CN111649839B - 一种非线性自校正的谐振型声表面波温度传感器 - Google Patents

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Abstract

一种非线性自校正的谐振型声表面波温度传感器，包括基片、叉指换能器、第一金属反射栅阵和第二金属反射栅阵。基片上声表面波在相速度传播方向上具有自然单向性，群速度传播方向和相速度传播方向存在能流角PFA，且|PFA|≤10°；叉指换能器、第一金属反射栅阵和第二金属反射栅阵的声孔径方向与相速度传播方向垂直，叉指换能器汇流条方向与能流角PFA方向平行；这样设计的谐振型声表面波温度传感器具有低频和高频两个谐振峰，本发明利用其低频和高频两个特征谐振峰，通过自差分方法，实现传感器的非线性自校正，且保持了单个器件的小体积，同时避免了现有单个谐振器单个谐振峰使用时，频率信号解调受无线通路影响的问题，实现了传感器使用过程中的免校准。

Description

一种非线性自校正的谐振型声表面波温度传感器
技术领域
本发明涉及一种非线性自校正的谐振型声表面波温度传感器，属于传感器设计领域。
背景技术
无线无源谐振型声表面波温度传感器是一种借助于无线读取系统和声表面波谐振器研制的无源传感器。这种传感器具有其独特的优越性即无需任何能量提供，可实现绝对无源，解决了有源传感器的功耗影响问题；另外由于无线传感，可应用于高压、剧毒、旋转等恶劣环境，无需信号传输线缆，解决了传统温度传感器无法实现的应用场景测量。
谐振型声表面波温度传感器利用在压电基片表面沉积金属叉指电极制备而成，基于器件测试频率随温度的变化关系，实现对外界温度的测量。然而，这种频率随温度的变化曲线常呈现二次抛物线型，导致全温区范围内会存在传感器输出频率随温度不单调，即存在同一谐振频率下对应两个温度点，造成测量错误。同时，非线性特性也给温度传感器的测量和标定带来了诸多不便。
为解决声表面波温度传感器的非线性校正问题，研究者提出了多种石英压电切型，可利用特定切型下的单个谐振器实现频率随温度的线性变化。然而，谐振器的单个谐振峰在无线解调时易受无线通路影响，导致器件谐振频率的解调数据差异，使其应用局限在固定安装场景且使用前需标定。另一方面，公开号为CN106225948A的中国专利，公开了一种双声表面波温度传感器，通过两个集成在同一压电基片上、夹角互为20°-160°的谐振器互连，利用两个器件的谐振峰差分，提高了全温区范围内谐振频率随温度变化的线性度。然而，该方法增加了谐振器数量，对制备工艺的一致性要求高，同时不可避免地增加了传感器的体积。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种非线性自校正的谐振型声表面波温度传感器。
本发明的技术解决方案是：
一种非线性自校正的谐振型声表面波温度传感器，包括基片、叉指换能器、第一金属反射栅阵和第二金属反射栅阵；基片上中心位置处设置有叉指换能器，叉指换能器的一侧设置有第一金属反射栅阵，另一侧设置有第二金属反射栅阵，叉指换能器和第一金属反射栅阵之间形成间隙，叉指换能器和第二金属反射栅阵之间形成间隙；所述叉指换能器两端汇流条处均连接输出引线；
基片上声表面波在相速度传播方向上具有自然单向性，基片上声表面波的群速度传播方向和相速度传播方向存在能流角PFA，且|PFA|≤10°；所述叉指换能器、第一金属反射栅阵和第二金属反射栅阵的声孔径方向与相速度传播方向垂直，叉指换能器汇流条方向与能流角PFA方向平行；
