CN112764039A - 一种基于反射延迟线的声表面波结冰传感器及其系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于反射延迟线的声表面波结冰传感器及其系统，该传感器包括：压电晶片基片、叉指换能器、第一反射器、储水装置、第二反射器、第三反射器；还包括波导层和与叉指换能器连接的信号传输天线；信号传输天线用于与外部射频读取模块进行信号交互。该系统，包括：前述声表面波结冰传感器和射频读取模块。根据第一反射器、第二反射器和第三反射器形成的反射波，确定储水装置的结冰状态。采用微流控芯片来储存水，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，实现一种具有高灵敏度、良好的温度稳定性以及快速响应的新型无线无源声表面波结冰传感器。
Description
技术领域
本发明涉及声表面波传感器领域，尤其涉及一种基于反射延迟线的声表面波结冰传感器及其系统。
背景技术
结冰现象广泛存在于自然界和人类生产、生活的现实中。结冰传感技术是一种通过各种类型的结冰传感器的应用来实现结冰状况信息获取和自动监测的技术，这些传感器大多会在结冰后作出不同的反应。通过这些传感器的应用可以准确实时监测物体表面的结冰情况，并采集到与结冰相关的一系列信息，这在航空、电力、道路等领域的应用已经比较广泛。目前应用于道路检测的传感技术有光纤式传感技术、红外式传感技术与电容式传感技术。
如图1所示，光纤结冰传感器利用冰对光的反射与吸收作用实现对结冰的检测，传感器的探头与被测面平行，发射光纤束与接收光纤束以一定规则排列。当被测物表面结冰时，由于冰面对光的反射及冰层对光的吸收、散射等现象，在接收光纤中能接收到与冰层厚度相关的光强信号。美国Luff公司开发的NIRS31-UMB型光学结冰传感器(L Ewan,2013)，其精度很高，但是很容易受外界干扰，稳定性不高，而且造价很高，目前并未得到广泛应用。
如图2所示，红外式结冰传感器是利用红外激光照射在物体的结冰表面，通过光电探测器接收到物体结冰表面反射回来的激光的能量，计算得到不同入射角和观测角下结冰表面的反射系数，根据反射系数推断物体表面的结冰情况。红外式结冰传感器精度高，响应快，属于比较精密的光学仪器，但是这种光学仪器比较脆弱，抗干扰能力较差，容易受外界强光、杂光(如车灯)的影响，且造价比较高，在道路工程中推广使用存在一定困难。
如图3所示，电容式结冰传感器是一种当冰层附着在传感器表面时，利用电容板之间电介质的变化引起电容变化的方法来探测结冰相关信息的结冰传感器。韩国釜山大学研制了一种用于实时测量油管表面结冰量的电容式传感器，由检测电容变化的电极对和检测温度变化的热电偶构成。此外，设计了能够模拟结冰条件的环境室。该结冰传感器不仅能够实时检测结冰的厚度，还能够通过电容值的变化观察到表面冰的形成。奥地利格拉茨科技大学研制了集成结冰和温度检测的除冰系统，用于恶劣环境中的气象监测。加热电路板为双曲折结构，能够实现差分模式下的电容测量，而结冰会导致电容的增加，电容的变化信息可以有效地控制加热单元进行除冰，避免在没有结冰的情况下过度加热。电容式的传感器比较适合在路面使用，其工艺相对简单，造价低廉，且判断准确率较高，但它的一大缺憾是深度结冰和干燥两种情况的电容值相近，依靠电容值难以判断是否结冰，且响应时间较长，无法进行实时监控。
