CN107421655B - 一种偶次阶Lamb波发生装置及温度检测系统 - Google Patents

一种偶次阶Lamb波发生装置及温度检测系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种偶次阶Lamb波发生装置及温度检测系统，涉及Lamb波传感器技术领域，其中所述装置包括：至少一个第一换能器，具有多个平行的第一臂；至少一个第二换能器，具有多个平行的第二臂，所述第二臂与所述第一臂平行且交错排布；其中所述至少一个第一换能器作为所述偶次阶Lamb波发生装置的输入端，所述至少一个第二换能器作为所述偶次阶Lamb波发生装置的输出端，以输出偶次阶Lamb。所述系统包括：信号发生器、偶次阶Lamb波发生装置和处理器，偶次阶Lamb波发生装置用于与待检测物质接触，处理器用于根据所述偶次阶Lamb波发生装置的输出端输出的电信号，确定所述待检测物质的温度值。

Description

一种偶次阶Lamb波发生装置及温度检测系统
技术领域
本发明涉及Lamb波传感器技术领域，具体涉及一种偶次阶Lamb波发生装置及温度检测系统。
背景技术
Lamb波传感器作为一种薄膜压电声波传感器，测试灵敏度随着硅基衬底薄膜的厚度减小而提高，当薄膜厚度远低于器件叉指换能器的波长时，Lamb波传感器仅存在两种模式，分别为一阶反对称模式A0和一阶对称模式S0。单一Lamb器件采用上述两种模式时，所能够检测的介质参数有限，而单一Lamb器件能实现三种及三种以上的物理量等测试十分困难。A0模式在其波速小于周围测试介质流速时表现为消逝波，声波损耗能够得到有效控制，在生化类检测领域具有重要的应用价值。现有的文献中A0模式多是采用其一阶A01模式，开发新型的A0模式激励方法和装置对于气、液介质多参数测试均具有重要的意义。
现有Lamb波传感器的连接方式如图1所示，Lamb传感器上设置了两对叉指换能器，两对叉指换能器之间留有间距，其中一对叉指换能器连接输入信号，另一对叉指换能器作为输出端。图2示出了图1所示Lamb传感器上左侧的叉指换能器A0和B0的电极状态与压电介质机械运动的对应关系示意图。为使该Lamb波传感器的压电介质能够产生机械波，叉指换能器A0为正电平时，叉指换能器B0必须接负电平，例如图2中n=1的情形（本申请中简称一阶波）、n=3的情形（本申请中简称三阶波，也即波长为一阶波波长的1/3）。由此可见，现有的Lamb波传感器的连接方式无法产生偶次阶波，也即无法使输出的Lamb频率为一阶波波长的偶次阶分之一。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供了一种偶次阶Lamb波发生装置及温度检测系统，以产生偶次阶Lamb波。
本发明第一方面提供了一种偶次阶Lamb波发生装置，包括：至少一个第一换能器，具有多个平行的第一臂；至少一个第二换能器，具有多个平行的第二臂，所述第二臂与所述第一臂平行且交错排布；其中所述至少一个第一换能器作为所述偶次阶Lamb波发生装置的输入端，所述至少一个第二换能器作为所述偶次阶Lamb波发生装置的输出端。
可选地，所述至少一个第一换能器包括至少两个第一换能器，所述至少一个第二换能器包括至少两个第二换能器，所述至少两个第一换能器位于所述偶次阶Lamb波发生装置的一侧，所述至少两个第二换能器位于所述偶次阶Lamb波发生装置的与所述一侧相对的另一侧，相邻的所述第一换能器之间存在第一间隔，相邻的所述第二换能器之间存在第二间隔。
可选地，多个所述第一臂长度相同；和/或多个所述第二臂长度相同；和/或多个所述第一臂宽度相同；和/或多个所述第二臂宽度相同。
可选地，所述第一臂与所述第二臂长度相同；和/或所述第一臂与所述第二臂宽度相同。
