CN107228641A - 基于声表面波的微位置传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于声表面波的微位置传感器，包括方型的压电基底(1)，压电基底(1)垂直方向上的两个侧面的内壁上相对应地设有第一声表面波发射器(2)和第一声表面波接收器(3)，压电基底(1)水平方向上的两个侧面的内壁上相对应地设有第二声表面波发射器(4)和第二声表面波接收器(5)，所述的第一声表面波发射器(2)、第一声表面波接收器(3)、第二声表面波发射器(4)和第二声表面波接收器(5)分别位于压电基底(1)的四个角的位置，压电基底(1)的四个侧面的内壁上均设有反射栅(6)。本发明的微位置传感器是利用声表面波的发射与接收原理制作而成，体积小、灵敏度高、测量精度高且不易受噪声影响。

Description

基于声表面波的微位置传感器

技术领域

本发明涉及，特别涉及一种基于声表面波的微位置传感器。

背景技术

声表面波(surface acoustic wave，SAW)是英国物理学家瑞利在19世纪80年代研究地震波的过程中偶尔发现的一种能量集中于地表面传播的声波。声表面波是一种在固体浅表面传播的弹性波，它存在若干模式，主要包括Rayleigh波、Love波、Lamb波、B2G波、漏剪切声表面波以及快速声表面波模式的准纵漏声表面波等。

1965年，美国怀特和沃尔特默发表题为“一种新型声表面波声——电转化器”的论文，取得了声表面波技术的关键性突破，首次采用叉指换能器IDT激发SAW，加速了声表面波技术的发展。SAW传感器是电子技术与材料科学相结合的产物，它由SAW振荡器、敏感的界面膜材料和振荡电路组成，SAW传感器的核心部件是SAW振荡器，由压电材料基片和沉积在基片上不同功能的叉指换能器所组成，有延迟线型(DL型)和谐振器型(R型)两种。

SAW传感器是继陶瓷、半导体等传感器的一支后起之秀。与传统传感器相比，它具有性能高、体积小、能承受极端工作条件(如高温、强电磁辐射)等优点。此外，SAW传感器可实现无源化，无须外部供电，这使得它比传统的传感器更能胜任无接触测量，例如：高速转子、快速移动物体以及密封物体内部等各种条件下的物理化学参数检测。由于叉指换能器可与射频辐射天线直接相连，达到收发射频信号的目的，所以能直接完成无线应用，大大简化了SAW传感器节点的结构。最简单的SAW传感器节点仅由声表面波压电编码传感单元芯片和直接相连的天线组成，成本低，适于推广应用。

由于声表面波声速比电磁波光速低许多，声表面波传播4mm距离，即可延时一微秒左右。一微秒延迟时间，足以避免近距(<100米)内射频多次反射杂波的干扰，大大提高了有效回波的信噪比，有利于增加反射延迟型SAW传感器的读写距离或减小读写器的射频辐射功率。

微位置传感器根据其传感原理主要分为压阻式、电容式、声表面波式。压阻式和电容式在微位置的测量过程中存在许多问题，例如体积大、灵敏度低、易受噪声影响。而声表面波是一种在压电基底表面传播的机械波，基于其原理制作的各类传感器因为其体积小、灵敏度高、测量精度高，并且为无源无线测量而广泛应用于旋转、强电磁场等极端环境之中。基于MEMS工艺制作的声表面波传感器经过特殊封装后还可以置入于被测物体的表面。目前，基于SAW传感方式的微位置传感器还没有被报道过。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种利用声表面波的发射与接收原理制作而成的基于声表面波的微位置传感器，该传感器体积小、灵敏度高、测量精度高且不易受噪声影响，能够广泛地应用于旋转和强电磁场等极端环境之中，使用范围广。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：基于声表面波的微位置传感器，包括方型的压电基底，压电基底垂直方向上的两个侧面的内壁上相对应地设有第一声表面波发射器和第一声表面波接收器，压电基底水平方向上的两个侧面的内壁上相对应地设有第二声表面波发射器和第二声表面波接收器；所述的第一声表面波发射器、第一声表面波接收器、第二声表面波发射器和第二声表面波接收器分别位于压电基底的四个角的位置，压电基底的四个侧面的内壁上均设有反射栅。

