CN108151907B - Lgs声表面波温度传感器的线性温度频率特性测算方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于声表面波传感器的应用领域，具体为LGS声表面波温度传感器的线性温度频率特性测算方法。本发明首先对LGS声表面波温度传感器进行标定，得到其室温时瑞利波模式频率及体波模式频率f01、f02，两个模式的一阶温度频率系数x1、x2，然后利用传统的基于LGS的同一个声表面波谐振器的瑞利波模式和体波模式二阶温度系数接近相等且所处环境变量完全相同的特点，通过测试得到LGS声表面波温度传感器所处环境下瑞利波模式和体波模式的谐振频率f1和f2，代入公式即可计算得到当前温度T。本发明在不增加器件面积、器件复杂度的前提下，扩大了原传感器温度测试的应用范围，且差分频率具有优良的线性温度特性。
Description
技术领域
本发明属于声表面波传感器的应用领域，具体为LGS声表面波温度传感器的线性温度频率特性测算方法。
背景技术
SAW(Surface Acoustic Wave，声表面波)温度传感器分为延迟型SAW温度传感器和谐振型SAW温度传感器。SAW谐振器只对某些特定频率的射频信号产生响应，其中包括瑞利波模式频率和体波模式频率。如果器件周围温度变化，SAW谐振器的瑞利波模式谐振频率和体波模式谐振频率便会随之改变，通过测试其瑞利波模式谐振频率或者体波模式谐振频率，根据温度与频率的关系，经过计算可以得到器件周围温度的大小。
硅酸镓镧(LGS)晶体是一种橙色透明的新型压电晶体，具有比石英大2到3倍的机电耦合系数，与石英相当的温度稳定性，适合制作温度稳定性好的声表面波器件。另外LGS晶体的声表面波传播速度低，适合器件的小型化。LGS晶体从室温到熔点(1470℃)都没有相变，这样LGS晶体更适合制作高温下应用的声表面波器件。然而在应用基于LGS衬底的SAW温度传感器的过程中，我们发现瑞利波模式和体波模式的谐振频率均与温度成二次函数关系，这导致一个谐振频率对应于两个温度点，因而在全温度范围内不能直接通过测试谐振频率而获得环境温度，只能在某个谐振频率随温度单调变化的区间进行温度测试，使得测试温度范围窄，并且谐振频率随温度变化的非线性，也给温度的标定和测算带来不便。
已有的获得器件线性化温度频率特性输出的方法有：
(1)通过在同一块衬底基片的两个切向上分别制作一个声表面波谐振器，利用两个谐振器温度频率特性相同的特点，能实现全温度范围内(基片所能承受温度)对温度的测量，并显著提高传感器谐振频率随温度变化的线性度。但需要同时制作两个谐振器，增大了器件的面积，它容易受到制造过程中差异的影响，不利于器件的小型化，且器件的测试、标定以及最后的温度提取计算变得更为复杂。
(2)通过设计器件结构，激发同步模式和反同步模式，并使其存有相同的强度，以形成一个单端口双模的SAW谐振器，利用单端口双模SAW谐振器的差分来进行温度测量。但其相反的模式的出现会降低谐振器的性能，且其IDT电极数量比单端口单模的SAW谐振器的IDT电极数量更多，增大器件面积和复杂程度。
发明内容
针对上述存在问题或不足，为了解决LGS衬底的SAW温度传感器温度频率特性成二次函数关系带来的技术问题，本发明提供了LGS声表面波温度传感器的线性温度频率特性测算方法。
本发明采用的技术方案为：
步骤1、使用一端带有SMA接头的高温同轴线连接LGS声表面波温度传感器与矢量网络分析仪。带有SMA接头的一端连接矢量网络分析仪，将另一端同轴线剥开成两股，分别连接在器件的两个电极上。调整矢量网络分析，使其包含LGS声表面波温度传感器的瑞利波模式谐振频率点和体波模式谐振频率点。
