛指在弹性体自由表面产生并沿表面和界面传播的各种波。SAW器件通过利用SAW波传播并处理信号。SAW器件主要由叉指换能器(Interdigital，IDT)和压电材料基底构成。压电材料是信号传播和能量转换的重要载体，当压电基底受到压力时基底两端会产生电荷形成电势差。

IDT可以直接激励和传播SAW，当输入端输入电信号时，压电基底材料通过逆压电效应将电信号转换为机械能，并以SAW的形式在材料表面传播，当SAW抵达IDT输出端时，压电基底材料再通过压电效应将机械能转换成电信号输出，通过IDT的频率响应和脉冲响应实现传感功能。

SAW应变传感器是利用SAW器件来检测应变变化的传感器，当SAW器件受到应力作用时。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。

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，通过测试其谐振频率和温度的关系，来获得应变参数。然而，实验结果表明，SAW应变传感器的谐振频率会同时受温度变化和应变变化的影响，这导致传统的SAW应变传感器无法在变温环境下使用，只能在温度恒定的环境下进行应变测量。

发明内容

本发明的目的在于针对SAW应变传感器的谐振频率同时受温度和应变的影响的问题，提出一种利用两种压电材料的声表面波传感器及其设计方案，以在全温测量范围内测量，并分离温度变化对谐振频率的影响。

本发明采用的技术方案为：一种利用两个声表面波谐振器分离温度影响的装置，该装置包括：两个声表面波谐振器，所述的两个声表面波谐振器沿待测件的主应变方向设置于待测件上，且两个声表面波谐振器的声表面波传播方向与待测件的主应变方向相同，所述声表面波谐振器包括压电基底和设置于压电基底上的电极；其特征在于所述两个声表面波谐振器压电基底材料的切向不同，并在其中一个声表面波谐振器的压电基底上设置一层覆盖电极且使两个声表面波谐振器的转变温度相同的薄膜。

进一步的，所述覆盖在其中一个声表面波谐振器上的薄膜的材料为SiO₂。

一种利用两个声表面波谐振器分离温度影响的方法，采用如下公式计算出待测件只对应变的频率响应：

其中：ε表示应变频率响应，f_r1为第一声表面波谐振器的谐振频率，f_r2为第二声表面波谐振器的谐振频率；f_r1＝f_r01+a₁T+b₁T²+s₁ε，f_r2＝f_r02+a₂T+b₂T²+s₂ε，f_r01、f_r02分别为第一、第二声表面波谐振器在同一参考温度下的谐振频率，a₁和a₂为第一、第二声表面波谐振器的一阶温度频率系数，b₁和b₂分别为第一、第二声表面波谐振器的二阶温度频率系数，s₁和s₂分别为第一、第二声表面波谐振器的应变频率系数，T为温度。

综上所述，本设计通过在SAW谐振器上生长薄膜，使不同基底材料的声表面波器件转变温度相同，利用两个器件温度参数相同，应变参数不同的特性，抵消掉温度参数对声表面波器件的影响，最终实现对应变的测量。

附图说明

图1为不同切向的传感器的温度响应

图2为传感器结构示意图

图3为电极结构示意图

图4为切向为(0，138.5°，27°)的传感器镀膜前后的温度频率响应

具体实施方式

1.SAW谐振器的制备:采用微电子光刻工艺将SAW谐振器制作在不同切向的压电基片上,再采用电子束蒸发技术在此基片上生长Au电极,然后通过去胶液剥去剩下的胶，从而制成SAW谐振器，利用等离子体化学气相沉积法在其中一个SAW谐振器上沉积一层Si0₂薄膜，改变此器件的转变温度，使其与另外一个器件相同，即

2.温度应变测试:将步骤1制作好的两个器件粘接在应变测试件上同水平位置，其SAW传播方向平行于主应变方向。在不同温度下分别对两个器件进行应变测试，得到f_r01，a₁，f_r02，a₂，s₁，s₂等参数值。得到这些参数后，通过测试两个器件的应变频率响应，则由公式：

可得准确的应变值。

Claims (3)

1.一种利用两个声表面波谐振器分离温度影响的装置，该装置包括：两个声表面波谐振器，所述的两个声表面波谐振器沿待测件的主应变方向设置于待测件上，且两个声表面波谐振器的声表面波传播方向与待测件的主应变方向相同，所述声表面波谐振器包括压电基底和设置于压电基底上的电极；其特征在于所述两个声表面波谐振器压电基底材料的切向不同，并在其中一个声表面波谐振器的压电基底上设置一层覆盖电极且使两个声表面波谐振器的转变温度相同的薄膜。

2.如权利要求1所述的一种利用两个声表面波谐振器分离温度影响的装置，其特征在于所述覆盖在其中一个声表面波谐振器上的薄膜的材料为SiO₂。

3.一种利用两个声表面波谐振器分离温度影响的方法，采用如下公式计算出待测件只对应变的频率响应：

$\mathrm{\ϵ}=\frac{\frac{f_{r01}}{a_1}-\frac{f_{r02}}{a_2}-\frac{f_{r1}}{a_1}+\frac{f_{r2}}{a_2}}{\frac{s_2}{a_2}-\frac{s_1}{a_1}}$

其中：ε表示应变频率响应，f_r1为第一声表面波谐振器的谐振频率，f_r2为第二声表面波谐振器的谐振频率；f_r1＝f_r01+a₁T+b₁T²+s₁ε，f_r2＝f_r02+a₂T+b₂T²+s₂ε，f_r01、f_r02分别为第一、第二声表面波谐振器在同一参考温度下的谐振频率，a₁和a₂为第一、第二声表面波谐振器的一阶温度频率系数，b₁和b₂分别为第一、第二声表面波谐振器的二阶温度频率系数，s₁和s₂分别为第一、第二声表面波谐振器的应变频率系数，T为温度。