CN107515062A - 一种高精度声表面波阵列传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高精度声表面波阵列传感器，包括：一基板，至少两个传感单元，每个所述传感单元固设于所述基板上；每个所述传感单元包括：压电基底；其中，各所述传感单元的压电基底不同，通过不同所述压电基底的所述传感单元的组合实现多个待测的物理参数的测量。本发明采用具有不同特性的压电基底实现对同一位置多参数并行测量；且各传感单元采用时分多路复用规则，使各传感单元测量的参数具有极高的时间耦合度。对采用同一种压电基底的传感单元可以批量生产，简化了标定过程。

Description

一种高精度声表面波阵列传感器

技术领域

本发明涉及声表面波传感器领域，尤其涉及一种高精度声表面波阵列传感器。

背景技术

声表面波(Surface Acoustic Wave，SAW)传感器是一种新型的、以SAW为被测信息载体的传感器，具有高灵敏度、响应时间短、体积小等特点。基于其优异的性能，现已开发出具有不同功能的声表面波传感器，例如：SAW温度传感器、SAW扭矩传感器、SAW气体传感器等。

现有SAW传感器应用环境存在限制或者说测量精度偏低，主要原因是压电基底对多种物理参数测量，测量结果受多种物理参数共同作用。在使用中，除目标物理参数以外的物理参数所造成的偏差被视作误差处理，限制了测量精度。

例如：SAW温度传感器的测量目标是外界温度，在测量外界温度的同时，也会受压力、湿度等外界其他物理参数影响，外界物理参数(包括测量目标和非测量目标)改变压电基底的结构参数矩阵，从而改变了压电基底的波速。SAW波速变化Δv是外界所有物理参数变化ΔI的直接反映，但不能从Δv中分辨出ΔI中每一个物理参数所对应的Δv，也就不能从Δv中分辨出ΔI中每一个物理参数变化的大小。因此，研究SAW传感器的多参数信息分离/解耦是当前SAW传感器研究中的关键技术问题。

现有的解决多参数测量问题的方式有：

1、基于敏感膜特征吸附的SAW传感器，不同的敏感膜有对应的被测量对象的吸附特征，利用不同的膜制成对应的传感器。

上述这种方式主要用在气体传感领域，通过在SAW传感器上镀膜(特殊的高分子膜)，实现对气体成分的选择性吸附，从而改变了界面的质量/压力。其根本在于膜的选择，并且需要限制应用条件(例如：在使用时，需要限定外界的温度，因为外界温度会改变气体体积，从而影响测量结果)。

2、物理隔离法，设定、隔离或限制SAW传感器的测量目标信息。

例如：扭矩传感，在与轴线成45°夹角方向应变最大。因此，需要两个声表面波传感器作为两个传感单元，其中两个安装方向与轴线呈45°夹角，实现对扭矩参数的测量。而由于两传感单元关于轴线对称，理论上温度等其他外界物理量的作用相同，两个传感单元的差值，理论上只与扭矩相关，得到的扭矩参数(测量结果)为理论真实值，但是在实际安装过程中，无法保证两个传感单元处于理想的角度，因此，会额外增加一个温度传感器实现温度的补偿。

再比如：液体传感器，因液体本身包含密度、粘度、电导率、电容率四种物理参数，需要检测这四种不同的物理参数，而不同的液体属性，物理参数差异较明显。当要测量液体的粘度时，需要消除电导率、电容率和密度的影响，现有通过设置自由化金属化界面，消除电导率、电容率的影响，然后通过沟槽的特殊结构，分离液体的密度和粘度参数。

针对SAW传感器在传感过程中忽视其它物理参数的影响，而导致测量结果的精度受限的问题，现有的方式为通过特殊的SAW传感器结构设计或安装位置的设计，限定/抵消测量项，再根据待测的物理参数传感原理，估算待测的物理参数。此类SAW传感器结构复杂，需要根据不同的应用场景进行特别定制，重复性较低。