可选地，所述第一臂与所述第二臂宽度相同，并且相邻所述第一臂和所述第二臂之间间距与所述第一臂和/或所述第二臂的宽度相等。
可选地，所述偶次阶Lamb波发生装置顺次包括换能器层、压电层、地电极层，其中所述第一换能器和所述第二换能器设置在所述换能器层上；所述地电极层连接地信号。
可选地，所述装置还包括：反射栅，设置在所述换能器层上，并且栅格与所述第一臂和/或所述第二臂平行设置。
可选地，所述装置还包括：衬底，设置在地电极层表面，并且衬底上设置有凹槽。
可选地，所述反射栅下方的衬底厚度大于所述换能器下方的衬底厚度。
可选地，所述装置还包括：第一差分放大器，分别与两个第一换能器连接，所述偶次阶Lamb波发生装置的输入端输入的电信号通过所述第一差分放大器传送至所述两个第一换能器；和/或，第二差分放大器，分别与两个所述第二换能器连接，所述两个第二换能器输出的电信号通过所述第二差分放大器传送至所述偶次阶Lamb波发生装置的输出端。
本发明第二方面提供了一种温度检测系统，包括：信号发生器，用于输出电压随时间变化的电信号；第一方面或第一方面任意一种可选实施方式所述的偶次阶Lamb波发生装置，用于与待检测物质接触；所述偶次阶Lamb波发生装置的输入端用于接收所述信号发生器发出的电信号；处理器，用于根据所述偶次阶Lamb波发生装置的输出端输出的电信号，确定所述待检测物质的温度值。
可选地，所述系统还包括：滤波器，用于从所述偶次阶Lamb波发生装置的输出信号中过滤出二阶信号；所述处理器根据所述二阶信号确定所述待检测物质的温度值。
可选地，所述用于根据所述偶次阶Lamb波发生装置的输出端输出的电信号，确定所述待检测物质的温度值包括执行下列步骤：获取所述偶次阶Lamb波发生装置所输出的二阶信号；根据温度与所述二阶信号频率的预设对应关系，确定所述待检测物质的温度值。
附图说明
通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：
图1示出了现有Lamb传感器的连接方式示意图；
图2示出了图1所示Lamb传感器上左侧的叉指换能器A0和B0的电极状态与压电介质机械运动的对应关系示意图；
图3示出了根据本发明实施例的一种偶次阶Lamb波发生装置的示意图；
图4示出了图3所示的装置左侧的第一换能器和第二换能器的电极状态与压电介质机械运动的对应关系示意图；
图5输出了COMSOL二维仿真结果示意图；
图6示出了根据本发明实施例的另一种偶次阶Lamb波发生装置的示意图；
图7示出了现有差分放大器的电路结构图；
图8示出了根据本发明实施例的一种偶次阶Lamb波发生装置的结构示意图；
图9示出了根据本发明实施例的又一种偶次阶Lamb波发生装置的结构示意图；
图10示出了根据本发明实施例的再一种偶次阶Lamb波发生装置的结构示意图；
图11示出了一阶波频率与温度的线性关系示意图；
图12示出了二阶波频率与温度的线性关系示意图；
图13示出了根据本发明实施例的一种温度检测系统的原理框图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
图3示出了根据本发明实施例的一种偶次阶Lamb波发生装置的示意图。该偶次阶Lamb波发生装置包括至少一个第一换能器和至少一个第二换能器。第一换能器具有多个平行的第一臂A1，第二换能器具有多个平行的第二臂B1，第二臂B1与第一臂A1平行且交错排布。其中第一换能器作为偶次阶Lamb波发生装置的输入端，第二换能器作为偶次阶Lamb波发生装置的输出端。
本申请中，具有多个第一臂A1的第一换能器、具有多个第二臂B1的第二换能器也可以称之为叉指换能器。
