CN110954254A - 一种基于msc的小量程saw压力传感器 - Google Patents

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许浩源
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Abstract

本发明公开了一种基于MSC的小量程SAW压力传感器，包括设于压电基片上的双端口延迟线型叉指换能器和多条耦合器，叉指换能器为余弦平方函数加权的叉指换能器；耦合器设于声表面波的延迟路径上，输入叉指换能器接收信号传输天线模块发送的激励信号，且将该信号转化为声表面波信号并在压电基片底表面进行传输；耦合器改变表面波信号的传播声路，声表面波信号与压力信号进行叠加后经过耦合器耦合后进入输出叉指换能器，输出叉指换能器用于将该信号转化为电磁波信号并通过传输天线模块传输至阅读器中。本发明在声表面波的延迟路径上设置多条耦合器，可实现0～0.2N的小量程压力的精确检测。

Description

一种基于MSC的小量程SAW压力传感器
技术领域
本发明涉及小量程压力检测领域，特别涉及到一种基于MSC的小量程SAW压力传感器。
背景技术
随着科学技术的发展，现代科技逐渐融入人们的日常生活，传感技术也随之得到了快速发展。传感器作为传感技术感知外界事物的抓手，在智能科技发展领域成为感知的重要利器。目前传感器的主要发展去趋势：1、传感器趋向于微型化、集成化发展，目前很多物体特征的检测都需要传感器作为检测工具，传感器与MEMS(微机电系统)的结合就可以形成微纳结构的智能器件就能实现自我检测、记忆和校准能力。2、传感器设计偏向于高精度、高灵敏度设计。对于常规的感知层面的检测，传统的传感器能够实现其检测。但对于小量程范围内的压力、温度等参数的检测对于传感器的精度要求比较高。3、传感器检测信息之间的传递偏向于无线传输，并且检测方式开始从接触式向非接触式发展，从有源式向无源式(带信号处理电路)方向发展。4、随着人工智能的发展，多传感器的数据融合也成为一个智能传感技术发展的要点。
然而，传统的传感器没有信号自处理系统，无法很好地实现传感器的数据处理，当对微小压力进行检测时，传感器的测量精度较低，灵敏度较差，给正常的使用带来了一定影响，传统的传感器已无法满足上述要求。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中的不足，提供一种基于MSC的小量程SAW压力传感器，以解决上述问题。
本发明所解决的技术问题可以采用以下技术方案来实现：
一种基于MSC的小量程SAW压力传感器，包括压电基片、叉指换能器和多条耦合器，所述叉指换能器为双端口延迟线型叉指换能器，叉指换能器包括输入叉指换能器和输出叉指换能器，输入叉指换能器和输出叉指换能器均为余弦平方函数加权的叉指换能器；输入叉指换能器、耦合器和输出叉指换能器依次设于压电基片上，且耦合器设于声表面波的延迟路径上；
输入叉指换能器用于接收信号传输天线模块发送的激励信号，且将该信号转化为声表面波信号并在压电基片底表面进行传输；耦合器用于改变声表面波信号中表面波信号的传播声路，并用于调节输入叉指换能器和输出叉指换能器之间波传播的耦合度；声表面波信号与压力信号进行叠加后经过耦合器耦合后进入输出叉指换能器，输出叉指换能器用于将该信号转化为电磁波信号并通过传输天线模块传输至阅读器中。
进一步的，所述耦合器为定向波导耦合器，耦合器金属条的宽度为20μm，长度为6300μm，耦合器的节距为20μm，耦合器的条数为114条。
进一步的，所述压电基片为铌酸锂压电基片，压电基片的长度为29mm，宽度为5mm，厚度为0.5mm。
进一步的，还包括敷设于压电基片表面的吸声材料，耦合器改变声表面波中表面波信号的传播方向，声表面波信号与压力信号进行叠加后经过耦合器耦合，耦合后的声表面波信号由通道一耦合到通道二，由通道二的声表面波信号传输到输出叉指换能器，输出叉指换能器将该信号转化为电磁波信号通过传输天线模块传输到阅读器中；耦合器不改变声表面波中体声波信号的传播方向，使其沿通道一继续传播直至被边缘的吸声材料吸收。
进一步的，所述传输天线模块包括信号接收天线和信号发射天线，信号接收天线和信号发射天线分别与输入叉指换能器和输出叉指换能器相连，信号接收天线用于接收阅读器发射的激励信号，信号发射天线用于将输出叉指换能器输出的信号传输至阅读器。
进一步的，所述阅读器为信号处理单元，阅读器用于向输入叉指换能器发出激励信号源，接收由输出叉指换能器发出的信号，并对信号进行下一步的处理。
进一步的，所述输入叉指换能器和输出叉指换能器的叉指电极宽度和叉指电极间隙均为20μm，输入叉指换能器和输出叉指换能器的对数均为64对，最大孔径为3100μm。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1、采用带天线的声表面波器件作为检测传感器，只需外界的阅读器给予一定的问询激励信号就可以工作，无需向其提供电源，即为无源无线。
2、能够实现小量程范围内压力的精确检测，提高了测量精度，优化了测量性能，可应用于对0～0.2N的微小压力的精确测量，具有较高的灵敏度和精确度。
3、采用余弦平方函数加权的叉指换能器设计，能够减少压电效应转换过程中旁瓣干扰，提高了检测灵敏度。
4、在延迟路径上增加了多条耦合器，能够较少波在传播过程中的插入损耗，从而提高了检测的精确度。
5、在有效测量范围内具有良好的线性度，且在常温条件下工作时，具有稳定度高、功耗小等特点。整体体积小、成本低且操作方便简单，便于使用。
6、结构工艺性好：基于MSC的声表面波压力传感器是平面结构，设计灵活；片状外形，易于组合；能比较方便地实现多片多功能化，智能化；安装容易，并能获得良好的热性能和机械性能。