综上，现有的针对多参数测量的SAW传感器，其结构复杂，需要根据不同的应用场景进行特别定制，重复性较低，成本高，无法进行批次生产；对使用环境也会存在一定的限制。

发明内容

本发明的目的是提供一种高精度声表面波阵列传感器，可以实现多参数测量，量化干扰作用的其他物理参数，从而提高测量精度，且结构简单，成本低廉，应用场景广泛。

本发明提供的技术方案如下：

一种高精度声表面波阵列传感器，包括：一基板，至少两个传感单元，每个所述传感单元固设于所述基板上；每个所述传感单元包括：压电基底；其中，各所述传感单元的所述压电基底不同，通过不同所述压电基底的所述传感单元实现多个待测的物理参数的测量。

在上述技术方案中，通过不同压电基底的传感单元实现多参数传感，且结构简单，易于推广。

进一步，所述传感单元的数量不小于待测的物理参数的个数。

在上述技术方案中，传感单元的数量限制是后续根据各传感单元的测量结果进行对待测的物理参数进行解耦的基础。

进一步，所述通过不同所述压电基底的所述传感单元根据以下测量矩阵实现多个待测的物理参数的测量：A·x+b＝y，A为各所述传感单元的所述压电基底的物理参数敏感系数矩阵，x为各待测的物理参数，b为各所述传感单元的初始状态值，y即为各所述传感单元的测量结果。

在上述技术方案中，通过此公式对待测的物理参数进行解耦计算。

进一步，所述物理参数敏感系数矩阵满秩。

在上述技术方案中，物理参数敏感系统矩阵满秩保证了上述公式只有唯一解，得到较精确的待测的物理参数。

进一步，各所述传感单元符合时分多路复用规则。

在上述技术方案中，时分多路复用规则保证了提取各传感单元测量结果的准确性。

进一步，每个所述传感单元还包括：叉指换能器，设置于所述压电基底上；反射栅，设置于所述压电基底上，且位于所述叉指换能器的一侧。

在上述技术方案中，叉指换能器和反射栅是传感单元的基础组成。

进一步，所述反射栅的数量为至少两条，每条所述反射栅沿声表面波的传播方向设置于所述压电基底上。

在上述技术方案中，反射栅之间的时延差可以消除空间传输路径上的干扰。

进一步，所述叉指换能器包括：第一汇流条，其沿所述声表面播的传播方向延伸，所述第一汇流条的一侧垂直设有多个第一指部；与所述第一汇流条平行的第二汇流条，所述第二汇流条靠近所述第一汇流条的一侧垂直设有与所述第一指部相配合的第二指部，所述第二指部与所述第一指部相互交叉。

在上述技术方案中，每个传感单元仅有一个叉指换能器实现输入和输出，仅采用一个叉指换能器的设计大大减小了传感单元的体积，从而使本实施例的声表面波阵列传感器的体积得到减小，使其易于推广、使用。

与现有技术相比，本发明的高精度声表面波阵列传感器有益效果在于：

高精度声表面波阵列传感器是基于延迟线型声表面波传感器实现的，读取速度快。采用不同的压电基底(材料)实现(对同一位置)多参数并行测量；且各传感单元采用时分多路复用规则，使各传感单元的测量结果具有极高的时间耦合度。对采用同一种压电基底的传感单元可以批量生产，简化了标定过程。

附图说明

下面将以明确易懂的方式，结合附图说明优选实施方式，对一种高精度声表面波阵列传感器的上述特性、技术特征、优点及其实现方式予以进一步说明。

图1是本发明高精度声表面波阵列传感器一个实施例的结构示意图；

图2是本发明传感单元一个实施例的结构示意图；

图3是本发明传感单元中叉指换能器一个实施例的结构示意图；

图4是现有的梁式结构的压力传感器的结构示意图。

附图标号说明：

100.阅读器，200.基板，301.第一传感单元，302.第二传感单元，303.第三传感单元，304.第四传感单元，305.第五传感单元，306.第六传感单元，21.压电基底，22.叉指换能器，221.第一汇流条，222.第一指部，223.第二汇流条，224.第二指部，23.第一反射栅，24.第二反射栅。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对照附图说明本发明的具体实施方式。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图，并获得其他的实施方式。