步骤2、将步骤1所述LGS声表面波温度传感器和热电偶放入加热炉中，测试并记录热电偶显示的不同温度下器件的两个模式的谐振频率，用获得的温度频率散点进行二次函数拟合，得到瑞利波模式和体波模式的一阶温度系数x1、x2,记录室温T0时器件瑞利波模式频率及体波模式频率f01、f02，完成对LGS声表面波温度传感器的标定。
瑞利波模式温度频率散点拟合符合：f1＝f01+x1(T-T0)+y1(T-T0)2--------(1)
体波模式温度频率散点拟合符合：f2＝f02+x2(T-T0)+y2(T-T0)2--------(2)
其中f1和f2为不同温度下测得的瑞利波模式和体波模式的频率，f01、f02分别为室温时器件的瑞利波模式频率及体波模式频率，x1、x2分别为两个模式的一阶温度频率系数，y1、y2分别为两个模式的二阶温度频率系数，T为器件所处环境温度，T0为基准温度，即为室温25℃。
测试多个样品可得：y1≈y2，所以将1式减去2式，可得：
f1-f2≈(x1-x2)(T-T0)+f01-f02-------(3)
所以，在400℃以下体波模式和瑞利波模式频率差与温度之间成一次函数关系，所以当前环境温度可表示为：
从而只需通过测试得到当前温度下瑞利波模式和体波模式的频率f1和f2，即可计算得到当前温度。
步骤3、按照步骤1的方法连接标定好的LGS声表面波温度传感器与矢量网络分析仪，将器件放置于待测环境下，用矢量网络分析仪测试器件的瑞利波模式和体波模式谐振频率，并代入公式4计算，即可获得当前待测环境温度。
本发明首先对LGS声表面波温度传感器进行标定，得到其室温时瑞利波模式频率及体波模式频率f01、f02，两个模式的一阶温度频率系数x1、x2，然后利用传统的基于LGS的同一个声表面波谐振器的瑞利波模式和体波模式二阶温度系数接近相等且所处环境变量完全相同的特点，通过测试得到LGS声表面波温度传感器所处环境下瑞利波模式和体波模式的谐振频率f1和f2，代入公式4即可计算得到当前温度T。
综上所述，本发明能在不增加器件面积、器件复杂度的前提下，扩大了原传感器温度测试的应用范围，且差分频率具有优良的线性温度特性。
附图说明
图1、实施例选用的LGS声表面波温度传感器结构示意图；
图2、实施例所用器件的瑞利波模式信号和体波模式信号S11(反射系数)图；
图3、实施例所用器件的瑞利波模式信号温度频率特性测试散点以及拟合曲线；
图4、实施例所用器件的体波模式信号温度频率特性测试散点以及拟合曲线；
图5、实施例所用器件的瑞利波模式信号和体波模式信号差分频率与温度关系的测试散点以及拟合曲线；
图6、热电偶测试温度与实施例测试双模频率后根据公式计算得出温度对比曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步的详细说明。
SAW谐振器由一个IDT以及在IDT两边对称分布的两组反射栅组成，IDT与反射栅构成一个谐振腔，如图1所示。
采用MESMS光刻工艺将图1所示的图形制作在欧拉角切向为(0°,138.5°,27°)一块硅酸钾镧压电基片上,再用电子束蒸发技术在此基片上生长一层Au电极，Au的厚度为100-150纳米，然后通过去胶液剥离多余部分，留下器件图形，然后将制得的器件加热到400℃再冷却使其老化，从而制成SAW双模温度传感器(LGS声表面波温度传感器)。
步骤1、使用一端带有SMA接头的高温同轴线连接上述器件(图1所示)与矢量网络分析仪。带有SMA接头的一端连接矢量网络分析仪，将另一端同轴线剥开成两股，分别连接在器件的两个电极上。调整矢量网络分析，使其包含器件瑞利波模式谐振频率点和体波模式谐振频率点。如图2所示结果，频率范围为320MHz-370MHz，采样点数设置为6401，包含瑞利波模式谐振频率点334MHz和体波模式谐振频率点363MHz。
