CN107817013A - 一种基于硅酸镓镧基底的高温声表面波传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于硅酸镓镧基底的高温声表面波传感器,包括叉指换能器、四组反射栅和压电基底，压电基底采用硅酸镓镧材料；叉指换能器与反射栅的金属电极长度为1000μm，电极高度为0.1μm，叉指换能器的金属电极周期为5μm。压电基底长度为3200μm，宽度为1100μm，高度为60μm，第一组反射栅电极数目为50，单个金属栅的宽度为5μm；第二组反射栅电极数目为51，单个金属栅的宽度为5/1.02＝4.9μm，第三组反射栅的电极数目为52，单个金属栅宽度为5/1.04＝4.8μm，第四组反射栅的电极数目为53，单个金属栅宽度为5/1.06＝4.7μm。

Description

一种基于硅酸镓镧基底的高温声表面波传感器
技术领域
本发明涉及一种高温声表面波传感器
背景技术
高温无源无线声表面波传感器不但具有一般声表面波器件的高性能、小尺寸和高重复性的特性，而且还具有传感器要求的高精度、高灵敏度和无源无线等特点，因此在航空、汽车和能源等行业有广泛的需求。例如在航空推进系统中利用高温传感器来实现智能控制和维护；在汽车行业中利用高温传感器来检测汽车发动机的温度、压力和振动，从而提高燃烧效率和可靠性。
声表面波传感器系统由有源的阅读器和无源无线传感器组成,工作时阅读器经天线发射射频查询脉冲并接收标签传感器返回的信号，处理后获得阅读范围内的标签传感器信息。声表面波传感器标签是一个单口器件，包括压电基片、标签天线、叉指换能器和一系列编码的反射栅。叉指换能器直接与标签的天线连接，接收从阅读器发射的查询信号，并发射由标签反射栅产生的应答信号，阅读器根据接收到的应答信号参数提取敏感信息。在许多实际应用中,一个阅读器询问范围内可能同时存在多个传感器。为同时提取多个传感器信息,声表面波传感器不仅需要能够测量敏感信息,还需要包含可识别编码信息。
压电材料是声表面波传感器进行能量转换和信号传递的载体，压电材料的种类、切型、机电耦合系数、温度系数、高温电阻率和声表面波波速等决定了声表面波器件性能的优劣。
目前常用的基于时分复用、频分复用、码分多址的高温声表面波传感器主要以下不足：
(1)由于声表面波传感器被动工作的特点,在多传感器环境中阅读器最终接收到的是所有声表面波传感器的异步反射叠加信号,这使阅读器对每个传感器信息的提取非常困难。声表面波传感器编码容量和射频识别方法是阅读器同时读取传感器数量的关键。已有的编码技术如时分复用、频分复用、码分多址编码受限于声表面波器件的大小，其编码容量较小。并且提取多个声表面波传感器的反射信号信息较为困难。
(2)目前常用的压电基底材料有石英、铌酸锂、和氮化铝等。其中，石英在温度达到573℃时会丧失压电特性，因而不能应用于高温环境；铌酸锂晶体的居里温度为1210℃，但是，当温度大于600℃时，其低电阻率限制了高温应用；氮化铝是非铁电材料，其薄膜在1150℃以下都具有很好的压电特性，但目前难以得到高质量和大尺寸的氮化铝材料。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是克服现有技术的不足，结合高温工作环境特点，提供一种声表面波高温传感器。本发明能够增强声表面波传感器在高温环境下的稳定性，提供更多样性的编码信号,且在噪声环境中有更好的信号处理增益。本发明的技术方案如下：
一种基于硅酸镓镧基底的高温声表面波传感器,使用正交频率编码实现信息传递，包括叉指换能器、四组反射栅和压电基底，压电基底采用硅酸镓镧材料，欧拉角为(0°，138.5°，26.7°)，弹性矩阵为{18.875，10.475，9.589，-1.412，0，0，10.475，18.875，9.589，1.412，0，0，9.589，9.589，2.614，0，0，1.412，1.412，0，5.35，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，-1.412，0}*1010N/m2，压电系数为{-0.44，0.44，0，-0.08，0，0，0，0，0，0，0.08，0.44，0，0，0，0，0，0}C/m2，相对介电常数为{18.96，1，50.19}；叉指换能器与反射栅的金属电极长度为1000μm，电极高度为0.1μm，叉指换能器的金属电极周期为5μm。压电基底长度为3200μm，宽度为1100μm，高度为60μm，中心频率值为反谐振频率与谐振频率的平均值，其中反谐振频率f-＝249.63MHz，谐振频率f+＝250.31MHz，第一组反射栅的中心频率为f1＝250MHz，电极数目为50，单个金属栅的宽度为5μm，计算出栅的时长τ为0.2；第二组反射栅的中心频率f2＝f1+1/τ＝255MHz，电极数目为51，单个金属栅的宽度为5/1.02＝4.9μm，以此类推，第三组反射栅的电极数目为52，单个金属栅宽度为5/1.04＝4.8μm，第四组反射栅的电极数目为53，单个金属栅宽度为5/1.06＝4.7μm。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
(1)在编码方式方面：采用正交频率编码方法,该方法利用时间和频率的多样性,提供了更多样性的编码信号,且在噪声环境中有更好的信号处理增益。因多声表面波传感器反射信号的异步特性造成的传感器信息提取困难,采用正交频率编码的声表面波传感器仍采用时分复用进行多传感器信息的同时提取。
(2)在基底材料方面：选用硅酸镓镧作为基底材料，它具有良好的温度特性，机电耦合系数为石英的2至3倍，声表面波波速小于石英，有利于降低插损、提高器件的工作带宽，减小器件尺寸，并且硅酸镓镧材料在室温到熔点1470℃之间不发生任何相变，温度稳定性好。这些特征都显示硅酸镓镧材料十分适合作为压电基底材料运用于声表面波高温传感器。
附图说明
图1是本发明的使用正交频率编码的基于硅酸镓镧基底的高温声表面波传感器的俯视图。
图中标号说明：1叉指换能器；2四组反射栅。
图2是本发明的使用正交频率编码的基于硅酸镓镧基底的高温声表面波传感器的正视图。
图中标号说明：1叉指换能器；2四组反射栅；3压电基底。
图3是本发明使用的硅酸镓镧基底材料的反谐振频率
图4是本发明使用的硅酸镓镧基底材料的谐振频率
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行说明。
参见图1和图2，本发明的高温传感器包括叉指换能器1、反射栅2和压电基底3。叉指换能器和反射栅都采用金属铂材料，压电基底采用硅酸镓镧材料。
硅酸镓镧选用欧拉角为(0°，138.5°，26.7°)，弹性矩阵为{18.875，10.475，9.589，-1.412，0，0，10.475，18.875，9.589，1.412，0，0，9.589，9.589，2.614，0，0，1.412，1.412，0，5.35，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，-1.412，0}*1010N/m2，压电系数为{-0.44，0.44，0，-0.08，0，0，0，0，0，0，0.08，0.44，0，0，0，0，0，0}C/m2，相对介电常数为{18.96，1，50.19}。
设定表面波波长为10μm，叉指换能器与反射栅的金属电极长度为1000μm，电极高度为0.1μm，设定叉指换能器的金属电极周期为5μm。压电基底材料部分选用硅酸镓镧，基底长度为3200μm，宽度为1100μm，高度为60μm。先通过有限元仿真软件COMSOL对采用硅酸镓镧基底的简化二维传感器进行仿真，参见图3和图4，获得中心频率，中心频率值为反谐振频率与谐振频率的平均值，其中反谐振频率f-＝249.63MHz，谐振频率f+＝250.31MHz，算得所提出结构的中心频率f约为250MHz，根据现有正交频率编码(OFC)原理。反射栅部分的中心频率f与栅的时长τ存在数值关系，即f*τ＝M，M为金属电极的电极数目，栅的时长τ是个固定值。设定第一组反射栅的中心频率为f1＝250MHz，电极数目为50，单个金属栅的宽度为5μm，计算出栅的时长τ为0.2。第二组反射栅的中心频率f2＝f1+1/τ＝255MHz，此时电极数目为51，单个金属栅的宽度为5/1.02＝4.9μm，以此类推，第三组反射栅的电极数目为52，单个金属栅宽度为5/1.04＝4.8μm，第四组反射栅的电极数目为53，单个金属栅宽度为5/1.06＝4.7μm。以上数据为所提出高温传感器结构的具体参数。