为使图面简洁，各图中只示意性地表示出了与本发明相关的部分，它们并不代表其作为产品的实际结构。另外，以使图面简洁便于理解，在有些图中具有相同结构或功能的部件，仅示意性地绘示了其中的一个，或仅标出了其中的一个。在本文中，“一个”不仅表示“仅此一个”，也可以表示“多于一个”的情形。

在本发明的一个实施例中，如图1、图2所示，一种高精度声表面波阵列传感器，包括：阅读器100，一基板200，六个传感单元(第一传感单元301，第二传感单元302，第三传感单元303，第四传感单元304，第五传感单元305，第六传感单元306)，每个所述传感单元固设于所述基板200(的同一板面)上；每个所述传感单元包括：压电基底21；其中，各所述传感单元的压电基底不同，通过不同所述压电基底的所述传感单元(的组合)实现多个待测的物理参数的测量。每个传感单元上都安装有天线(图中未示出)，各传感单元通过各自的天线与阅读器无线通信连接，因此，声表面波阵列传感器需要设置在阅读器信号覆盖的范围内。

具体的，本发明是基于延迟线型声表面波传感器实现的(即每个传感单元为一个延迟线型声表面波传感器)，将不同压电基底的声表面波传感器作为传感单元固定设置于一基板上，形成声表面波阵列传感器。不同压电基底对不同的物理参数敏感度存在差异，通过多组传感单元的组合，可实现对单点多物理参数的测量。

其工作原理为：压电基底为各传感单元的敏感材料，其作为各向异性材料，外界物理参数如压力、温度等将影响声表面波在压电基底上传播的波速的变化，每个传感单元的测量结果为外界各物理参数的耦合，因各传感单元的压电基底的敏感材料不同，每个传感单元的测量结果也不同，当得到测量结果后，再根据各传感单元对各物理参数的物理参数敏感系数矩阵计算，得到待测的物理参数。

且本实施例的阵列传感器实现多参数传感的原理为仅要求各传感单元的压电基底不同，对使用环境、安装位置不作特殊限定，应用范围广，安装方便。

本实施例的阵列传感器中各传感单元无需进行镀膜、制作沟槽等加工工艺，生产过程简单，便于量产，各传感单元的一致性好，从而简化了本实施例的声表面波阵列传感器的标定。另外，本实施例的声表面波阵列传感器中的各传感单元功能上具有通用性/可替代性，单个传感单元的失灵不影响整个声表面波阵列传感器的正常工作。

本实施例的阵列传感器在应用时，可以采用并行测量，即各传感单元会同时接收到阅读器发送的电信号，各传感单元进行测量后，先后将测量结果反馈给阅读器。本实施例的阵列传感器相比传统的阵列传感器(传统的由于结构的原因，一般采用轮询的方式读取测量结果)在使用过程中大大降低了测量结果的提取时间(提取时间不超过10us)，在提取时间内，外界的物理参数来不及变化，因此各传感单元时分编码引入的测量时刻不同步引入的误差可忽略；此外单次测量周期短，可满足实时监测需求。

优选地，各所述传感单元符合时分多路复用规则。

具体的，时分多路复用规则是按传输信号的时间进行分割的，它使不同的信号在不同的时间内传送，将整个传输时间分为许多时间间隔(Time Slot，TS，又称为时隙)，每个时间片被一路信号占用。

时分多路复用规则的应用，使阅读器可以在短时间内准确地接收各传感单元反馈回的测量结果，提高了测量结果提取的精确性。

优选地，所述传感单元的数量不小于待测的物理参数的个数。

优选地，所述不同压电基底的所述传感单元根据以下测量矩阵实现多个待测的物理参数的测量：

A·x+b＝y，

A为各所述传感单元的所述压电基底的物理参数敏感系数矩阵，x为各待测的物理参数，b为各所述传感单元的初始状态值，y即为各所述传感单元的测量结果。

具体的，对于本实施例中的高精度声表面波阵列传感器，同一个传感单元各物理参数敏感系数之间相互独立，以四个传感单元为例，传感单元的敏感矩阵可以如下表示：

上式可简化为：

A·x+b＝y (2)

