CN115208351A - 一种声表面波谐振器、温度传感器及温度检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于多层结构的声表面波谐振器、温度传感器及温度检测方法，所述声表面波谐振器包括从下到上依次设置的压电层、电极层和温度敏感层；所述温度敏感层的温度‑频率系数大于所述压电层的温度‑频率系数。本发明通过增加温度‑频率系数较大的温度敏感层，以提升声表面波谐振器整体的温度‑频率系数，克服了现有的声表面波谐振器的检测精度(取决于声表面波谐振器整体的温度‑频率系数)，受到压电层的温度‑频率系数的限制的技术缺陷，进一步提高了声表面波谐振器的温度检测精度。

Description

一种声表面波谐振器、温度传感器及温度检测方法
技术领域
本发明涉及射频传感技术领域，特别是涉及一种声表面波谐振器、温度传感器及温度检测方法。
背景技术
声表面波谐振器的频率响应具有温度影响特性，利用该特性可以通过测量声学器件的频率响应得到相对应的温度，然而现有的声表面波谐振器整体的温度-频率系数主要取决于声表面波谐振器的压电层的温度-频率系数，而由于压电材料的限制，压电层的温度-频率系数的进一步提升受到了限制，进而限制了整体的温度-频率系数，而整体的温度-频率系数又决定了声表面波谐振器的温度检测精度，从而不利于温度检测精度的提升。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种声表面波谐振器、温度传感器及温度检测方法，以克服压电材料的限制，进一步提高声表面波谐振器的温度检测精度。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种基于多层结构的声表面波谐振器，所述声表面波谐振器包括从下到上依次设置的压电层、电极层和温度敏感层；所述温度敏感层的温度-频率系数大于所述压电层的温度-频率系数。
可选的，所述温度敏感层的材料为铌酸锂、钽酸锂或氮化铝。
可选的，所述电极层包括换能器、换能器两侧对称设置的反射栅、及分别与所述换能器的两个电极对应连接的两个天线。
可选的，所述换能器为叉指换能器。
可选的，所述电极层的材料为金属材料。
可选的，所述压电层的材料为石英。
一种温度传感器，所述温度传感器包括上述声表面波谐振器，所述温度传感器还包括电磁信号发射模块、电磁信号接收模块和信号处理模块；
所述电磁信号发射模块和所述电磁信号接收模块均与所述声表面波谐振器无线连接；
所述电磁信号接收模块与所述信号处理模块连接；
所述电磁信号发射模块用于向所述声表面波谐振器发射第一电磁信号；
所述电磁信号接收模块用于接收所述声表面波谐振器返回的第二电磁信号；
所述信号处理模块用于对所述第二电磁信号进行处理，获得第二电磁信号的谐振频率，并根据谐振频率及声表面波谐振器的温度-频率系数，计算待测环境的温度。
可选的，计算待测环境的温度的公式为：
Figure BDA0003792459570000021
其中，TCF为声表面波谐振器的温度-频率系数，T0为参考温度，f0为参考温度对应的参考谐振频率，T1为待测环境的温度，f1为第二电磁信号的谐振频率。
一种温度检测方法，所述方法基于上述声表面波谐振器，所述方法包括如下步骤：
将所述声表面波谐振器设置于待测环境中；
向所述声表面波谐振器发射第一电磁信号；
接收所述声表面波谐振器返回的第二电磁信号；
对所述第二电磁信号进行处理，获得第二电磁信号的谐振频率；
根据所述谐振频率及声表面波谐振器的温度-频率系数，计算待测环境的温度。
可选的，所述根据所述谐振频率及声表面波谐振器的温度-频率系数，计算待测环境的温度，具体包括：
根据所述谐振频率及声表面波谐振器的温度-频率系数，求解公式
Figure BDA0003792459570000022
Figure BDA0003792459570000031
得到待测环境的温度；
其中，TCF为声表面波谐振器的温度-频率系数，T0为参考温度，f0为参考温度对应的参考谐振频率，T1为待测环境的温度，f1为第二电磁信号的谐振频率。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明实施例公开的一种基于多层结构的声表面波谐振器、温度传感器及温度检测方法，所述声表面波谐振器包括从下到上依次设置的压电层、电极层和温度敏感层；所述温度敏感层的温度-频率系数大于所述压电层的温度-频率系数。本发明实施例增加了温度敏感层，这样，在本发明实施例的声表面波谐振器中，除了压电层外，还有温度敏感层具有温度敏感特性，而又由于温度敏感层的温度-频率系数大于压电层，因此，即使在压电层受材料限制而无法提升温度-频率系数的情况下，依然可以提升声表面波谐振器整体的温度-频率系数，克服了现有的声表面波谐振器的检测精度(取决于声表面波谐振器整体的温度-频率系数)，受到压电层的温度-频率系数的限制的技术缺陷，进一步提高了声表面波谐振器的温度检测精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的基于多层结构的声表面波谐振器的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的电极层的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的基于多层结构的声表面波谐振器与现有的声表面波谐振器的温度频率系数对比图；