声表面波传感器体积小、可无线无源测量，对公路飞机跑道的结冰状况进行灵活监测，因此，研发的结冰传感器可以应用于道路并监测结冰厚度和结冰速率，同时也可以广泛应用于公路、飞机等的结冰监测网的建设中，具有良好的应用前景。但是由于典型瑞利型SAW在液相环境中的纵向耦合衰减严重，导致了较大的声表面波传播衰减，从而影响了传感器性能。基于波导效应的乐甫波模式可较好的解决这一问题。通过在激励剪切声波的压电晶体表面沉积具有较低剪切声速的波导薄层，通过波导效应，将声能耦合在波导薄层之中。从其结构来看，首先作为一种剪切声波模式，在液相环境的纵向耦合衰减极小；其次，声波导效应将声能耦合至波导薄层，对质量负载更为灵敏，有可能大幅改善传感器灵敏度；另外，声波导层对金属叉指电极提供有效保护，由此可改善传感器件的稳定性与使用寿命。美国宾夕法尼亚州立大学的Gangadharan S等开始将乐甫波模式用于结冰监测之中，提出了基于乐甫波谐振式结冰传感思想，实验结果显示传感器可快速敏感水到冰的变化。K.A.Jose等设计了一种无线无源的乐甫波结冰传感器，实验观察到结冰使得乐甫波器件产生6-7MHz的频率变化，这是利用水和冰相对介电常数不同所引起的器件振荡频率的变化来检测从水到冰的相变，从而实现结冰的远程监测。但是显然，目前在乐甫波结冰传感器的研究只集中在实验验证阶段，对于其响应机理、传感器件优化方面鲜有着墨，从而迟滞了这种传感技术的实用化进程。
发明内容
本发明的目的在于解决现有结冰传感器存在的灵敏度低、实时性差及不易实施的问题。
为了达到上述目的，第一方面，本发明公开了一种基于反射延迟线的声表面波结冰传感器，包括：压电晶片基片，以及从压电晶片基片上表面的一端至另一端，依序设置的叉指换能器、第一反射器、储水装置、第二反射器和第三反射器；其中，
叉指换能器作为声表面波的发声源，激发声表面波；声表面波被第一反射器反射，形成第一反射波；声表面波被第二反射器反射，形成第二反射波；声表面波被第三反射器反射，形成第三反射波；根据第一反射波、第二反射波和第三反射波，确定储水装置的结冰状态。
一个实例中，根据第一反射波、第二反射波和第三反射波，确定储水装置的结冰状态，具体包括：
根据第一反射波确定声表面波结冰传感器未结冰状态的信息；
根据第二反射波和第三反射波确定声表面波结冰传感器上储水装置的结冰状态。
一个实例中，根据第二反射波或第三反射波的时延变化以及相位变化，确定储水装置的结冰状态。
一个实例中，压电晶片基片用于传播剪切型声表面波。
一个实例中，叉指换能器为EWC/SPUDT结构。
一个实例中，第一反射器、第二反射器和第三反射器为短路栅反射器。
一个实例中，储水装置为微流控芯片；储水装置底部设置液池，液池与压电晶片基片上表面相互接触。
一个实例中，还包括波导层；波导层为SiO2薄膜，厚度小于20％λ；其中，λ为声表面波传播方向上的声波波长。
一个实例中，还包括与叉指换能器连接的信号传输天线；信号传输天线用于与外部射频读取模块进行信号交互。
第二方面，本发明公开了一种基于反射延迟线的声表面波结冰传感系统，包括：如第一方面的声表面波结冰传感器和射频读取模块。
本发明的优点在于：第一方面，基于反射延迟线的无线无源声表面波结冰传感器具有较高检测灵敏度、良好温度稳定性、可以及时预警结冰，使声表面波技术较为容易实施；第二方面，本发明的基于反射延迟线的无线无源声表面波结冰传感器通过在具有高压电系数的压电基片表面沉积与其温度系数极性相反的SiO2薄层来改善器件温度稳定性并作为波导层来激发乐甫波；第三方面，本发明的基于反射延迟线的无线无源声表面波结冰传感器采用LiTaO3为压电基片，采用SiO2薄层作为声波导层的同时保护叉指换能器，通过激发乐甫波和在导波层中的传播变化,来敏感反应波导层的状态变化，可以实时监控结冰与否；第四方面，本发明的基于反射延迟线的无线无源声表面波结冰传感器将EWC/SPUDT与梳状结构应用到设计之中，能够降低器件的插入损耗，可以改善结冰传感器的检测下限以及稳定性；第五方面，本发明的基于反射延迟线的无线无源声表面波结冰传感器采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)材料设计微流控芯片，键合在传感器上以实现对水的储存，以防止水泄露引起电极短路，并便于封装。
