CN114942444A - 一种基于无线无源的柔性声表面波结冰传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于无线无源的柔性声表面波结冰传感器，属于结冰传感器技术领域，包括：柔性衬底；沉积在柔性衬底上的柔性压电基底；位于柔性压电基底上的输入叉指电极、输出叉指电极、波导层及天线；其中，波导层覆盖输入叉指电极和输出叉指电极，天线与输入叉指电极和输出叉指电极连接；输入叉指电极用于将输入的激励信号转化为机械信号，通过振动使柔性压电基底激发瑞利波；波导层采用PVDF材料，用于将瑞利波转化为乐甫波，并将乐甫波传导至输出叉指电极；输出叉指电极用于将接收的乐甫波转换为电信号，并传输给天线。灵敏度高、器件小、探测位置灵活、安装简易，适用于多种场所和微小位置的结冰探测，具有较高的经济效益。
Description
技术领域
本发明属于结冰传感器技术领域，更具体地，涉及一种基于无线无源的柔性声表面波结冰传感器。
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。随着应用领域不断扩大，结冰现象对人类社会造成的负面影响甚至危害越来越多，如道路、飞机安全等方面都存在着结冰检测问题，尤其是飞机安全领域，飞机的结冰问题一直是影响飞机安全飞行的重大难题。而对于飞机的结冰监测需要体积小，灵敏度高，抗干扰能力强的柔性传感器。
目前应用于飞机结冰检测的传感器有机械式传感器，其中谐振式和平膜式结冰传感器发展较为成熟。谐振式结冰传感器利用了磁致伸缩的原理，通过检测其固有频率的变化，从而判断遇到结冰气象条件。平膜式结冰探测器利用了压电效应的原理，振动膜片上发生结冰情况后，膜片的谐振频率将会发生改变，从而引起电信号的变化，通过检测其电信号的变化，从而判断飞机外部的结冰情况。机械式结冰探测器的优点是器件稳定可靠、制造简单、成本低廉和器件强度高不易损坏，但该类型结冰传感器器件尺寸不够小，外形结构不能与飞机平行安装，无法安装在飞机的曲面部位，且该器件灵敏度不够高，需要冰层达到一定厚度才能后才能检测，无法对结冰过程进行实时监测。
声表面波传感器具有体积小、功耗低、结构简单、响应快速、高精度、高灵敏度、良好的稳定性，且制作成本低，易于集成，可实现无线无源的特点，并能在极低温的恶劣情况下保持高性能的工作状态。对声表面结冰传感器的深入研究一直是国内外的研究热点。
专利CN111366932A公开了“一种基于声表面波振荡器的结冰传感器”，该器件通过将外界环境变化引起声表面波器件输出振荡频率变化的电信号送至振荡电路，振荡电路检测到电信号振荡频率的突变，输出振荡频率来实现结冰预警和监测。然而该专利所述的器件并没有实现器件柔性化和无线无源化，这大大影响了器件的应用前景。专利CN101644772A公开了“一种可无线访问的结冰传感器”，该器件在基本声表面波结构基础上，将天线沿声表面波延迟线接入叉指换能器外侧，从而实现无线通信。但是，该器件衬底和压电基底等都非柔性材料，无法实现声表面波器件的柔性化。
综上，目前声表面波器件已被用来检测结冰现象，然而受限于声表面波器件压电基底和衬底材料，以及信号传输的方式，声表面波结冰传感器的应用场景很有限。
发明内容
针对现有技术的缺陷和改进需求，本发明提供了一种基于无线无源的柔性声表面波结冰传感器，其目的在于解决现有声表面波结冰传感器的应用场景受限的技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种基于无线无源的柔性声表面波结冰传感器，包括：
柔性衬底；
沉积在所述柔性衬底上的柔性压电基底；
位于所述柔性压电基底上的输入叉指电极、输出叉指电极、波导层及天线；其中，所述波导层覆盖输入叉指电极和输出叉指电极，所述天线与输入叉指电极和输出叉指电极连接；
所述输入叉指电极用于将输入的激励信号转化为机械信号，通过振动使所述柔性压电基底激发瑞利波；所述波导层采用PVDF材料，用于将所述瑞利波转化为乐甫波，并将所述乐甫波传导至所述输出叉指电极；所述输出叉指电极用于将接收的乐甫波转换为电信号，并传输给所述天线。
进一步地，所述柔性声表面波结冰传感器还包括位于所述输入叉指电极和输出叉指电极两侧的反射栅，用于放大信号。