所述谐振型声表面波温度传感器具有低频和高频两个谐振峰：低频谐振峰的频率温度系数TCF1＝a1·T2+b1·T+c1；高频谐振峰的频率温度系数为TCF2＝a2·T2+b2·T+c2；T为温度，a1、a2、b1、b2、c1和c2为系数；
实际测温时，根据低频和高频两个谐振峰获得差值线性函数ΔTCF，ΔTCF＝TCF2-TCF1＝(b2-b1)·T+(c2-c1)，利用ΔTCF求解得到温度T。
通过理论或试验的方法，获得两个谐振峰频率随温度的变化关系，通过函数拟合获得a1、a2、b1、b2、c1和c2。
所述基片为石英基片、LiNbO3基片、LiTaO3基片、LGS基片或LGT基片；
所述叉指换能器、第一金属反射栅阵和第二金属反射栅阵的材料相同，为Al、Au、Cu、Pt或金属复合材料。
所述叉指换能器、第一金属反射栅阵和第二金属反射栅阵的金属化比相等，金属化比为0.1-0.6。
所述叉指换能器、第一金属反射栅阵和第二金属反射栅阵采用沟槽结构。
所述叉指换能器能够加权，以抑制声波衍射效应带来的横向模式，提高器件Q值，加权函数为余弦函数、三角函数、汉明函数、反余弦函数或者小波函数。
所述间隙和间隙宽度可不相等，间隙和间隙宽度分别为所述叉指换能器电周期的0.25-2.5倍。
所述第一金属反射栅阵和第二金属反射栅阵的同步频率相同，为叉指换能器同步频率的0.95-1.05倍。
所述第一金属反射栅阵和第二金属反射栅阵均与叉指换能器平行。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明的谐振型声表面波温度传感器具有非线性自校正的优势，可根据自身频响特性曲线中低频和高频两个谐振峰的温度特性，经自差分后减少或消除非线性，设计更加灵活。
(2)本发明的谐振型声表面波温度传感器具有体积小、制备工艺简单的优势，实现上仅采用了单个谐振器结构，无需通过增加谐振器数量进行频率差分，整体尺寸小、加工工艺易控制。
(3)本发明的谐振型声表面波温度传感器具有应用场景广泛的优势，避免了现有单个谐振器单个谐振峰使用时，频率信号解调受无线通路影响的问题，同时利用频率自差分实现了传感器使用过程中免校准。
附图说明
图1为本发明的一种非线性自校正的谐振型声表面波温度传感器的结构示意图；
图2为本发明实施例的单端对声表面波谐振器的频率响应仿真曲线，fs-为低频谐振频率，fs+为高频谐振频率；
图3为本发明实施例的传感器输出频率对温度的测试响应结果，
图4为本发明实施例的传感器自差分(fs+-fs-)输出频率对温度的测试响应结果。
具体实施方式
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
克服现有技术中声表面波温度传感器非线性校正方法中，单个谐振器使用环境受限，多个谐振器制备工艺一致性高、体积大等技术问题，本发明提供一种非线性自校正的谐振型声表面波温度传感器，该传感器采用具有自然单向性的单个谐振器，利用其低频和高频两个特征谐振峰，通过自差分方法，实现传感器的非线性自校正，且保持了单个器件的小体积。
如图1所示，本发明提出了一种非线性自校正的谐振型声表面波温度传感器，包括基片1、叉指换能器2、第一金属反射栅阵3和第二金属反射栅阵4；基片1上中心位置处设置有叉指换能器2，叉指换能器2的一侧设置有第一金属反射栅阵3，另一侧设置有第二金属反射栅阵4，叉指换能器2和第一金属反射栅阵3之间形成间隙5，叉指换能器2和第二金属反射栅阵4之间形成间隙6；所述叉指换能器2两端汇流条处均连接输出引线；
所述基片1为石英基片、LiNbO3基片、LiTaO3基片、LGS基片或LGT基片；基片1上声表面波在相速度传播方向(x方向)上具有自然单向性，基片1上声表面波的群速度传播方向和相速度传播方向存在能流角PFA，且|PFA|≤10°；