附图说明
图1是现有技术的光纤式结冰传感器的立体结构示意图；
图2是现有技术的红外式结冰传感器的立体结构示意图；
图3是现有技术的电容式结冰传感器的立体结构示意图；
图4是本发明实施例的一种基于反射延迟线的声表面波结冰传感器的俯视示意图；
图5是本发明实施例的一种基于反射延迟线的声表面波结冰传感器的EWC/SPUDT结构的示意图；
图6是本发明实施例的一种基于反射延迟线的声表面波结冰传感器的储水装置结构俯视示意图；
图7是本发明实施例的一种基于反射延迟线的声表面波结冰传感器构成的一种声表面波结冰传感器系统示意图；
图8是采用本发明实施例的一种声表面波结冰传感器系统接收的第二反射信号波形图。
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1为基于反射延迟线的声表面波结冰传感器的俯视图，如图1所示。
该声表面波结冰传感器包括：压电晶片基片1，以及从压电晶片基片1上表面的一端至另一端，依序设置的叉指换能器3、第一反射器41、储水装置5、第二反射器42和第三反射器43。
叉指换能器3作为声表面波的发声源，激发声表面波；第一反射器41、第二反射器42和第三反射器43作为传感单元，设置在声表面波的传播方向上。声表面波被第一反射器41反射，形成第一反射波；声表面波被第二反射器42反射，形成第二反射波；声表面波被第三反射器43反射，形成第三反射波。
根据第一反射波、第二反射波和第三反射波，确定声表面波结冰传感器的结冰信息。其中，第一反射波显示声表面波结冰传感器未结冰时的信息；第二反射波和第三反射波显示声表面波结冰传感器的结冰信息。根据第二反射波或第三反射波的时延变化以及相位变化，确定声表面波结冰传感器上储水装置5的结冰状态。
具体地，压电晶片基片1为支持剪切型声表面波传播，且具有高压电耦合系数的压电材料。
一个实例中，压电晶片基片1可采用36°YXLiTaO3、41°YXLiTaO3、64°YXLiTaO3等。
具体地，叉指换能器3为电极宽度控制/单向单相换能器EWC/SPUDT结构。
叉指换能器3的电极为金电极、铝电极或者金铝合金等。电极膜厚度介于1％λ～1.5％λ，λ为声表面波传播方向上的声波波长。
一个实例中，叉指换能器3如图2所示，包括：叉指对31、反射电极32和接地假指组33。其中，
叉指对31由两条宽度为1/8λ的叉指电极组成，且两条叉指电极之间间距为1/8λ；反射电极32宽度为1/4λ，反射电极32与相邻的叉指对31的边缘间距为3/16λ。
周期性的抽走叉指换能器3的部分叉指电极，将叉指换能器3分成若干组梳齿结构单元。即叉指换能器3被周期性(3-5组不等)的抽走部分叉指电极，填充对应数量的接地假指，用于实现声表面波器件通带内只有一个相位周期。接地假指组33由宽度为1/8λ的相邻的接地假指组成，且每两条相邻接地假指之间间距为1/8λ；接地假指组33与相邻的叉指对31边缘间距为1/8λ，与反射电极32的边缘间距为3/16λ。其中，λ为声表面波传播方向上的声波波长。
需要说明，EWC/SPUDT结构的叉指换能器3能够降低器件的插入损耗，改善声表面波结冰传感器的检测下限以及稳定性。
具体地，第一反射器41、第二反射器42和第三反射器43为短路栅反射器。为了抑制声表面波的传播衰减，以及保证均匀的时域信号强度，第一反射器41、第二反射器42和第三反射器43上反射电极的数目，根据第一反射器41、第二反射器42和第三反射器43与叉指换能器3的距离，分别进行设置。距离叉指换能器3越近，反射器上反射电极的数目越少；距离叉指换能器3越远，反射器上反射电极的数目越多。
叉指换能器3、第一反射器41、第二反射器42和第三反射器43利用标准的MEMS光刻工艺制作而成。
具体地，储水装置5为微流控芯片，该微流控芯片可以通过聚二甲基硅氧烷PDMS材料设计，以实现储水功能。
