CN111044770A - 一种基于单端谐振器的无线无源声表面波电流传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于单端谐振器的无线无源声表面波电流传感器，包括：压电晶体基片、布置于压电晶体基片上的叉指换能器及布置在叉指换能器一侧的第一反射器和布置在叉指换能器另一侧的第二反射器；叉指换能器的电极、第一反射器和第二反射器的栅极为磁致伸缩材料。当外部通电导线引起的电磁场发生变化时，电极和栅极产生ΔE效应和磁致伸缩效应，使电极和栅极的弹性模量和尺寸发生改变，引起声表面波传播速度的变化，改变谐振频率。通过对接收到的声表面波传感器谐振后产生的回波信号进行解调，利用信号的频率信息来评价电流变化，以此实现无线无源的电流传感器。

Description

一种基于单端谐振器的无线无源声表面波电流传感器

技术领域

本发明涉及声表面波传感器领域，尤其涉及一种基于单端谐振器的无线无源声表面波电流传感器。

背景技术

电流传感器在电力系统控制保护和监控中起着至关重要的作用。如今，电力系统中电网电压等级不断提高、容量不断增大，使得高灵敏度、高可靠性、抗电磁干扰性好的电流传感器成为其当下的发展需求。

为应对现有电流传感器凸显的瓶颈问题，Leonhard Reindl和R.Steindl等提出将一种无线问询的延迟线结构声表面波(Surface acoustic wave:SAW)器件与磁阻效应相结合的新型电流检测技术。所谓磁阻效应是在外磁场中半导体磁敏感材料受到与电流方向相垂直方向的磁场作用时，由于洛仑兹力的作用，电子流动的方向发生改变，使路径加长，从而使得磁敏材料阻值增大。图1是这种新型SAW电流传感器的结构原理图，雷达通过天线发射电磁波信号，并通过连接SAW反射型延迟线叉指换能器(IDT)的天线所接收，并被IDT转换成沿压电基片表面传播的SAW，该声波又被设置于声波传播方向的反射器所反射。连接磁敏电阻的反射器阻抗及反射率由于磁敏电阻器的磁敏效应而发生相应变化，进而导致在反射器上反射声波的传播特性发生变化，并通过IDT重新转换成为电磁波通过天线发射出去并为雷达所接收。通过分析SAW器件时域响应特性即可提取出电流场的变化信息。这种传感器表现出快速响应、结构简单、抗干扰能力强、使用寿命长以及体积小等特点，特别是可以实现无线无源的电流检测手段，大大提高了系统安全性。

但是从实验报道情况来看，这种基于磁阻效应的SAW电流检测技术在灵敏度与温度稳定性等方面还遇到一些突出问题，首先，基于磁阻效应的磁敏材料在大电流检测中由于较大的磁滞因而磁场敏感度不够高、线性度较差，SAW检测器以时域幅度响应作为传感量，导致了电流检测精度不尽如人意；此外，缺乏环境温度变化的补偿方法、物理功能结构的优化设计以及传感机理模型的系统性认知，因此，目前SAW电流检测技术离实用化距离甚远。

声表面波传感器以其独特优点如高精度，高灵敏度，体积小，重量轻，功耗低，具有良好的稳定性，能够快速响应，制作成本低，而且可实现无线无源测量方式，特别适合于高温高压及无人值守等极端应用环境，极具应用前景。近年来，单端对SAW谐振器因其简单结构以及高品质因子(Q值)与低损耗等特点开始在各种声表面波传感器之中获得较大应用。

发明内容

本发明实施例的目的在于解决现有问题。

为了达到上述目的，本发明实施例公开了一种基于单端谐振器的无线无源声表面波电流传感器，包括：压电晶体基片21、布置于压电晶体基片21上的叉指换能器22及布置在叉指换能器22一侧的第一反射器23和布置在叉指换能器22另一侧的第二反射器24；其中，叉指换能器22的电极、第一反射器23和第二反射器24的栅极为磁致伸缩材料。

当外部通电导线引起的电磁场发生变化时，电极和栅极产生ΔE效应和磁致伸缩效应，使电极和栅极的弹性模量和尺寸发生改变，引起声表面波传播速度的变化，改变谐振频率。

一个实例中，磁致伸缩材料包括：铁钴、铁镍以及TbDyFe超磁致伸缩合金。

一个实例中，该电流传感器还包括表面膜层27；表面膜层27为SiO₂保护薄膜，用于保护金属电极及补偿器件温度系数；SiO₂保护薄膜覆盖于声表面波电流传感器表面，厚度小于1％λ；其中，λ为沿声波传播方向的声波波长。