Claims (1)

1.一种基于硅酸镓镧基底的高温声表面波传感器,使用正交频率编码实现信息传递，包括叉指换能器、四组反射栅和压电基底，压电基底采用硅酸镓镧材料，欧拉角为(0°，138.5°，26.7°)，弹性矩阵为{18.875，10.475，9.589，-1.412，0，0，10.475，18.875，9.589，1.412，0，0，9.589，9.589，2.614，0，0，1.412，1.412，0，5.35，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，0，-1.412，0}*1010N/m2，压电系数为{-0.44，0.44，0，-0.08，0，0，0，0，0，0，0.08，0.44，0，0，0，0，0，0}C/m2，相对介电常数为{18.96，1，50.19}；叉指换能器与反射栅的金属电极长度为1000μm，电极高度为0.1μm，叉指换能器的金属电极周期为5μm。压电基底长度为3200μm，宽度为1100μm，高度为60μm，中心频率值为反谐振频率与谐振频率的平均值，其中反谐振频率f-＝249.63MHz，谐振频率f+＝250.31MHz，第一组反射栅的中心频率为f1＝250MHz，电极数目为50，单个金属栅的宽度为5μm，栅的时长τ为0.2；第二组反射栅的中心频率f2＝f1+1/τ＝255MHz，电极数目为51，单个金属栅的宽度为5/1.02＝4.9μm，以此类推，第三组反射栅的电极数目为52，单个金属栅宽度为5/1.04＝4.8μm，第四组反射栅的电极数目为53，单个金属栅宽度为5/1.06＝4.7μm。
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