一个实例中，如图3所示，储水装置5的纵向宽度l1小于第一反射器41、第二反射器42和第三反射器43的声孔径，避免声表面波发生衍射；储水装置5的横向宽度l2小于第一反射器41和第二反射器42之间的距离，优选的，横向宽度l2为λ或λ的整数倍。其中，λ为声表面波传播方向上的声波波长。
一个实例中，储水装置5底部设置液池，并与压电晶片基片1上表面相互接触。一个实例中，储水装置5经过微流体芯片制作和芯片基片键合设置在压电晶片基片1上。其中，
微流体芯片制作包括：阳模的制作和芯片的浇注成型。制作阳模的材料可采用SU-8光刻胶，通过甩胶、前烘、曝光、中烘、显影、后烘、固化等工艺完成阳模的制作；使用聚二甲基硅氧烷PDMS相应的固化剂按一定的比例热聚合，进而浇注成微流体芯片。
芯片基片键合是利用芯片表面的粘附力，以及芯片与压电晶片基片1之间具备的分子间引力，实现自然键合。
一个实例中，声表面波结冰传感器还包括：波导层2。
具体的，波导层2为SiO2薄膜，厚度小于20％λ；其中，λ为声表面波传播方向上的声波波长。优选的，SiO2薄膜为18％λ时性能最优。
波导层2用于保护金属电极以及补偿传感器的温度系数，基于压电晶片基片1和波导层2的温度系数相反的原理，降低声表面波结冰传感器本身的温度系数，从而达到提高该声表面波结冰传感器温度稳定性的目的。
SiO2薄膜的波导层2结合支持剪切型声表面波传播的压电晶片基片1，最大限度的利用了乐甫声波导结构的特性。声表面波结冰传感器需接触水和冰，因为纵波或垂直剪切波都会在传播中发生能量泄漏，又因为瑞利波、兰姆波会产生严重的衰减，故只能利用水平剪切波。乐甫波是能被压电材料导波层吸附的水平剪切波，适用于敏感水和冰。
一个实例中，声表面波结冰传感器还包括：与叉指换能器3连接的信号传输天线7。
信号传输天线7用于与外部射频读取模块6进行信号交互，以实现从射频读取模块6获取激励信号以及向射频读取模块6发送待检测信号的功能。
设有信号传输天线7的声表面波结冰传感器与射频读取模块6共同构成了声表面波检测系统，如图5所示。
信号传输天线7接受射频读取模块6的电磁波信号，并通过与其连接的叉指换能器3将电磁波信号转换为声表面波；声表面波沿压电晶片基片1表面传播，被第一反射器41反射形成第一反射波；经由储水装置5后被第二反射器42反射形成的第二反射波；经由储水装置5后被第三反射器43反射形成的第三反射波。第一反射波、第二反射波和第三反射波通过叉指换能器3转换形成待检测信号；待检测信号通过信号传输天线7向射频读取模块6发送。
射频读取模块6对待检测信号进行相位解调，根据待检测信号的时延变化以及相位变化，确定储水装置5的结冰状态。
在一个具体实施例中，一种声表面波结冰传感器系统，包括声表面波结冰传感器和射频读取模块6；其中，声表面波结冰传感器包括：压电晶片基片1，波导层2、叉指换能器3、第一反射器41、第二反射器42、第三反射器43、储水装置5和信号传输天线7。
具体的，压电晶片基片1为支持剪切型声表面波传播的36°YXLiTaO3。其中，36°LiTaO3剪切声波速度可达4202m/s；并且LiTaO3基片的压电耦合系数为5.7％。采用36°YXLiTaO3可以改善声表面波结冰传感器的损耗与信噪比性能，提高声表面波结冰传感器的灵敏度。
波导层2为1微米厚度的SiO2薄膜。
叉指换能器3为EWC/SPUDT结构；并采用MEMS光刻工艺制作在压电晶体基片1上。其中，叉指换能器3总长度为250λ，电极材料为铝，中心频率为433MHz，指条宽度为1.213微米，电极膜厚度为300纳米，声孔径为1455.6微米。
第一反射器41、第二反射器42和第三反射器43为短路栅反射器。其中，第一反射器41、第二反射器42和第三反射器43指条宽度为2.426微米，指条长度为1460.452微米，电极膜厚度为300纳米，相邻指条间距为2.426微米。