步骤2、将上述SAW双模温度传感器和热电偶放入加热炉中，测试并记录热电偶显示温度为25℃、50℃、100℃、150℃、200℃、250℃、300℃、350℃时SAW双模温度传感器的两个模式的谐振频率，用获得的温度频率散点进行二次函数拟合，得到瑞利波模式和体波模式的一阶温度系数x1、x2,记录室温T0时SAW谐振器瑞利波模式频率及体波模式频率f01、f02。即完成对SAW双模温度传感器的标定。
得到如图3、图4所示的两条二次函数拟合曲线。
如图3中所示B2＝y1＝-12.11，B1＝x1＝-166.3。
如图4中所示B2＝y2＝-11.6，B1＝x2＝-2723.7。
满足y1≈y2的条件，同时室温T0为25℃时瑞利波模式谐振频率为f01＝334MHz，体波模式谐振频率为f02＝363MHz。
将测试得到的双模温度频率散点代入公式3计算，可以得到如图5所示的瑞利波模式信号和体波模式信号差分频率与温度关系的测试散点以及拟合曲线。可见，400℃以下差分频率与温度成线性关系。
通过测试传感器所处环境下的瑞利波模式谐振频率f1和体波模式的谐振频率f2，并将其代入公式即可计算得到当前温度。
如图6所示为热电偶测试结果与SAW双模温度传感器利用设计的测算方法获得的温度对比图。
综上所述,可见发明的LGS声表面波温度传感器的线性频率温度特性测算方法能使其能在不增加器件面积、不增加器件复杂度的前提下，扩大了原传感器温度测试的应用范围，且差分频率具有优良的线性温度特性。
Claims (1)
1.LGS声表面波温度传感器的线性温度频率特性测算方法，包括以下步骤：
步骤1、使用一端带有SMA接头的耐同轴线连接LGS声表面波温度传感器与矢量网络分析仪，带有SMA接头的一端连接矢量网络分析仪，将另一端同轴线拨开成两股，分别连接在LGS声表面波温度传感器的两个电极上；调整矢量网络分析，使其包含LGS声表面波温度传感器的瑞利波模式谐振频率点和体波模式谐振频率点；
步骤2、将步骤1所述LGS声表面波温度传感器和热电偶放入加热炉中，测试并记录热电偶显示不同温度下LGS声表面波温度传感器的两个模式的谐振频率，用获得的温度频率散点进行二次函数拟合，得到瑞利波模式和体波模式的一阶温度系数x1、x2,记录室温T0时LGS声表面波温度传感器瑞利波模式频率及体波模式频率f01、f02，完成对LGS声表面波温度传感器的标定；
瑞利波模式温度频率散点拟合符合：f1＝f01+x1(T-T0)+y1(T-T0)2--------(1)
体波模式温度频率散点拟合符合：f2＝f02+x2(T-T0)+y2(T-T0)2--------(2)
其中f1和f2为不同温度下测得的瑞利波模式和体波模式的频率，f01、f02分别为室温时LGS声表面波温度传感器的瑞利波模式频率及体波模式频率，x1、x2分别为两个模式的一阶温度频率系数，y1、y2分别为两个模式的二阶温度频率系数，T为LGS声表面波温度传感器所处环境温度，T0为基准温度，即为室温25℃；
1式减去2式可得：
f1-f2≈(x1-x2)(T-T0)+f01-f02-------(3)
当前环境温度可表示为：
步骤3、按照步骤1的方法连接标定好的LGS声表面波温度传感器与矢量网络分析仪，将LGS声表面波温度传感器放置于待测环境下，用矢量网络分析仪测试LGS声表面波温度传感器的瑞利波模式和体波模式谐振频率，并代入公式4计算，即可获得当前待测环境温度。
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