一个实例中，该电流传感器还包括过渡层，过渡层的材料为金属铬，位于压电晶体基片21与电极材料和栅极材料之间，用于增加磁致伸缩材料的附着性。

一个实例中，压电晶体基片21为高压电系数的压电材料，压电材料包括石英基底。

一个实例中，第一反射器23与叉指换能器22的边缘间距为5/8λ；第二反射器24与叉指换能器22的边缘间距为5/8λ，λ为沿声波传播方向的声波波长。

一个实例中，叉指换能器22、第一反射器23和第二反射器24的电极膜厚为1％λ～1.5％λ，λ为沿声波传播方向的声波波长。

一个实例中，叉指换能器22采用均匀叉指换能器，均匀叉指换能器的叉指对的电极宽度为1/4λ，相邻电极之间边缘间距为1/4λ；第一反射器23和第二反射器24采用短路栅反射器，指条宽度为1/2λ，相邻指条之间边缘间距为1/2λ；其中，λ为沿声波传播方向的声波波长。

一个实例中，叉指换能器22、第一反射器23和第二反射器24的电极占空比为1.3～1.5。

一个实例中，该电流传感器还包括与叉指换能器22连接的信号传输天线25；信号传输天线25用于与外部的脉冲雷达26进行信号交互；脉冲雷达26作为激励源向信号传输天线25发射信号，并接收信号传输天线25反馈的传感信号，实现电流传感器的无线无源检测。

本发明实施例的优点在于：本发明设计了一种基于单端谐振器的无线无源声表面波电流传感器。传感器采用沉积SiO₂温度补偿层的单端对谐振器为传感单元，由叉指换能器和两个短路反射栅构成单端谐振系统。传感器通过天线接收来自于步进调频雷达发射的电磁波信号，并通过叉指换能器(IDT)转换成沿压电晶体表面传播的SAW，由于通电导线引起的电磁场变化会导致磁致伸缩材料产生磁致伸缩效应，由磁致伸缩材料所制作的叉指电极产生的磁致伸缩应变作用于SAW传播，直接引起SAW传播特性特别是传播速度的变化，进而引起单端谐振系统谐振频率的变化。通过对接收到的声表面波传感器谐振后产生的回波信号进行解调，利用信号的频率信息来评价电流变化，以此实现无线无源的电流传感器。

附图说明

图1是现有技术中声表面波电流传感器的结构原理示意图；

图2是本发明实施例的一种基于单端谐振器的无线无源声表面波电流传感器的俯视图；

图3是本发明实施例的一种基于单端谐振器的无线无源声表面波电流传感系统示意图；

图4是本发明实施例的反射传输特性S11幅频响应曲线图。

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，本领域普通技术人员在没有做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。

图2为本发明实施例的一种基于单端谐振器的无线无源声表面波电流传感器的俯视图，如图2所示，该声表面波电流传感器包括：压电晶体基片21，以及布置于压电晶体基片21上的叉指换能器22、第一反射器23和第二反射器24；其中，第一反射器23布置在叉指换能器22一侧，第二反射器24布置在叉指换能器22另一侧。第一反射器23和第二反射器24构成声学谐振腔。

压电晶体基片21采用高压电系数的压电材料，由于单端谐振器结构对Q值要求较高，因此一般采用石英基底。具体地，压电晶体基片21可采用ST-X石英，ST-90°X石英等。

叉指换能器22、第一反射器23和第二反射器24的电极占空比为1.3～1.5。

叉指换能器22与其一侧的第一反射器23，以及与其另一侧的第二反射器24的边缘间距均为5/8λ，λ为沿声波传播方向的声波波长。

叉指换能器22利用射频磁控溅射工艺制作于压电晶体基片21之上。叉指换能器22采用均匀叉指结构，电极材料选用磁致伸缩材料，指条宽度为1/4λ，相邻指条之间边缘间距为1/4λ，电极膜厚为1％λ～1.5％λ。

具体地，磁致伸缩材料可采用铁钴、铁镍以及TbDyFe超磁致伸缩合金等材料。一个实例中，在压电晶体基片21上按照计划制作的叉指换能器22所对应的位置，涂覆金属铬作为过渡层，以提高磁致伸缩材料的附着性；在金属铬过渡层上利用射频磁控溅射工艺制作磁致伸缩材料的叉指换能器22。

第一反射器23和第二反射器24采用短路栅反射器，栅极材料选用磁致伸缩材料，指条宽度为1/2λ，相邻指条之间边缘间距为1/2λ，电极膜厚为1％λ～1.5％λ。

具体地，磁致伸缩材料可采用铁钴、铁镍以及TbDyFe超磁致伸缩合金等材料。一个实例中，在压电晶体基片21上按照计划制作的第一反射器23和第二反射器24所对应的位置，涂覆金属铬作为过渡层，以提高磁致伸缩材料的附着性；在金属铬过渡层上利用射频磁控溅射工艺制作磁致伸缩材料的第一反射器23和第二反射器24。