进一步地，所述反射栅为制备在所述柔性压电基底上的金属条，所述金属条位于声表面波的传播路径上且与其传播方向正交。
进一步地，所述柔性衬底采用PI材料制成。
进一步地，所述柔性压电基底采用ZnO柔性材料制成。
进一步地，所述输入叉指电极和输出叉指电极均为Al电极。
进一步地，所述柔性压电基底厚度为2μm～5μm，所述波导层厚度为50nm-500nm。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案，能够取得以下有益效果：
(1)本发明首次提出采用柔性的PVDF高分子材料制备波导层，用于将瑞利波转化为乐甫波(Love波)，由于Love波在液相中没有大的衰减，但是在固体中却有较为明显的衰减，通过探测中心频率的偏移，因而能够对结冰进行探测；因而，相比于现有技术采用二氧化硅制备波导层，本发明能够实现声表面波结冰传感器的柔性化，对不规则物体表面，如直升机螺旋翼等运动部件处进行无线无源的结冰现象进行探测。
(2)本发明灵敏度高、器件小、探测位置灵活、安装简易，适用于多种场所和微小位置的结冰探测，具有较高的经济效益。
附图说明
图1为本发明实施例提供的基于无线无源的柔性声表面波结冰传感器的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的采用基于无线无源的柔性声表面波结冰传感器的具体检测方法流程框图；
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或者结构，其中：
1为柔性衬底，2为柔性压电基底，3为输入叉指电极，4为输出叉指电极，5为反射栅，6为波导层，7为天线。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
在本发明中，本发明及附图中的术语“第一”、“第二”等(如果存在)是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
实施例1
参阅图1，本发明提供了一种基于无线无源的柔性声表面波结冰传感器，包括：柔性衬底1、柔性压电基底2、输入叉指电极3、输出叉指电极4、反射栅5、波导层6及天线7。
柔性衬底1使用聚酰亚胺(PI)材料制成，用于稳定器件，便于器件安装在不规则的物体表面上。PI可耐极低温，具有优良的机械性能。优选地，PI厚度为0.2mm。
柔性压电基底2沉积在柔性衬底1上，采用氧化锌(ZnO)柔性材料制成，ZnO具有逆压电效应和正压电效应，其厚度为2μm～5μm。由于ZnO表面对温度、湿度、压力等环境因素十分敏感，传感器表面滴水、结冰会明显改变ZnO压电薄膜的谐振频率、插入损耗和相位，因此采用ZnO材料制作的柔性压电基底使得声表面波传感器可以很灵敏地检测出外界结冰情况。
输入叉指电极3用于将输入的激励信号转化为机械信号，通过振动使柔性压电基底2激发瑞利波；波导层6采用PVDF材料，用于将瑞利波转化为乐甫波，并将乐甫波传导至输出叉指电极4；输出叉指电极4用于将接收的乐甫波转换为电信号，并传输给天线7。
反射栅5位于输入叉指电极3和输出叉指电极4两侧，用于放大信号反射栅5为制备在柔性压电基底2上的金属条，金属条位于声表面波的传播路径上且与其传播方向正交。反射栅5的宽度与输入叉指电极3和输出叉指电极4的指宽相同，反射栅5与输入叉指电极3或输出叉指电极4的距离大于声表面波在0.5微秒内的行程。金属条的数量为两条以上，相邻两金属条间的间距大于柔性压电基底2的声速与信号脉宽的乘积。
当波导层6表面形成冰层之后，Love波的频率以及插入损耗将会发生变化，通过偶极子天线将信号反射出去。通过检测回波信号的变化就能够得到结冰情况。
天线7用于进行信号的接收和发送，与终端建立联系，实现结冰情况的实时探测；用户可以直接在终端上读取到结冰的信息，包括是否结冰、冰层厚度等信息。本发明提供的柔性声表面波结冰传感器，其信号发送和传输使用无线无源的通讯模块，通过外设的天线进行信号的收发。
优选地，输入叉指电极和输出叉指电极均采用Al金属电极，相比于其他金属材料，铝薄膜具有波速高、密度小、声阻抗低和容易沉积等优点，当Al作为谐振器的电极材料时，相比其他金属材料，器件能够产生更高频率，Q值也较高。