当第一换能器上通以电压随时间变化的电信号时，由于逆压电效应，压电介质产生机械运动形成机械波；同时由于正压电效应，第二换能器将机械波转换成电信号输出。图4示出了图3所示的装置左侧的第一换能器和第二换能器的电极状态与压电介质机械运动的对应关系示意图。由于图4中只有第一臂A1接输入信号，为了使压电介质能够产生机械波，第二臂B1所对应的位置可以为机械波的波峰，也可以为波谷。当第二臂B1所对应的位置为波谷时，即为图4中n=1（简称一阶波，从图4中可以看出一阶波的波长等于相邻第一臂之间的间距）、n=3（简称三阶波，三阶波波长为一阶波波长的1/3倍）或n为其他奇数的情形；当第二臂B1所对应的位置为波峰时，即为图4中n=2（简称二阶波，二阶波波长为一阶波波长的1/2倍）或n为其他偶数的情形。由此可见，本发明实施例所提供的装置能够产生偶次阶Lamb波。COMSOL二维仿真结果如图5所示。
需要强调的是，该偶次阶Lamb波发生装置中第一换能器和第二换能器的数量可以均为一个，也可以均为多个；第一换能器的数量与第二换能器的数量可以相同，也可以不同，只需保证第一臂与第二臂相互交错排布即可；多个第一换能器的第一臂数量可以相同也可以不同，只需保证第一臂与第二臂相互交错排布即可。
此外，上述所有第一换能器可以相互电连接作为该装置地输入端，相应地，所有第二换能器可以相互电连接作为该装置的输出端。或者，该装置输入端输入的电信号可以通过差分放大器传送至第一换能器，相应地，第二换能器输出的电信号可以通过差分放大器传送至该装置输出端。
当第一换能器的数量为2个以上（包括2个）时，这些第一换能器位于偶次阶Lamb波发生装置的一侧，第二换能器位于与该一侧相对的另一侧。或者，当第二换能器的数量为2个以上（包括2个）时，第二换能器位于偶次阶Lamb发生装置的一侧，第一换能器位于与该一侧相对的另一侧。也即，所有的第一换能器位于一侧，所有的第二换能器位于另一侧，并且该一侧与该另一侧是相对的。
此外，相邻的第一换能器之间存在第一间隔，相邻的第二换能器之间存在第二间隔。此处第一间隔是指相邻的第一换能器之间最接近的两个第一臂之间的间距，第二间隔是指相邻的第二换能器之间最接近的两个第二臂之间的间距。
图6示出了第一换能器和第二换能器的数量均为2个时的示意图。如图6所示，该装置包括第一换能器A1、A2，以及第二换能器B1、B2，其中第一换能器A1的臂与第二换能器B1的臂交错排布，第一换能器A2的臂与第二换能器B2的臂交错排布。第一换能器A1、A2用于输入电压随时间变化的电信号，第二换能器B1、B2用于输出偶次阶Lamb波。
作为本实施例的一种可选实施方式，该装置还包括第一差分放大器，分别与两个第一换能器连接，偶次阶Lamb波发生装置的输入端输入的电信号通过第一差分放大器传送至两个第一换能器。该装置还可以包括第二差分放大器，分别与两个第二换能器连接，两个第二换能器输出的电信号通过第二差分放大器传送至偶次阶Lamb波发生装置的输出端。
图7示出了现有差分放大器的电路结构图，其中Q1、Q2为三极管，+V、-V为参考电压，V1、V2、V3为三个接口。结合图6，本发明实施例可以将V1、V2分别与第一换能器A1、A2连接，而将V3作为该偶次阶Lamb波发生装置的输入端。本发明实施例还可以将V1、V2分别与第二换能器B1、B2连接，而将V3作为该偶次阶Lamb波发生装置的输出端。
可选地，多个第一臂长度相同（例如，第一臂A1的长度均相同，第一臂A2的长度均相同），多个第二臂长度相同（例如，第二臂B1的长度均相同，第二臂B2的长度均相同）；多个第一臂宽度相同（例如，第一臂A1的宽度均相同，第一臂A2的宽度均相同），多个第二臂宽度相同（例如，第二臂B1的宽度均相同，第二臂B2的宽度均相同）。