所述叉指换能器2、第一金属反射栅阵3和第二金属反射栅阵4的声孔径方向与相速度传播方向(x方向)垂直，叉指换能器2汇流条方向与能流角PFA方向平行。
谐振型声表面波温度传感器具有低频和高频两个谐振峰：
低频谐振峰的频率温度系数TCF1＝a1·T2+b1·T+c1；
高频谐振峰的频率温度系数为TCF2＝a2·T2+b2·T+c2；
a1、a2、b1、b2、c1和c2为系数，通过理论或试验的方法，获得两个谐振峰频率随温度的变化关系，通过函数拟合获得a1、a2、b1、b2、c1和c2。
实际测温时，根据低频和高频两个谐振峰获得差值ΔTCF，ΔTCF＝TCF2-TCF1＝(b2-b1)·T+(c2-c1)，ΔTCF为线性函数，利用ΔTCF求解得到温度T。
叉指换能器2、第一金属反射栅阵3和第二金属反射栅阵4的材料相同，为Al、Au、Cu、Pt或金属复合材料。
叉指换能器2、第一金属反射栅阵3和第二金属反射栅阵4的金属化比相等，金属化比为0.1-0.6。对于特定基片材料和栅阵电极厚度的谐振器结构，需适当调节金属化比的数值以改善器件性能，增强反射效应。
叉指换能器2、第一金属反射栅阵3和第二金属反射栅阵4可采用沟槽结构，沟槽设计在叉指换能器、第一金属反射栅阵和第二金属反射栅阵的金属指条间隙处，沟槽的深度与金属指条厚度的比值为0-1，进一步提高声波反射性能，增强反射效应，减小器件尺寸。
叉指换能器2能够加权，以抑制声波衍射效应带来的横向模式，提高器件Q值，加权函数为余弦函数、三角函数、汉明函数、反余弦函数或者小波函数。
所述间隙5和间隙6宽度可不相等，间隙5和间隙6宽度分别为所述叉指换能器2电周期的0.25-2.5倍。对于特定切型的基片材料，需根据反射系数的相位调节间隙5和间隙6的比例，增强谐振峰强度。
第一金属反射栅阵3和第二金属反射栅阵4的同步频率相同，为叉指换能器同步频率的0.95-1.05倍。
第一金属反射栅阵3和第二金属反射栅阵4均与叉指换能器2平行。
实施例：
基片选用AT石英(欧拉角(0°,-54.7°,θ))压电片，声表面波在相速度传播方向角θ(θ＝20°)上具有自然单向性，能流角4°<PFA<6°。
叉指换能器、第一金属反射栅阵和第二金属反射栅阵选用金属Al电极，金属化比相等，金属化比为0.25，在叉指换能器、第一金属反射栅阵和第二金属反射栅阵的金属指条间隙设计沟槽，沟槽的深度为金属指条厚度的1/2。
叉指换能器进行加权，加权函数为余弦函数。
间隙5和间隙6相等，为叉指换能器电周期的0.25倍。
第一金属反射栅阵和第二金属反射栅阵的同步频率相同，为叉指换能器同步频率的1.002倍，且与叉指换能器平行放置。
经计算，本发明实施例中的声表面波谐振器的低频谐振频率为432.73MHz，高频谐振频率为439.38MHz，频率响应仿真曲线如图2所示。
利用本发明实施例中的谐振型声表面波温度传感器对温度进行检测，检测结果如图3所示，横坐标表示温度变化，纵坐标表示低频(fs-)和高频(fs+)谐振峰的相对频率变化，可见：本发明实施例中的低频谐振频率-温度特性曲线、高频谐振频率-温度特性曲线均呈现二次抛物线型函数。
