CN112964384B - 一种谐振器型无线无源温度传感器及工作方法 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种谐振器型无线无源温度传感器及工作方法，传感器包括：第一声表面波谐振器和第二声表面波谐振器，第一声表面波谐振器包括第一压电基片和第一金属电极，第二声表面波谐振器包括第二压电基片和第二金属电极；第一压电基片和第二压电基片的材质相同且切型相同，第一金属电极和第二金属电极材质相同且膜厚不同，根据第一声表面波谐振器和第二声表面波谐振器的中心频率的差值与温度的关系进行温度测量；本公开采用同一声波传播切型下、不同金属膜厚的两个独立的声表面波谐振器，可以保证传感器对非温度干扰参数的敏感特性近乎一致，提高温度传感器的精度，两个谐振器独立加工，传感器芯片面积小，可进一步提升产品的成品率。

Description

一种谐振器型无线无源温度传感器及工作方法

技术领域

本公开涉及温度传感器技术领域，特别涉及一种谐振器型无线无源温度传感器及工作方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术，并不必然构成现有技术。

无线无源温度传感系统将无源声表面波传感器与无线阅读器相结合，具有体积小、稳定性好、可靠性高等优点，特别适用于高温、高电压、易燃易爆或旋转部件等极端环境的温度测量，已广泛应用于智能电网的开关柜触头等关键部件，对保障电网安全起到了至关重要的作用。相比于延迟线型声表面波传感器，采用谐振器结构的声表面波传感器具有更高的Q值(品质因数)，可实现更远的无线测量距离，且更易通过同一个天线实现传感器对激励信号的接收和对回波信号的发射功能，因而在无线传感领域具有更为广泛的应用。

有研究人员提供了一种双声表面波温度传感器及其设计方法，该方案为提高传感器谐振频率随温度变化的线性度，将两个声表面波谐振器设计集成于同一块压电基片上，且两个谐振器的换能器夹角在20°～160°，用于实现全温度范围内的温度测量。也有研究人员设计了一种声表面波扭矩和温度传感器，该传感器通过设置在Y+34°切向的石英公共基底上的三个声表面波谐振器，实现对扭矩和温度的同时测量。为了实现温度传感器线性输出，以及对扭矩传感器的温度补偿，该专利在实现中可依据想要的温度测量范围和两个声表面波谐振器差频的温度灵敏度，来选择其相应的夹角(0°～30°)。

由上述温度传感器的实现方案可以发现，为了提高声表面波传感器谐振频率随温度变化的线性度，现有声表面波传感器常利用压电基片的各向异性，选取同一压电基片上两个不同传播夹角的声表面波谐振器。这将导致：(1)两个不同夹角的声表面波谐振器，其对非温度的干扰参数(如压力、振动、湿度等)的敏感特性不同，难以克服外界非温度环境所带来的干扰；(2)两个谐振器制备在同一压电基片上，曝光区域的面积大，工艺上难以保证两个谐振器的一致性，导致成品率降低。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本公开提供了一种谐振器型无线无源温度传感器及工作方法，采用同一声波传播切型下、不同金属膜厚的两个独立的声表面波谐振器，可以保证传感器对非温度干扰参数的敏感特性近乎一致，提高温度传感器的精度；同时，两个谐振器独立加工，传感器芯片面积小，可进一步提升产品的成品率。

为了实现上述目的，本公开采用如下技术方案：

本公开第一方面提供了一种谐振器型无线无源温度传感器。

一种谐振器型无线无源温度传感器，包括：第一声表面波谐振器和第二声表面波谐振器，第一声表面波谐振器包括第一压电基片以及与第一压电基片接触连接的第一金属电极，第二声表面波谐振器包括第二压电基片以及与第二压电基片接触连接的第二金属电极；

第一压电基片和第二压电基片的材质相同且切型相同，第一金属电极和第二金属电极材质相同且膜厚不同，根据第一声表面波谐振器和第二声表面波谐振器的中心频率的差值与温度的关系进行温度测量。