可选地，第一臂A1与第二臂B1长度相同，第一臂A1与第二臂B1宽度相同。
进一步地，相邻第一臂和第二臂之间间距与第一臂或第二臂的宽度相等。此处“相邻第一臂和第二臂之间间距”是指第一臂和第二臂相邻两个边缘之间的距离。
偶次阶Lamb波发生装置上的换能器对称设计，并且设计较为规整，能够使输出的Lamb波信号越整齐，便于分析。
如图8所示，作为本实施例的一种可选实施方式，偶次阶Lamb波发生装置顺次包括换能器层10、压电层20、地电极层30，其中第一换能器和第二换能器设置在换能器层10上，地电极层30连接地信号。
可选地，该偶次阶Lamb波发生装置还包括反射栅，如图9和图10中的G1和G2，设置在换能器层10上，并且反射栅的栅格与第一臂A1或第二臂B1平行设置。
可选地，该偶次阶Lamb波发生装置还包括衬底40，设置在地电极层表面30，并且衬底40上设置有凹槽。该凹槽可以将Lamb波限制于薄膜衬底上方的压电层内，增大压电层介质在简谐振动时的振幅。
该衬底40可以为同一材质，也可以不同材质的两层或两层以上。如图8所示，衬底中还可以设置有夹层50，在该Lamb发生装置的制备过程中，先在衬底42上制备夹层50，然后在夹层50上加工衬底41，进而在衬底41上依次制备地电极层30、压电层20、换能器层10，最后衬底表面刻蚀出凹槽。夹层50的作用是保护刻蚀凹槽时衬底41不被刻蚀，最后将凹槽处的夹层50去除掉即可制备得到图8所示的装置。可选地，衬底40的材质为SOI（英文全称：Silicon On Insulation，中文：绝缘衬底上的硅），地电极层30的材质可选铝（Al）、钨（W）、钛（Ti）、钼（Mo）、铂（Pt）之一，压电层20的材质为氮化铝（AlN）或氧化锌（ZnO）。可选地，电极层30的厚度为100nm至250nm，压电层20的厚度为0.5μm至2.5μm，换能器层10的厚度为100nm至200nm。
进一步地，反射栅下方的衬底厚度大于换能器下方的衬底厚度。如图9和图10中，虚线框表示薄膜衬底区域（也即凹槽上方仅有衬底41的区域），反射栅G1和G2分别设置在第一换能器和第二换能器的两侧，并且反射栅可以如图9所示均设置在薄膜衬底区域外，也即反射栅下方的衬底厚度大于换能器下方的衬底厚度；或者也可以如图10所示均设置在薄膜衬底区域内。可选地，薄膜衬底区域的衬底厚度为2μm至20μm。
实施例二
本发明实施例提供了一种温度检测系统，如图10所示，包括信号发生器、实施例一或者实施例一任意一种可选实施方式所述的偶次阶Lamb波发生装置、处理器。
信号发生器用于输出电压随时间变化的电信号。
偶次阶Lamb波发生装置的输入端用于接收信号发生器发出的电信号。偶次阶Lamb波发生装置用于与待检测物质接触，例如，当测量固体的温度时，该装置贴附在固体表面；当测量液体的温度时，液体流过该装置表面；当测量气体的温度时，该装置置于气体中。
处理器用于根据偶次阶Lamb波发生装置的输出端输出的电信号，确定待检测物质的温度值。
发明在试验过程中发现，当偶次阶Lamb波发生装置处于简谐振动状态时，其中二阶波频率与温度具有良好的线性关系，并且由于一阶波频率与温度的线性关系。图11示出了一阶波频率与温度的线性关系示意图，图12示出了二阶波频率与温度的线性关系示意图。从图11和图12中可以看出，一阶波频率与温度的关系曲线接近于直线但稍有偏离，而二阶波频率与温度的关系曲线与直线完全重合。由此可见，二阶波频率与温度的线性关系更好，通过二阶波频率测量温度的方式较为精确。
作为本实施例的一种可选实施方式，如图13所示，该系统还包括滤波器，用于从偶次阶Lamb波发生装置的输出信号中过滤出二阶信号；处理器根据二阶信号确定待检测物质的温度值。