图2所示的无线无源声表面波电流传感器上还可以覆盖表面膜层，该表面膜层厚度小于1％λ。

具体地，表面膜层为SiO₂保护薄膜，用于保护金属电极及补偿器件温度系数，基于压电晶体基片21和表面膜层的温度系数相反的原理，降低声表面波电流传感器本身的温度系数，从而达到提高该声表面波电流传感器温度稳定性的目的。

图3为本发明实施例的一种无线无源声表面波电流传感系统，如图3所示，在表面波电流传感器上连接信号传输天线25，并设置外部的脉冲雷达26作为激励源，构成声表面波电流传感系统，通过该系统对待测对象28中的电流信息进行检测。其中，表面波电流传感器包括：压电晶体基片21，以及布置于压电晶体基片21上的叉指换能器22、第一反射器23和第二反射器24；其中，第一反射器23布置在叉指换能器22一侧，第二反射器24布置在叉指换能器22另一侧；信号传输天线25与叉指换能器22相连；声表面波电流传感器上覆盖有表面膜层27。

采用该传感系统进行电流检测时，对待测对象28进行上电。电声表面波电流传感器通过信号传输天线25接收来自于脉冲雷达26发射的电磁波信号，并根据逆压电效应，叉指换能器22将电磁波信号转换成声表面波信号，声表面波沿压电晶体基片21表面向两边传播，分别经两侧的第一反射器23和第二反射器24反射叠加，发生谐振，然后根据正压电效应，叉指换能器22将声表面波信号重新转换成电磁波信号由信号传输天线25发射，并被脉冲雷达26所接收。

上述过程中，上电后的待测对象28在内部电流的作用下产生相应的磁场，改变了其周围的磁场环境。因为叉指换能器22的电极、第一反射器23和第二反射器24的栅极为磁致伸缩材料。磁致伸缩材料由于所处的磁场环境发生了变化，相应的发生ΔE效应和磁致伸缩效应。使声表面波电流传感器上的声表面波传播特性变化，导致声表面波电流传感器谐振频率发生相应的变化。

其中，磁致伸缩效应是磁致伸缩材料在磁化过程中因外部磁场条件的改变而发生几何尺寸可逆变化的效应。磁致伸缩材料是一类磁致伸缩效应强烈，且具有高磁致伸缩系数的材料。ΔE效应是磁致伸缩材料在磁场下具备的一种效应，表现为随着磁场的变化，磁性体的杨氏模量也发生变化。同磁致伸缩效应一样属于磁致伸缩材料的性质。本申请实施例中主要利用的便是磁致伸缩材料的磁致伸缩效应和ΔE效应。

通过对脉冲雷达26所接收的传感信号进行解调即可获取上电后的待测对象28中的电流信息，从而实现无源的传感器件和无线的信号传输。

需要说明，图3中叉指换能器22与信号传输天线25的连接位置位于叉指换能器22边沿的中间，但本申请实施例中并不限制叉指换能器22与信号传输天线25连接点所在位置，即在不影响检测的前提下，信号传输天线25可以连接在叉指换能器22上的任意位置。

一个具体实施例中，采用图3所示的声表面波电流传感系统进行电流信息检测。

设置第一反射器23与叉指换能器22的边缘间距为0.625λ；第二反射器24与叉指换能器22的边缘间距为0.625λ。叉指换能器22的指条宽度为1.008微米，电极膜厚为300纳米，声孔径为1209.699微米；叉指换能器22的中心频率设为433M，叉指电极数目为27对。第一反射器23和第二反射器24的指条宽度为2.016微米，电极膜厚为300纳米，各相邻指条间距为2.016微米，指条长度为121.3732微米。

得到如图4所示的反馈传感信号传输特性S11曲线图，其中，横轴表示频率，纵轴表示插入损耗的。该曲线表示电流传感器的谐振频率为445.91Hz，该曲线峰值点P表示电流传感器的插入损耗为11.232dB。

磁致伸缩材料具有以下几个显著特性：较高的磁机耦合特性，能够高效地实现磁能到机械能的转化，其机电转化效率为压电陶瓷材料的6～30倍；输出应力大，输出功率比压电陶瓷材料高数十倍；较高的承受负载能力，且机械响应速度快；静态和动态下良好的稳定性。除了以上特点外，还具有(1)器件微型化，它能作为执行机构与其它微型传感元件、信息处理元件和控制元件组合，实现集成化；(2)可以克服块状材料中存在的涡流损耗高、力学性能差、驱动磁场较高、以及价格昂贵等缺点；(3)可以通过闪蒸、离子束溅射、电离镀膜、直流溅射、射频磁控溅射等方法直接镀膜于器件表面，制备效率高，生产成本较低。基于以上的各种优势，应用磁致伸缩薄膜的磁致伸缩机理实现无线无源电流传感器的检测。