附图说明
图1为本发明所述的基于MSC的小量程SAW压力传感器的结构示意图。
图2为本发明所述的SAW压力传感器的叉指结构示意图。
图3为本发明所述的SAW压力传感器的三维结构示意图。
图4为本发明所述的基于MSC的小量程SAW压力传感器的检测系统。
具体实施方式
为使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，下面结合具体实施方式，进一步阐述本发明。
参见图1～图4，本发明所述的一种基于MSC的小量程声表面波(SAW)压力传感器，包括压电基片1、叉指换能器和多条耦合器4。叉指换能器为双端口延迟线型叉指换能器，叉指换能器包括输入叉指换能器2和输出叉指换能器3。输入叉指换能器2和输出叉指换能器3均为余弦平方函数加权的叉指换能器。余弦平方函数加权式设计能够较少频率响应时的旁瓣干扰。输入叉指换能器2、耦合器4和输出叉指换能器3依次设于压电基片1上，且耦合器4设于声表面波的延迟路径上，耦合器4安放的位置也是压力施加的位置。
输入叉指换能器2用于接收信号传输天线模块发送的激励信号，且将该信号转化为声表面波信号并在压电基片1底表面进行传输。耦合器4的出现为声表面传感器的设计带来了更多的灵活性，并有助于提高声表面波器件的部分性能。一方面耦合器4能够改变声表面波信号中表面波信号在压电基片1上的传播声路，减小体声波等虚假信号对声波信号干扰。另一方面，由于输入与输出均采用余弦平方函数加权的叉指换能器设计，耦合器可调节输入叉指换能器2和输出叉指换能器3之间波传播的耦合度，使输出的频率响应灵敏度提高，从而降低波在传播过程中的损耗，所以在还能简化双余弦平方函数变迹换能器的频率响应计算。声表面波信号与压力信号进行叠加后经过耦合器4耦合后进入输出叉指换能器3。输出叉指换能器3用于将该信号转化为电磁波信号并通过传输天线模块传输至阅读器中。阅读器将收集到的一系列信号接入滤波电路去噪，去噪后的信号接入单片机进行处理，单片机根据输入信号和输出信号得到频率差，该频率差即是有外界压力造成的频率响应，最终得到压力与其输出频率差响应的关系，通过分析其对应关系得到压力值。
耦合器4为定向波导耦合器。耦合器金属条的宽度为20μm，长度为6300μm，耦合器的节距为20μm。耦合器的条数为114条。
压电基片1为128°Y-X°铌酸锂压电基片，LiNbO3压电系数大，机械品质因数QM高，声衰减小，化学稳定性好，机械加工性好。压电基片的长度为29mm，宽度为5mm，厚度为0.5mm。传感器中心频率为50MHz。
压电基片1选用128°Y-X°铌酸锂作为SAW器件的基底材料，参数包括：K2＝5.5，SAW波速为vs＝3960m/s，温度系数为-75×10-6/℃。压电基片长度也会影响测量的结果，根据研究分析。本发明采用基片的长度为29mm，宽度为5mm，厚度为0.5mm。
还包括敷设于压电基片表面的吸声材料。为了降低转换的声波信号在输入叉指换能器(IDT)内散射，将输入IDT的叉指设计为余弦平方函数加权的结构设计，使声波从输入IDT出来后能量未被消耗，声表面波沿压电基底表面传播。耦合器改变声表面波中表面波信号的传播方向，在延迟路径上，声表面波信号与压力信号进行叠加后经过耦合器耦合，耦合后的声表面波信号由通道一耦合到通道二，由通道二的声表面波信号传输到输出叉指换能器。输出叉指换能器将该信号转化为电磁波信号通过传输天线模块传输到阅读器中。耦合器不改变声表面波中体声波信号的传播方向，即体声波(BAW)不会受到耦合器的影响，使其沿通道一继续传播直至被边缘的吸声材料吸收，从而实现了过滤体声波干扰，减少体声波干扰、减小体声波等干扰信号对声表面波信号干扰。
传输天线模块包括信号接收天线和信号发射天线。信号接收天线和信号发射天线分别与输入叉指换能器和输出叉指换能器相连。信号接收天线用于接收阅读器发射的激励信号。信号发射天线用于将输出叉指换能器输出的信号传输至阅读器。
阅读器为信号处理单元。阅读器用于向输入叉指换能器发出激励信号源，接收由输出叉指换能器发出的信号，并对信号进行下一步的处理。
如图2所示，本发明利用Ledit软件对传感器进行设计。输入叉指换能器和输出叉指换能器的叉指电极宽度和叉指电极间隙均为20μm。输入叉指换能器和输出叉指换能器的对数均为64对，最大孔径为3100μm。加权的余弦平方函数w(t)为：
w(t)＝0.08+(1-0.08)cos2(πt2τ)＝0.54+0.46cos(πtτ)|t|≤τ
如图4所示，本发明搭建了与传感器匹配的检测系统。本发明在使用时，阅读器向输入叉指换能器发出激励信号，声表面波传感器接收到外界的问询信号后将该信号转化为声表面波信号并在的压电材料的压电基底表面进行传输。耦合器设置在声表面波的延迟路径上，声表面波信号与压力信号进行叠加后经过耦合器耦合后进入输出叉指换能器，由输出叉指换能器将该信号转化为电磁波信号通过信号发射天线传输到阅读器中。阅读器将收集到的一系列信号接入滤波电路去噪，去噪后的信号接入单片机进行处理，最终得到压力与其输出频率响应的关系，通过分析其对应关系得到压力值。
本发明一方面采用余弦平方函数加权的叉指换能器，减少压电效应转换的声波衰减干扰。另一方面采用双端口延迟线型结构设计，并在延迟线路径上增加耦合器。该设计将具有体声波抑制功能的耦合器应用到传感器中，所以能够对造成假响应信号的体声波进行有效地抑制。此外，该传感器中的输入换能器和输出换能器均采用了余弦平方函数包络进行加权，所以与传统等指长、等周期的均匀换能器相比提高了对频率响应曲线中旁瓣的抑制效果。在延迟路径上增加了多条耦合器能够减少了声表面波传播过程中的插入损耗。该传感器及其检测系统的设计能够实现0～0.2N的小量程压力的精确检测。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (7)