作为可选的实施方式，中心频率的差频与温度呈一阶线性关系。

作为可选的实施方式，第一压电基片和第二压电基片的切型为：AT-X石英、ST-X石英、ZX-铌酸锂、YZ-铌酸锂、128°YX-铌酸锂或X-112°Y-钽酸锂。

作为可选的实施方式，第一压电基片和第二压电基片的材质为：压电石英、压电铌酸锂或压电钽酸锂。

作为可选的实施方式，第一金属电极设置在第一压电基片的抛光面上，第二金属电极设置在第二压电基片的抛光面上。

作为可选的实施方式，第一金属电极和第二金属电极的膜厚为叉指换能器电周期的0.1％～10％。

进一步的，第一金属电极的膜厚为叉指换能器电周期的1％，第二金属电极的膜厚为叉指换能器电周期的5％。

作为可选的实施方式，第一金属电极和第二金属电极的宽度为叉指换能器电周期的0.05～0.45。

作为可选的实施方式，第一金属电极和第二金属电极的叉指换能器和反射栅阵之间的间隙为叉指换能器电周期的0～5倍。

作为可选的实施方式，第一金属电极和第二金属电极的叉指换能器电周期为反射栅阵周期的0.9倍～1.1倍。

本公开第二方面提供了一种谐振器型无线无源温度传感器的工作方法。

一种谐振器型无线无源温度传感器的工作方法，利用本公开第一方面所述的谐振器型无线无源温度传感器；

分别获取第一声表面波谐振器和第一声表面波谐振器的初始频率和温度变化后的谐振器频率；

根据得到的初始频率和温度变化后的谐振器频率，计算两个谐振器中心频率的差值与温度的关系，进而得到当前的温度值。

与现有技术相比，本公开的有益效果是：

本公开创新性的提出了一种基于不同金属膜厚的谐振器型无线无源温度传感器，为提升传感器频率-温度特性的线性度，采用的两个谐振器为同一声波传播切型，仅通过控制金属膜厚的差异来改变其温度特性，而对非温度干扰参数(如压力、振动、湿度等)的敏感特性可以保证几乎一致，可有效地提高传感器的抗外界干扰能力，保证了温度传感器的精度。

本公开创新性的提出了一种基于不同金属膜厚的谐振器型无线无源温度传感器，两个谐振器采用了不同的金属膜厚，工艺上独立加工，避免了现有两个谐振器制备在同一压电基片上所带来的曝光面积增加，可实现芯片的小尺寸，保证了谐振器成品率，提高了一致性。

本公开创新性的提出了一种基于不同金属膜厚的谐振器型无线无源温度传感器，金属电极的膜厚和宽度均与叉指换能器电周期相关联，而叉指换能器电周期与反射栅阵周期相关联，在保证测试精度的前提下，保证了谐振器型无线无源温度传感器的稳定性。

本公开附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本公开的实践了解到。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1为本公开实施例1提供的基于不同金属膜厚的无线无源温度传感器的结构示意图。

图2为本公开实施例1提供的基于不同金属膜厚的无线无源温度传感器的剖面结构示意图。

图3为本公开实施例1提供的基于不同金属膜厚的无线无源温度传感器的两个谐振器频率-温度变化曲线。

图4为本公开实施例1提供的基于不同金属膜厚的无线无源温度传感器的两个谐振器差频-温度变化曲线。

1、第一压电基片；2、第一金属电极；3、第二压电基片；4、第二金属电极；5、第一金属电极宽度；6、第一金属电极膜厚；7、第一金属电极叉指换能器电周期；8、第二金属电极宽度；9、第二金属电极膜厚；10、第二金属电极叉指换能器电周期。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例1：

如图1所示，本公开实施例1提供了一种基于不同金属膜厚的无线无源温度传感器，包括两个独立的声表面波谐振器。

第一压电基片1和第一金属电极2构成T₁声表面波谐振器，第二压电基片3和第二金属电极4构成T₂声表面波谐振器；T₁和T₂声表面波谐振器选用的压电基片为同种材料同一切型，选用的金属电极为同种材料不同膜厚。

T₁声表面波谐振器的频率-温度系数为：TCF₁＝a₁·T²+b₁·T+c₁；

T₂声表面波谐振器的频率-温度系数为：TCF₂＝a₂·T²+b₂·T+c₂；

其中，T为温度，a₁、b₁、c₁、a₂、b₂、c₂为系数；

通过T₁和T₂谐振器中心频率的差频-温度系数，实现温度传感器频率-温度特性的线性输出：

ΔTCF＝TCF₁-TCF₂＝(b₁-b₂)·T+(c₁-c₂)。

第一压电基片1和第二压电基片3选用压电石英、压电铌酸锂或压电钽酸锂等材料，本实施例中，优选的采用压电石英材料。

第一压电基片1和第二压电基片3选用AT-X石英、ST-X石英、ZX-铌酸锂、YZ-铌酸锂、128°YX-铌酸锂或X-112°Y-钽酸锂等切型，本实施例中，优选的采用ST-X石英切型。

第一压电基片1的抛光面设置有谐振器第一金属电极2，第二压电基片3的抛光面设置有谐振器第二金属电极4。

第一金属电极2和第二金属电极4选用铝、铜、金等金属材料，本实施例中，优选的采用金属铝材料。

第一金属电极2和第二金属电极4的膜厚(h)为叉指换能器电周期(λ)的0.1％～10％，本实施例中，优选的，T₁声表面波谐振器的第一金属电极膜厚6是第一金属电极叉指换能器电周期7的1％，T₂声表面波谐振器的第二金属电极膜厚9是第二金属电极叉指换能器电周期10的5％。

第一金属电极2和第二金属电极4的宽度(a)为叉指换能器电周期(λ)的0.05～0.45，本实施例中，优选的，T₁声表面波谐振器的第一金属电极宽度5为第一金属电极叉指换能器电周期7的0.25，T₂声表面波谐振器的第二金属电极宽度8为第二金属电极叉指换能器电周期10的0.25。