优选地，波导层PVDF的厚度为50-500nm，PVDF膜的制备一般采用相分离法，Love波会在波导层中进行传播，因此器件声波的能量集中在层顶部界面，波导层界面处的物理、化学、生物等形式的扰动(质量载荷或粘性载荷)，都会导致Love波波速发生近似线性变化。
实施例2
本发明提供的基于无线无源的柔性声表面波结冰传感器，具体制备过程包括：
柔性衬底1由厚度200微米的聚酰亚胺(PI)制成，利用磁控溅射技术，使用Zn金属为靶材，氩气和氧气作为混合气体，在聚酰亚胺(PI)衬底上沉积一层2μm～5μm厚的ZnO作为压电薄膜，构成本实施例的柔性压电基底2。通过光刻剥离技术，在柔性压电基底2上制备输入叉指电极3、输出叉指电极4、反射栅5。天线7为平面天线，有效减小了传感器的尺寸和质量。
用电子天平称取PVDF粉末0.5克，将其与20毫升DMF放入锥形瓶中，进行磁力搅拌2小时，待搅拌完成后，将溶液旋涂到声表面波器件表面。
给声表面波器件加天线，得到柔性声表面波结冰传感器。
实施例3
如图2所示，本发明提供的基于无线无源的柔性声表面波结冰传感器，其具体应用为：
(1)将结冰信号采集单元放置在待测环境中，采集结冰信号；
(2)通过施加激励信号，结冰传感器将结冰信号转换为电信号，再通过天线将电信号传输到信号转换单元，将电信号转换为数字信号；
(3)将数字信号传输到信号处理单元，对信号进行处理，包括除噪声和信号放大；
(4)将得到的结果送至示波器或PC端等信号接收单元。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于无线无源的柔性声表面波结冰传感器，其特征在于，包括：
柔性衬底；
沉积在所述柔性衬底上的柔性压电基底；
位于所述柔性压电基底上的输入叉指电极、输出叉指电极、波导层及天线；其中，所述波导层覆盖输入叉指电极和输出叉指电极，所述天线与输入叉指电极和输出叉指电极连接；
所述输入叉指电极用于将输入的激励信号转化为机械信号，通过振动使所述柔性压电基底激发瑞利波；所述波导层采用PVDF材料，用于将所述瑞利波转化为乐甫波，并将所述乐甫波传导至所述输出叉指电极；所述输出叉指电极用于将接收的乐甫波转换为电信号，并传输给所述天线。
2.根据权利要求1所述的基于无线无源的柔性声表面波结冰传感器，其特征在于，所述柔性声表面波结冰传感器还包括位于所述输入叉指电极和输出叉指电极两侧的反射栅，用于放大信号。
3.根据权利要求2所述的基于无线无源的柔性声表面波结冰传感器，其特征在于，所述反射栅为制备在所述柔性压电基底上的金属条，所述金属条位于声表面波的传播路径上且与其传播方向正交。
4.根据权利要求1所述的基于无线无源的柔性声表面波结冰传感器，其特征在于，所述柔性衬底采用PI材料制成。
5.根据权利要求1所述的基于无线无源的柔性声表面波结冰传感器，其特征在于，所述柔性压电基底采用ZnO柔性材料制成。
6.根据权利要求1所述的基于无线无源的柔性声表面波结冰传感器，其特征在于，所述输入叉指电极和输出叉指电极均为Al电极。
7.根据权利要求1所述的基于无线无源的柔性声表面波结冰传感器，其特征在于，所述柔性压电基底厚度为2μm～5μm，所述波导层厚度为50nm-500nm。
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|---|
| 尹怡宁 等: "乐甫波结冰状态监测的响应机理分析", 声学学报, vol. 46, no. 6, 30 November 2021 (2021-11-30) * |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116208118A (zh) * | 2023-03-08 | 2023-06-02 | 北京中科飞鸿科技股份有限公司 | 柔性声表面波器件及其制备方法 |
| CN116208118B (zh) * | 2023-03-08 | 2024-06-11 | 北京中科飞鸿科技股份有限公司 | 柔性声表面波器件及其制备方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114942444B (zh) | 2024-06-14 |
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