进一步地，所述的第一声表面波发射器、第一声表面波接收器、第二声表面波发射器和第二声表面波接收器均是由铝膜制成的叉指换能器组成的。

进一步地，所述的反射栅为45°凹槽反射栅，该反射栅是利用MEMS制造工艺刻蚀在压电基底内壁上的。

进一步地，所述的压电基底采用单晶石英压电基底或多层基底。

本发明的有益效果是：

1、声表面波是一种在压电基底表面传播的机械波，利用声表面波的发射与接收原理制作而成的微位置传感器体积小、灵敏度高、测量精度高且不易受噪声影响；

2、该微位置传感器为无源无线测量，能够广泛地应用于旋转和强电磁场等极端环境之中，使用范围广；

3、采用45°凹槽反射栅，能够将声表面波发射到整个工作平面，从而对整个工作平面进行检测，不会差生遗漏，检测结果准确可靠。

附图说明

图1为本发明的微位置传感器结构示意图；

图2为本发明的工作平面上无试样点时，第一声表面波号接收器得到的信号波形图；

图3为本发明的工作平面上有试样点时，第一声表面波号接收器得到的信号波形图；

附图标记说明：1-压电基底，2-第一声表面波发射器，3-第一声表面波接收器，4-第二声表面波发射器，5-第二声表面波接收器，6-反射栅。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的技术方案，但本发明所保护的内容不局限于以下所述。

如图1所示，基于声表面波的微位置传感器，包括方型的压电基底1，压电基底1垂直方向上的两个侧面的内壁上相对应地设有第一声表面波发射器2和第一声表面波接收器3，压电基底1水平方向上的两个侧面的内壁上相对应地设有第二声表面波发射器4和第二声表面波接收器5，所述的第一声表面波发射器2、第一声表面波接收器3、第二声表面波发射器4和第二声表面波接收器5分别位于压电基底1的四个角的位置，压电基底1的四个侧面的内壁上均设有反射栅6。

进一步地，所述的第一声表面波发射器2、第一声表面波接收器3、第二声表面波发射器4和第二声表面波接收器5均是由铝膜制成的叉指换能器组成的。

进一步地，所述的反射栅6为45°凹槽反射栅，该反射栅6是利用MEMS制造工艺刻蚀在压电基底1内壁上的。

进一步地，所述的压电基底1采用单晶石英压电基底或多层基底。

本发明的微位置传感器的工作原理为：该传感器是基于声表面波的发射与接收原理进行工作的，位于垂直方向上的第一声表面波发射器2将从外围电路接收到的电磁信号转换为声表面波沿着下边缘向左侧传播，由于反射栅6的存在，声表面波会产生反射，从而覆盖整个工作平面，并向上进行传播，接着，上侧的反射栅6又会将声表面波反射至第一声表面波接收器3，第一声表面波接收器3再将声表面波转换为电磁波并发送至外围电路进行分析。当工作平面上没有出现试样点时，用δ脉冲波激励第一声表面波号发射器2，则从第一声表面波号接收器3得到的信号如图2所示近似为方波信号。当工作平面上某位置出现微小试样点(微米级)时，该点的声表面波将会被部分吸收，那么输出信号将会在原始信号的基础上出现损耗，如图3所示。则其凹形波谷的x值即为试样点的X坐标，同理，第二声表面波发射器4和第二声表面波接收器5可以确定Y坐标值，则试样的位置被确定下来。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.基于声表面波的微位置传感器，其特征在于，包括方型的压电基底(1)，压电基底(1)垂直方向上的两个侧面的内壁上相对应地设有第一声表面波发射器(2)和第一声表面波接收器(3)，压电基底(1)水平方向上的两个侧面的内壁上相对应地设有第二声表面波发射器(4)和第二声表面波接收器(5)，所述的第一声表面波发射器(2)、第一声表面波接收器(3)、第二声表面波发射器(4)和第二声表面波接收器(5)分别位于压电基底(1)的四个角的位置，压电基底(1)的四个侧面的内壁上均设有反射栅(6)。

2.根据权利要求1所述的基于声表面波的微位置传感器，其特征在于，所述的第一声表面波发射器(2)、第一声表面波接收器(3)、第二声表面波发射器(4)和第二声表面波接收器(5)均是由铝膜制成的叉指换能器组成的。

3.根据权利要求1所述的基于声表面波的微位置传感器，其特征在于，所述的反射栅(6)为45°凹槽反射栅。

4.根据权利要求1所述的基于声表面波的微位置传感器，其特征在于，所述的反射栅(6)是利用MEMS制造工艺刻蚀在压电基底(1)内壁上的。

5.根据权利要求1所述的基于声表面波的微位置传感器，其特征在于，所述的压电基底(1)采用单晶石英压电基底或多层基底。