图4本发明实施例提供的温度传感器的原理图；
附图标记说明：
1、压电层；2、电极层；3、温度敏感层；21、换能器；22、反射栅；23、天线。
具体实施方式
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，所描述的实施例仅仅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。
本发明的目的是提供了一种声表面波谐振器、温度传感器及温度检测方法，以克服压电材料的限制，进一步提高声表面波谐振器的温度检测精度。
实施例1
如图1所示，本发明实施例1提供一种基于多层结构的声表面波谐振器，所述声表面波谐振器包括从下到上依次设置的压电层1、电极层2和温度敏感层3；所述温度敏感层3的温度-频率系数大于所述压电层1的温度-频率系数。如图2所示，所述电极层2包括换能器21、换能器21两侧对称设置的反射栅22，及分别与所述换能器21的两个电极一一对应连接的两个天线23。
示例性的，本发明实施例提供的电极层2由金属材料制备得到，换能器21具体可为叉指换能器，可通过在压电层1上形成金属插指状结构而得到的，叉指换能器两边的反射栅22可为周期结构，其作用是反射机械波能量，以提高能量利用率，天线23和换能器21相连作为信号发射接收的通道。
压电层1的压电材料可以是石英等常规压电材料。
温度敏感层3可选用温度-频率系数大于压电材料的材料，例如，假定压电材料是石英，温度敏感层3可选用温度-频率系数(temperature coefficient of frequency，TCF)较大的材料，比如切角优化后的铌酸锂，钽酸锂，氮化铝等。
在温度敏感层3的作用下，可以增加声表面波谐振器整体的TCF，使声表面波谐振器的温度测量精度更高。
具体的，声表面波谐振器的温度测量精度取决于声表面波谐振器整体的TCF的绝对值，TCF的绝对值越大，说明在相同温度变化量时的频率变化越大，对应的温度检测的精度就越高。
图3为当温度敏感层3采用铌酸锂，压电层1采用石英时的基于多层结构的声表面波谐振器与现有的声表面波谐振器的温度-频率变化对比图，通过图3可以看出，本发明实施例所提供的声表面波谐振器，其斜率的绝对值更大，即TCF更大，因此，温度检测的精度相对于现有声表面波谐振器就更高。
通过对图3表征的结果进行计算，现有的声表面波谐振器整体的TCF为-17.4ppm/℃，本发明实施例所提供声表面波谐振器整体的TCF为-74.06ppm/℃。TCF的绝对值越大，对应的温度检测精度越高，故设置有温度敏感层3的多层结构的声表面波谐振器具有更高温度测量精度。
实施例2
本发明实施例2提供一种温度传感器，该温度传感器进行温度检测的原理如图4所示，当声表面波谐振器通过天线接收到外部的电磁信号(第一电磁信号)后，通过逆压电效应在压电层上产生机械波，然后机械波又会在压电层通过压电效应返回电磁信号(第二电磁信号)，该第二电磁信号可通过天线发射出去，在外部设备捕捉到第二电磁信号后可根据温度-频率系数测得待测环境的温度。
基于上述原理，本发明实施例2提供的温度传感器包括实施例1提供的声表面波谐振器，所述温度传感器还包括电磁信号发射模块、电磁信号接收模块和信号处理模块；电磁信号发射模块、电磁信号接收模块均与所述声表面波谐振器无线连接，电磁信号接收模块与信号处理模块连接。电磁信号发射模块用于向所述声表面波谐振器发射第一电磁信号；电磁信号接收模块用于接收由所述声表面波谐振器感应生成的第二电磁信号；信号处理模块用于对所述第二电磁信号进行处理，获得第二电磁信号的谐振频率，并根据谐振频率及声表面波谐振器的温度-频率系数，计算待测环境的温度。
本发明实施例中的声表面波谐振器的温度-频率系数可通过实验校准的方式确定，具体为，采用环境温度检测的标准工具，检测至少两个环境温度，并对应的确定声表面波谐振器返回的第二电磁信号中的谐振频率，根据两个所述环境温度及其对应的谐振频率，利用计算待测环境的温度的公式计算声表面波谐振器的温度-频率系数。
其中，计算待测环境的温度的公式为：
Figure BDA0003792459570000061
其中，TCF为声表面波谐振器的温度-频率系数，T0为参考温度，通常为环境温度，取值为25℃，f0为参考温度对应的参考谐振频率，T1为待测环境的温度，f1为第二电磁信号的谐振频率。