其中A为各传感单元的压电基底的物理参数敏感系数矩阵，物理参数敏感系数矩阵是指阵列传感器内各压电基底的物理参数敏感系数组成的矩阵，x表示各待测的物理参数，b为各传感单元的初始状态值，y即为各传感单元的测量结果。

依据数学原理，上述线性方程组有唯一解的充要条件是r(A)＝r(A+b)＝n。通过选择合适的物理参数敏感系数矩阵，即选择特定的压电基底组合，可以得到精确的多种待测的物理参数。而上述对传感单元的数量限制，为此方程的成立条件，即R(A)＝n。具体来说，即要求传感单元的数量不小于待测的物理参数的个数，同时各个传感单元的压电基底的敏感系数之间互不相关。

可以理解为：三点确定一个平面(对具体三个点的位置没有要求，但是对三个点的关系有约束，即不能同线)，对于本实施例的压电基底也是一样，对压电基底没有特殊要求，只是要求在同一个声表面波阵列传感器中各传感单元选取的压电基底不能相互抵消，或者说，在同一个声表面波阵列传感器中一个传感单元选取的压电基底的敏感系数不能被同一个高精度声表面波阵列传感器中其它一个或多个传感单元的压电基底的敏感系数线性(组合来)表示。

因此，压电基底材料的选择对于物理参数的精确提取至关重要；而对传感单元和待测的物理参数的个数之间进行限制，是为了通过各传感单元得到多个待测的物理参数的测量结果后，能够顺利计算得到待测的物理参数。

为方便对比说明，我们以压力传感器为例(压力为待测的物理参数，温度为干扰项)实现对传统技术与本发明的对比。

传统技术：

特殊的安装结构，如图4所示，梁式结构的压力传感器，在应变最大点处结构对称地在上下表面铺设两个传感单元(R1和R2)。理论上温度测量结果相同，而压力测量结果呈差分输出。因此通过差值处理，可以解耦出温度的干扰。例如：压力F可以通过R1和R2测量结果之差计算得出。不同的部署位置，压力信息不一致，因此，装配位置的对称性是关键。如表一所示，ST切石英的时延温度系数为零，采用ST切石英晶体作为R1和R2的压电基底，所制作出来的传感器对温度不敏感，因此在压力、温度实验环境中可以有效实现温度参数的解耦。但对于更多个待测的物理参数的场景无能为力，只能通过限制测量环境来确保测量结果的准确度。

而在本发明的实施例中，高精度声表面波阵列传感器部署在一点，各传感单元接收的待测的物理参数相同。当前场景，选择两个传感单元即可，这两个传感单元组成的高精度声表面波阵列传感器可以部署在R1的位置。需要注意的是，这两个传感单元的压电基底的敏感系数不能完全相同，在选择压电基底时，几乎可以任意选择压电基底自由组合，完成阵列传感器的组成。参考下述表一，比如从灵敏度考虑，第一传感单元301选择ST切石英，对温度不敏感；第二传感单元302选择YZLiNbO3(YZ切铌酸锂)，对温度高度敏感。而从机电耦合系数考虑，第一传感单元301可选择36°钽酸锂，第二传感单元302选择YZLiNbO3。而如果从统一材料考虑，则第一传感单元301可选择41°YX LiNbO3，第二传感单元302选择YZLiNbO3。当得到两个传感单元的测量结果后，将其代入A·x+b＝y公式中，进行行列式求解，得到待测的物理参数(压力，当然温度也可以算出来)。待测的物理参数包括：目标物理参数和干扰物理参数，用户可以根据计算得到的待测的物理参数自行选择需要的物理参数。例如：上述例子中待测的物理参数会计算得到压力和温度的物理参数，若用户想要的目标物理参数仅为压力物理参数，那么干扰物理参数就为温度物理参数，两者都可以通过上述公式计算得到，因目标物理参数仅为压力物理参数，后续工程师可以仅存储压力物理参数。

阵列传感器压电基底集合的选择核心在于确保各压电基底的物理参数敏感系数矩阵的秩等于待测的物理参数的个数，即满足条件r(A)＝n。而对于另外条件r(A,b)＝n，阵列传感器工作前的标定工作实际消除了变量b的影响。