第一金属电极2和第二金属电极4的叉指换能器和反射栅阵之间的间隙为叉指换能器电周期的0～5倍，本实施例中，优选的，T₁声表面波谐振器的叉指换能器和反射栅阵之间的间隙为叉指换能器电周期的0.25倍，T₂声表面波谐振器的叉指换能器和反射栅阵之间的间隙为叉指换能器电周期的0.25倍。

第一金属电极2和第二金属电极4的叉指换能器电周期是反射栅阵周期的0.9～1.1倍，本实施例中，优选的，T₁声表面波谐振器的叉指换能器电周期是其反射栅阵周期的0.97倍，T₂声表面波谐振器的叉指换能器电周期是其反射栅阵周期的0.97倍。

如图3所示，“x”号实线为T₁声表面波谐振器的频率-温度变化曲线，“o”号实线为T₂声表面波谐振器的频率-温度变化曲线。由此可见，不同金属膜厚对谐振器的频率-温度特性起到了调控作用。

如图4所示，

号为T₁和T₂声表面波谐振器中心频率的差值，实线为线性拟合结果。由此可见，差分后温度传感器的线性度得到了提升，R²为0.9948。

实施例2：

本公开实施例2提供了一种谐振器型无线无源温度传感器的工作方法，利用本公开实施例1所述的谐振器型无线无源温度传感器；

分别获取第一声表面波谐振器和第一声表面波谐振器的初始频率和温度变化后的谐振器频率；

根据得到的初始频率和温度变化后的谐振器频率，计算两个谐振器中心频率的差值与温度的关系，进而得到当前的温度值。

具体的：

其中，f₀为谐振器的初始频率，f为温度变化后的谐振器频率，进一步推导可以得到：

即：

ΔTCF＝(f₁-f₂)+γ(f₀₁-f₀₂)＝(b1-b2)T+(c1-c2)

其中，f₁-f₂为两个谐振器变化频率的差值，γ(f₀₁-f₀₂)为固定常数×两个谐振器固定初始频率的差值，T为温度，b和c为系数，因此，通过谐振器频率差值的变化，即可获得此时的外界温度T。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种谐振器型无线无源温度传感器，其特征在于：

包括：第一声表面波谐振器和第二声表面波谐振器，第一声表面波谐振器包括第一压电基片以及与第一压电基片接触连接的第一金属电极，第二声表面波谐振器包括第二压电基片以及与第二压电基片接触连接的第二金属电极；

第一压电基片和第二压电基片的材质相同且切型相同，第一金属电极和第二金属电极材质相同且膜厚不同，第一金属电极和第二金属电极的膜厚为叉指换能器电周期的0.1％～10％，第一金属电极和第二金属电极的宽度为叉指换能器电周期的0.05～0.45；第一金属电极和第二金属电极的叉指换能器和反射栅阵之间的间隙为叉指换能器电周期的0～5倍；第一金属电极和第二金属电极的叉指换能器电周期为反射栅阵周期的0.9倍～1.1倍；根据第一声表面波谐振器和第二声表面波谐振器的中心频率的差值与温度的关系进行温度测量，中心频率的差频与温度呈一阶线性关系；温度传感器频率-温度特性的线性输出：

ΔTCF＝TCF₁-TCF₂＝(b₁-b₂)·T+(c₁-c₂)

其中，TCF₁为第一声表面波谐振器的频率-温度系数，TCF₂为第二声表面波谐振器的频率-温度系数，b₁、c₁、b₂、c₂为系数，T为温度。

2.如权利要求1所述的谐振器型无线无源温度传感器，其特征在于：

第一压电基片和第二压电基片的切型采用AT-X石英、ST-X石英、ZX-铌酸锂、YZ-铌酸锂、128°YX-铌酸锂或X-112°Y-钽酸锂。

3.如权利要求1所述的谐振器型无线无源温度传感器，其特征在于：

第一压电基片和第二压电基片的材质采用压电石英、压电铌酸锂或压电钽酸锂。

4.如权利要求1所述的谐振器型无线无源温度传感器，其特征在于：

第一金属电极设置在第一压电基片的抛光面上，第二金属电极设置在第二压电基片的抛光面上。

5.如权利要求1所述的谐振器型无线无源温度传感器，其特征在于：

第一金属电极的膜厚为叉指换能器电周期的1％，第二金属电极的膜厚为叉指换能器电周期的5％。

6.一种谐振器型无线无源温度传感器的工作方法，其特征在于：利用权利要求1-5任一项所述的谐振器型无线无源温度传感器；

分别获取第一声表面波谐振器和第一声表面波谐振器的初始频率和温度变化后的谐振器频率；

根据得到的初始频率和温度变化后的谐振器频率，计算两个谐振器中心频率的差值与温度的关系，进而得到当前的温度值。

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