在计算声表面波谐振器的温度-频率系数时，可将上述公式中的T0取值为上述的环境温度之一，f0为该环境温度下第二电磁信号的谐振频率。T1取值为上述的另一环境温度，f1为在该环境温度下第二电磁信号的谐振频率，这样即可计算出TCF的具体取值。
实施例3
本发明实施例3提供一种温度检测方法，所述方法基于实施例1提供的声表面波谐振器，所述方法包括如下步骤：
将所述声表面波谐振器设置于待测环境中。
向所述声表面波谐振器发射第一电磁信号。
接收所述声表面波谐振器返回的第二电磁信号。
对所述第二电磁信号进行处理，获得第二电磁信号的谐振频率。
根据所述谐振频率及声表面波谐振器的温度-频率系数，计算待测环境的温度。
其中，所述根据所述谐振频率及声表面波谐振器的温度-频率系数，计算待测环境的温度，具体包括：
根据所述谐振频率及声表面波谐振器的温度-频率系数，求解公式
Figure BDA0003792459570000062
Figure BDA0003792459570000063
得到待测环境的温度；
其中，TCF为声表面波谐振器的温度-频率系数，T0为参考温度，f0为参考温度对应的参考谐振频率，T1为待测环境的温度，f1为第二电磁信号的谐振频率。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明通过增加温度-频率系数较大的温度敏感层，以提升声表面波谐振器整体的温度-频率系数，克服了现有的声表面波谐振器的检测精度(取决于声表面波谐振器整体的温度-频率系数)，受到压电层的温度-频率系数的限制的技术缺陷，进一步提高了声表面波谐振器的温度检测精度。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种基于多层结构的声表面波谐振器，其特征在于，所述声表面波谐振器包括从下到上依次设置的压电层、电极层和温度敏感层；所述温度敏感层的温度-频率系数大于所述压电层的温度-频率系数。
2.根据权利要求1所述的基于多层结构的声表面波谐振器，其特征在于，所述温度敏感层的材料为铌酸锂、钽酸锂或氮化铝。
3.根据权利要求1所述的基于多层结构的声表面波谐振器，其特征在于，所述电极层包括换能器、换能器两侧对称设置的反射栅、及分别与所述换能器的两个电极对应连接的两个天线。
4.根据权利要求3所述的基于多层结构的声表面波谐振器，其特征在于，所述换能器为叉指换能器。
5.根据权利要求1、3和4中任一项所述的基于多层结构的声表面波谐振器，其特征在于，所述电极层的材料为金属材料。
6.根据权利要求1所述的基于多层结构的声表面波谐振器，其特征在于，所述压电层的材料为石英。
7.一种温度传感器，其特征在于，所述温度传感器包括权利要求1-6任一项所述的声表面波谐振器，所述温度传感器还包括电磁信号发射模块、电磁信号接收模块和信号处理模块；
所述电磁信号发射模块和所述电磁信号接收模块均与所述声表面波谐振器无线连接；
所述电磁信号接收模块与所述信号处理模块连接；
所述电磁信号发射模块用于向所述声表面波谐振器发射第一电磁信号；
电磁信号接收模块用于接收所述声表面波谐振器返回的第二电磁信号；
所述信号处理模块用于对所述第二电磁信号进行处理，获得第二电磁信号的谐振频率，并根据谐振频率及声表面波谐振器的温度-频率系数，计算待测环境的温度。
8.根据权利要求7所述的温度传感器，其特征在于，计算待测环境的温度的公式为：
Figure FDA0003792459560000021
其中，TCF为声表面波谐振器的温度-频率系数，T0为参考温度，f0为参考温度对应的参考谐振频率，T1为待测环境的温度，f1为第二电磁信号的谐振频率。
9.一种温度检测方法，其特征在于，所述方法基于权利要求1-6任一项所述的声表面波谐振器，所述方法包括如下步骤：
将所述声表面波谐振器设置于待测环境中；
向所述声表面波谐振器发射第一电磁信号；
接收所述声表面波谐振器返回的第二电磁信号；
对所述第二电磁信号进行处理，获得第二电磁信号的谐振频率；
根据所述谐振频率及声表面波谐振器的温度-频率系数，计算待测环境的温度。
10.根据权利要求9所述的温度检测方法，其特征在于，所述根据所述谐振频率及声表面波谐振器的温度-频率系数，计算待测环境的温度，具体包括：
根据所述谐振频率及声表面波谐振器的温度-频率系数，求解公式
Figure FDA0003792459560000022
Figure FDA0003792459560000023
得到待测环境的温度；
其中，TCF为声表面波谐振器的温度-频率系数，T0为参考温度，f0为参考温度对应的参考谐振频率，T1为待测环境的温度，f1为第二电磁信号的谐振频率。
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