本实施例的高精度声表面波阵列传感器可以实现测量多物理参数，对待测的目标物理参数和干扰物理参数进行量化处理，得到精度较高的待测的物理参数。另外，本实施例的声表面波阵列传感器的核心在于阵列传感器中各传感单元的压电基底的选择，可以充分利用现有压电基底材料，按需自由组合、设计灵活。

表一

优选地，每个所述传感单元还包括：叉指换能器22，设置于所述压电基底21上；反射栅，设置于所述压电基底上，且位于所述叉指换能器的一侧。

具体的，每个传感单元相当于一个延迟线型声表面波传感器，叉指换能器、压电基底和反射栅是组成传感单元的基础。

传感单元在接收到阅读器发送的电信号后，会由叉指换能器将电信号转换为声表面波，声表面波沿着压电基底进行传播，遇到反射栅后，因阻抗不匹配产生反射，此反射回波会回到叉指换能器，由叉指换能器将其转换为电信号后，反馈给阅读器。

优选地，所述反射栅的数量为至少两条(每个传感单元上的反射栅数量一致)，每条所述反射栅沿声表面波的传播方向设置于所述压电基底上，如图2所示，有第一反射栅23，第二反射栅24。

优选地，如图3所示，叉指换能器包括：第一汇流条221，其沿所述声表面播的传播方向延伸，所述第一汇流条的一侧垂直设有多个第一指部222；与所述第一汇流条平行的第二汇流条223，所述第二汇流条靠近所述第一汇流条的一侧垂直设有与所述第一指部相配合的第二指部224，所述第二指部与所述第一指部相互交叉。

具体的，本实施例中各传感单元中只采用了一个叉指换能器，实现输入和输出的功能。仅采用一个叉指换能器的设计大大减小了传感单元的体积，从而使本实施例的声表面波阵列传感器的体积得到减小，使其易于推广、使用。

在本发明的另一个实施例中，一种高精度声表面波阵列传感器，包括：一基板200，至少两个传感单元，每个所述传感单元固设于所述基板上；所述传感单元的数量不小于待测的物理参数的个数；各所述传感单元符合时分多路复用规则。

每个所述传感单元包括：压电基底21；叉指换能器22，设置于所述压电基底上；至少两条反射栅，设置于所述压电基底上，每条所述反射栅位于所述叉指换能器的一侧，且每条所述反射栅沿声表面波的传播方向设置于所述压电基底上。其中，各所述传感单元的压电基底不同，通过不同所述压电基底的所述传感单元实现多个待测的物理参数的测量。

具体的，本实施例中的高精度声表面波阵列传感器是基于延迟线型声表面波传感器实现的，读取速度快。采用不同的压电基底(材料)实现(对同一位置)多参数并行测量；且各传感单元采用时分多路复用规则，使各传感单元测量的参数具有极高的时间耦合度。对采用同一压电基底的传感单元可以批量生产，简化了标定过程。

应当说明的是，上述实施例均可根据需要自由组合。以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种高精度声表面波阵列传感器，其特征在于，包括：

一基板，

至少两个传感单元，每个所述传感单元固设于所述基板上；

每个所述传感单元包括：压电基底；

其中，各所述传感单元的所述压电基底不同，通过不同所述压电基底的所述传感单元实现多个待测的物理参数的测量。

2.如权利要求1所述的高精度声表面波阵列传感器，其特征在于：

各所述传感单元符合时分多路复用规则。

3.如权利要求1所述的高精度声表面波阵列传感器，其特征在于：

所述传感单元的数量不小于待测的物理参数的个数。

4.如权利要求1所述的高精度声表面波阵列传感器，其特征在于，所述不同压电基底的所述传感单元根据以下测量矩阵实现多个待测的物理参数的测量：

A·x+b＝y，

A为各所述传感单元的所述压电基底的物理参数敏感系数矩阵，x为各待测的物理参数，b为各所述传感单元的初始状态值，y即为各所述传感单元的测量结果。

5.如权利要求4所述的高精度声表面波阵列传感器，其特征在于：

所述物理参数敏感系数矩阵满秩。