储水装置5为通过聚二甲基硅氧烷PDMS材料设计的微流控芯片，并键合在具有波导层2的声表面波传播路径上用于储水。其中，微流控芯片沿声表面波传播方向的宽度l2设置为200λ，即第一反射器41和第二反射器42间的距离大于200λ，底部垂直于声表面波传播方向宽度l1小于短路栅反射器声孔径，其中，λ为沿声波传播方向的声波波长。
采用矩阵P分别表示叉指换能器和反射器；其中，
叉指换能器3的P矩阵为
其中，R(x)为正向波，S(x)为反向波。V为施加在换能器上的电压，I(x)为汇流条上电流。
短路栅反射器的P矩阵为
利用矩阵P的级联关系，推算出整个器件的导纳矩阵
利用导纳矩阵解得：
整个反射型延迟线的反射系数S11可以表示为：
其中，YG为源与负载导纳。
基于快速傅立叶变化(FFT)，频率域S11将可以直接转换成时域信号。
未结冰时，储水装置5区域的声表面波结冰传感器自上至下为水、SiO2膜、基片的三层结构；由未结冰向结冰转换的过程中，储水装置5区域的声表面波结冰传感器自上至下为水冰混合物、SiO2膜、基片的三层结构；结冰时，储水装置5区域的声表面波结冰传感器自上至下为冰、SiO2膜、基片的三层结构。
上述三种情况及其切换过程中，第二反射器42反射形成的第二反射波，通过叉指换能器3转换成电磁波信号，进而通过射频读取模块6接收，所呈现出的相位变化，如图6所示。其中，
当对储水装置5进行储水时，即t1时刻，第二反射波相位将降低。
当储水装置5中储水由水逐渐变为冰时，即t2时刻，第二反射波相位随时间增加。
本发明提供了一种基于反射延迟线的声表面波结冰传感器及其系统，采用反射延迟线结构，以LiTaO3作为压电基片，SiO2薄膜作为声波导层并且实现器件的温度补偿和叉指保护，采用微流控芯片来储存水，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，实现一种具有高灵敏度、良好的温度稳定性以及快速响应的新型无线无源声表面波结冰传感器
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)
1.一种基于反射延迟线的声表面波结冰传感器，其特征在于，包括：压电晶片基片，以及从压电晶片基片上表面的一端至另一端，依序设置的叉指换能器、第一反射器、储水装置、第二反射器和第三反射器；其中，
所述叉指换能器作为声表面波的发声源，激发声表面波；
所述声表面波被第一反射器反射，形成第一反射波；所述声表面波被第二反射器反射，形成第二反射波；所述声表面波被第三反射器反射，形成第三反射波；
根据第一反射波、第二反射波和第三反射波，确定所述储水装置的结冰状态。
2.如权利要求1所述的声表面波结冰传感器，其特征在于，所述根据第一反射波、第二反射波和第三反射波，确定所述储水装置的结冰状态，具体包括：
根据所述第一反射波确定所述声表面波结冰传感器未结冰状态的信息；
根据所述第二反射波和第三反射波确定所述声表面波结冰传感器上储水装置的结冰状态。
3.如权利要求1-2所述的声表面波结冰传感器，其特征在于，根据第二反射波或第三反射波的时延变化以及相位变化，确定储水装置的结冰状态。
4.如权利要求1所述的声表面波结冰传感器，其特征在于，所述压电晶片基片用于传播剪切型声表面波。
5.如权利要求1所述的声表面波结冰传感器，其特征在于，所述叉指换能器为EWC/SPUDT结构。
6.如权利要求1所述的声表面波结冰传感器，其特征在于，所述第一反射器、第二反射器和第三反射器为短路栅反射器。
7.如权利要求1所述的声表面波结冰传感器，其特征在于，所述储水装置为微流控芯片；所述储水装置底部设置液池，所述液池与所述压电晶片基片上表面相互接触。