1.一种基于MSC的小量程SAW压力传感器，其特征在于：包括压电基片、叉指换能器和多条耦合器，所述叉指换能器为双端口延迟线型叉指换能器，叉指换能器包括输入叉指换能器和输出叉指换能器，输入叉指换能器和输出叉指换能器均为余弦平方函数加权的叉指换能器；输入叉指换能器、耦合器和输出叉指换能器依次设于压电基片上，且耦合器设于声表面波的延迟路径上；
输入叉指换能器用于接收信号传输天线模块发送的激励信号，且将该信号转化为声表面波信号并在压电基片底表面进行传输；耦合器用于改变声表面波信号中表面波信号的传播声路，并用于调节输入叉指换能器和输出叉指换能器之间波传播的耦合度；声表面波信号与压力信号进行叠加后经过耦合器耦合后进入输出叉指换能器，输出叉指换能器用于将该信号转化为电磁波信号并通过传输天线模块传输至阅读器中。
2.根据权利要求1所述的基于MSC的小量程SAW压力传感器，其特征在于：所述耦合器为定向波导耦合器，耦合器金属条的宽度为20μm，长度为6300μm，耦合器的节距为20μm，耦合器的条数为114条。
3.根据权利要求1所述的基于MSC的小量程SAW压力传感器，其特征在于：所述压电基片为铌酸锂压电基片，压电基片的长度为29mm，宽度为5mm，厚度为0.5mm。
4.根据权利要求1所述的基于MSC的小量程SAW压力传感器，其特征在于：还包括敷设于压电基片表面的吸声材料，耦合器改变声表面波中表面波信号的传播方向，声表面波信号与压力信号进行叠加后经过耦合器耦合，耦合后的声表面波信号由通道一耦合到通道二，由通道二的声表面波信号传输到输出叉指换能器，输出叉指换能器将该信号转化为电磁波信号通过传输天线模块传输到阅读器中；耦合器不改变声表面波中体声波信号的传播方向，使其沿通道一继续传播直至被边缘的吸声材料吸收。
5.根据权利要求1所述的基于MSC的小量程SAW压力传感器，其特征在于：所述传输天线模块包括信号接收天线和信号发射天线，信号接收天线和信号发射天线分别与输入叉指换能器和输出叉指换能器相连，信号接收天线用于接收阅读器发射的激励信号，信号发射天线用于将输出叉指换能器输出的信号传输至阅读器。
6.根据权利要求1所述的基于MSC的小量程SAW压力传感器，其特征在于：所述阅读器为信号处理单元，阅读器用于向输入叉指换能器发出激励信号源，接收由输出叉指换能器发出的信号，并对信号进行下一步的处理。
7.根据权利要求1所述的基于MSC的小量程SAW压力传感器，其特征在于：所述输入叉指换能器和输出叉指换能器的叉指电极宽度和叉指电极间隙均为20μm，输入叉指换能器和输出叉指换能器的对数均为64对，最大孔径为3100μm。
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