通过对低频和高频谐振频率进行自差分(fs+-fs-)，得到对温度的检测结果如图4所示，横坐标表示温度变化，纵坐标表示谐振频率差分(fs+-fs-)的相对频率变化，可见：本发明实施例中的声表面波温度传感器差频-温度特性呈现线性，线性拟合函数为f(T)＝0.468×10-3·T-9.473×10-3，线性度为99.6％。由此可见，本发明中的谐振型声表面波温度传感器具有非线性自校正特性。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种非线性自校正的谐振型声表面波温度传感器，其特征在于：包括基片(1)、叉指换能器(2)、第一金属反射栅阵(3)和第二金属反射栅阵(4)；基片(1)上中心位置处设置有叉指换能器(2)，叉指换能器(2)的一侧设置有第一金属反射栅阵(3)，另一侧设置有第二金属反射栅阵(4)，叉指换能器(2)和第一金属反射栅阵(3)之间形成第一间隙(5)，叉指换能器(2)和第二金属反射栅阵(4)之间形成第二间隙(6)；所述叉指换能器(2)两端汇流条处均连接输出引线；
基片(1)上声表面波在相速度传播方向上具有自然单向性，基片(1)上声表面波的群速度传播方向和相速度传播方向存在能流角PFA，且|PFA|≤10°；所述叉指换能器(2)、第一金属反射栅阵(3)和第二金属反射栅阵(4)的声孔径方向与相速度传播方向垂直，叉指换能器(2)汇流条方向与能流角PFA方向平行；
所述谐振型声表面波温度传感器具有低频和高频两个谐振峰：低频谐振峰的频率温度系数TCF1＝a1·T2+b1·T+c1；高频谐振峰的频率温度系数为TCF2＝a2·T2+b2·T+c2；T为温度，a1、a2、b1、b2、c1和c2为系数；
实际测温时，根据低频和高频两个谐振峰获得差值线性函数ΔTCF，ΔTCF＝TCF2-TCF1＝(b2-b1)·T+(c2-c1)，利用ΔTCF求解得到温度T。
2.根据权利要求1所述的一种非线性自校正的谐振型声表面波温度传感器，其特征在于：通过理论或试验的方法，获得两个谐振峰频率随温度的变化关系，通过函数拟合获得a1、a2、b1、b2、c1和c2。
3.根据权利要求1所述的一种非线性自校正的谐振型声表面波温度传感器，其特征在于：所述基片(1)为石英基片、LiNbO3基片、LiTaO3基片、LGS基片或LGT基片。
4.根据权利要求1所述的一种非线性自校正的谐振型声表面波温度传感器，其特征在于：所述叉指换能器(2)、第一金属反射栅阵(3)和第二金属反射栅阵(4)的材料相同，为Al、Au、Cu、Pt或金属复合材料。
5.根据权利要求1所述的一种非线性自校正的谐振型声表面波温度传感器，其特征在于：所述叉指换能器(2)、第一金属反射栅阵(3)和第二金属反射栅阵(4)的金属化比相等，金属化比为0.1-0.6。
6.根据权利要求1所述的一种非线性自校正的谐振型声表面波温度传感器，其特征在于：所述叉指换能器(2)、第一金属反射栅阵(3)和第二金属反射栅阵(4)采用沟槽结构。
7.根据权利要求1所述的一种非线性自校正的谐振型声表面波温度传感器，其特征在于：所述叉指换能器(2)能够加权，以抑制声波衍射效应带来的横向模式，提高器件Q值，加权函数为余弦函数、三角函数、汉明函数、反余弦函数或者小波函数。
8.根据权利要求1所述的一种非线性自校正的谐振型声表面波温度传感器，其特征在于：第一间隙(5)和第二间隙(6)宽度分别为所述叉指换能器(2)电周期的0.25-2.5倍。
9.根据权利要求1所述的一种非线性自校正的谐振型声表面波温度传感器，其特征在于：所述第一金属反射栅阵(3)和第二金属反射栅阵(4)的同步频率相同，为叉指换能器同步频率的0.95-1.05倍。
10.根据权利要求1所述的一种非线性自校正的谐振型声表面波温度传感器，其特征在于：所述第一金属反射栅阵(3)和第二金属反射栅阵(4)均与叉指换能器(2)平行。
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