8.如权利要求1所述的声表面波结冰传感器，其特征在于，还包括波导层；所述波导层为SiO2薄膜，厚度小于20％λ；其中，λ为声表面波传播方向上的声波波长。
9.如权利要求1所述的声表面波结冰传感器，其特征在于，还包括与叉指换能器连接的信号传输天线；所述信号传输天线用于与外部射频读取模块进行信号交互。
10.一种基于反射延迟线的声表面波结冰传感系统，其特征在于，包括：如权利要求1-9所述的声表面波结冰传感器和射频读取模块。
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN116538972A (zh) * | 2023-07-06 | 2023-08-04 | 武汉工程大学 | 基于阵列微波传输线的覆冰厚度预测方法及装置 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101644618A (zh) * | 2009-04-17 | 2010-02-10 | 中国科学院声学研究所 | 应用于无线压力传感器的声表面波反射型延迟线 |
| CN101644772A (zh) * | 2008-08-06 | 2010-02-10 | 中国科学院声学研究所 | 一种可无线访问的声表面波结冰传感器 |
| KR20160009374A (ko) * | 2014-07-16 | 2016-01-26 | 아주대학교산학협력단 | 니오브산 리튬을 이용한 표면탄성파 바이오센서 |
-
2019
- 2019-11-06 CN CN201911075381.9A patent/CN112764039A/zh active Pending
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101644772A (zh) * | 2008-08-06 | 2010-02-10 | 中国科学院声学研究所 | 一种可无线访问的声表面波结冰传感器 |
| CN101644618A (zh) * | 2009-04-17 | 2010-02-10 | 中国科学院声学研究所 | 应用于无线压力传感器的声表面波反射型延迟线 |
| KR20160009374A (ko) * | 2014-07-16 | 2016-01-26 | 아주대학교산학협력단 | 니오브산 리튬을 이용한 표면탄성파 바이오센서 |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| YINING YIN ET AL.: "Development of a novel wireless and passive Love wave based ice sensor", 2019 IEEE INTERNATIONAL ULTRASONICS SYMPOSIUM, pages 2553 - 2556 * |
| 江城;何世堂;李红浪;倪世宏;张宗麟;: "声表面波飞机结冰传感器灵敏度及实验研究", 压电与声光, no. 04 * |
| 江城;倪世宏;张宗麟;: "基于声表面波技术的飞机结冰预警系统研究", 压电与声光, no. 05 * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116538972A (zh) * | 2023-07-06 | 2023-08-04 | 武汉工程大学 | 基于阵列微波传输线的覆冰厚度预测方法及装置 |
| CN116538972B (zh) * | 2023-07-06 | 2023-09-01 | 武汉工程大学 | 基于阵列微波传输线的覆冰厚度预测方法及装置 |
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