在本发明具体实施例中，采用射频磁控溅射技术将磁致伸缩材料制备成叉指换能器电极以及反射栅栅极。根据磁致伸缩薄膜的磁力学特性，在被测电流产生磁场的作用下，电极发生磁致伸缩应变和ΔE效应，导致电极的厚度和杨氏模量发生变化。直接引起SAW传播特性特别是传播速度的变化，进而引起单端谐振系统谐振频率的变化。通过对接收到的声表面波传感器谐振后产生的回波信号进行解调，利用信号的频率信息来评价电流变化，以此实现无线无源的电流传感器。

本发明实施例提供的声表面波电流传感器采用单端谐振器结构，采用LiNbO₃为压电基片，采用SiO₂薄膜改善压电基片的温度稳定性，采用磁致伸缩材料来响应电流，并结合宽带低损耗的微带天线与高分辨率的步进调频雷达，获得一种具有高灵敏度、良好的温度稳定性和线性度的新型无线无源声表面波电流传感器。

以上的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于单端谐振器的无线无源声表面波电流传感器，其特征在于，包括：压电晶体基片(21)、布置于所述压电晶体基片(21)上的叉指换能器(22)及布置在所述叉指换能器(22)一侧的第一反射器(23)和布置在所述叉指换能器(22)另一侧的第二反射器(24)；其中，

所述叉指换能器(22)的电极、所述第一反射器(23)和所述第二反射器(24)的栅极为磁致伸缩材料；

当外部通电导线引起的电磁场发生变化时，所述电极和所述栅极产生ΔE效应和磁致伸缩效应，使所述电极和所述栅极的弹性模量和尺寸发生改变，引起声表面波传播速度的变化，改变谐振频率。

2.根据权利要求1所述的声表面波电流传感器，其特征在于，还包括表面膜层(27)；所述表面膜层(27)为SiO₂保护薄膜，用于保护金属电极及补偿器件温度系数；所述SiO₂保护薄膜覆盖于所述声表面波电流传感器表面，厚度小于1％λ；其中，λ为沿声波传播方向的声波波长。

3.根据权利要求1所述的声表面波电流传感器，其特征在于，还包括过渡层，所述过渡层的材料为金属铬，位于所述压电晶体基片(21)与所述电极材料和栅极材料之间，用于增加所述磁致伸缩材料的附着性。

4.根据权利要求1所述的声表面波电流传感器，其特征在于，所述压电晶体基片(21)为高压电系数的压电材料，所述压电材料包括石英基底。

5.根据权利要求1所述的声表面波电流传感器，其特征在于，所述第一反射器(23)与叉指换能器(22)的边缘间距为5/8λ；所述第二反射器(24)与叉指换能器(22)的边缘间距为5/8λ，λ为沿声波传播方向的声波波长。

6.根据权利要求1所述的声表面波电流传感器，其特征在于，所述叉指换能器(22)、第一反射器(23)和第二反射器(24)的电极膜厚为1％λ～1.5％λ，λ为沿声波传播方向的声波波长。

7.根据权利要求1所述的声表面波电流传感器，其特征在于，所述叉指换能器(22)采用均匀叉指换能器，所述均匀叉指换能器的叉指对的电极宽度为1/4λ，相邻电极之间边缘间距为1/4λ；所述第一反射器(23)和第二反射器(24)采用短路栅反射器，指条宽度为1/2λ，相邻指条之间边缘间距为1/2λ；其中，λ为沿声波传播方向的声波波长。

8.根据权利要求1所述的声表面波电流传感器，其特征在于，所述叉指换能器(22)、第一反射器(23)和第二反射器(24)的电极占空比为1.3～1.5。

9.根据权利要求1所述的声表面波电流传感器，其特征在于，所述磁致伸缩材料包括：铁钴、铁镍以及TbDyFe超磁致伸缩合金。

10.根据权利要求1所述的声表面波电流传感器，其特征在于，还包括与所述叉指换能器(22)连接的信号传输天线(25)；所述信号传输天线(25)用于与外部的脉冲雷达(26)进行信号交互；

所述脉冲雷达(26)作为激励源向信号传输天线(25)发射信号，并接收信号传输天线(25)反馈的传感信号，实现电流传感器的无线无源检测。

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