作为本实施例的一种可选实施方式，处理器执行下列步骤：S1：获取偶次阶Lamb波发生装置所输出的二阶信号；S2：根据温度与二阶信号频率的预设对应关系，确定待检测物质的温度值。
需要补充说明的是，本发明实施例所述的一阶波、二阶波、三阶波均为反对称模式的Lamb波。
虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (10)

1.一种偶次阶Lamb波发生装置，其特征在于，包括：
至少两个第一换能器，具有多个平行的第一臂；
至少两个第二换能器，具有多个平行的第二臂，所述第二臂与所述第一臂平行且交错排布；
其中所述至少一个第一换能器作为所述偶次阶Lamb波发生装置的输入端，所述至少一个第二换能器作为所述偶次阶Lamb波发生装置的输出端；
所述偶次阶Lamb波发生装置顺次包括换能器层、压电层、地电极层、衬底，其中
所述第一换能器和所述第二换能器设置在所述换能器层上；
所述地电极层连接地信号；
衬底，设置在地电极层表面，并且衬底上设置有凹槽，所述衬底中设置有夹层；
所述至少两个第一换能器位于所述偶次阶Lamb波发生装置的一侧，所述至少两个第二换能器位于所述偶次阶Lamb波发生装置的与所述一侧相对的另一侧，相邻的所述第一换能器之间存在第一间隔，相邻的所述第二换能器之间存在第二间隔。
2.根据权利要求1所述的偶次阶Lamb波发生装置，其特征在于，
多个所述第一臂长度相同；和/或
多个所述第二臂长度相同；和/或
多个所述第一臂宽度相同；和/或
多个所述第二臂宽度相同。
3.根据权利要求2所述的偶次阶Lamb波发生装置，其特征在于，
所述第一臂与所述第二臂长度相同；和/或
所述第一臂与所述第二臂宽度相同。
4.根据权利要求2所述的偶次阶Lamb波发生装置，其特征在于，
所述第一臂与所述第二臂宽度相同，并且相邻所述第一臂和所述第二臂之间间距与所述第一臂和/或所述第二臂的宽度相等。
5.根据权利要求1所述的偶次阶Lamb波发生装置，其特征在于，还包括：
反射栅，设置在所述换能器层上，并且栅格与所述第一臂和/或所述第二臂平行设置。
6.根据权利要求5所述的偶次阶Lamb波发生装置，其特征在于，所述反射栅下方的衬底厚度大于所述换能器下方的衬底厚度。
7.根据权利要求1所述的偶次阶Lamb波发生装置，其特征在于，还包括：
第一差分放大器，分别与两个第一换能器连接，所述偶次阶Lamb波发生装置的输入端输入的电信号通过所述第一差分放大器传送至所述两个第一换能器；和/或，
第二差分放大器，分别与两个所述第二换能器连接，所述两个第二换能器输出的电信号通过所述第二差分放大器传送至所述偶次阶Lamb波发生装置的输出端。
8.一种温度检测系统，其特征在于，包括：
信号发生器，用于输出电压随时间变化的电信号；
权利要求1至7任一项所述的偶次阶Lamb波发生装置，用于与待检测物质接触；所述偶次阶Lamb波发生装置的输入端用于接收所述信号发生器发出的电信号；
处理器，用于根据所述偶次阶Lamb波发生装置的输出端输出的电信号，确定所述待检测物质的温度值。
9.根据权利要求8所述的温度检测系统，其特征在于，所述系统还包括：
滤波器，用于从所述偶次阶Lamb波发生装置的输出信号中过滤出二阶信号；所述处理器根据所述二阶信号确定所述待检测物质的温度值。
10.根据权利要求9所述的温度检测系统，其特征在于，所述用于根据所述偶次阶Lamb波发生装置的输出端输出的电信号，确定所述待检测物质的温度值包括执行下列步骤：
获取所述偶次阶Lamb波发生装置所输出的二阶信号；
根据温度与所述二阶信号频率的预设对应关系，确定所述待检测物质的温度值。
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