CN115436686A - 一种延迟线型声表面波电压传感器及电压检测方法 - Google Patents

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Abstract

本申请提供了一种延迟线型声表面波电压传感器及电压检测方法。所述电压传感器包括：压电晶体；第一叉指电极；第二叉指电极；敏感薄膜；线圈。本申请所设计的延迟线型声表面波电压传感器通过线圈将待测电压信号所产生的磁场作用于敏感薄膜，诱导敏感薄膜产生磁阻或者磁致伸缩效应，并作用于声表面波，从而利用电‑磁‑声之间的转换机制，可以从声表面波的频率/相位/幅度等信息中解耦出电压信息，本申请所设计的延迟线型声表面波电压传感器具有微型、快速响应以及高灵敏度的特点。

Description

一种延迟线型声表面波电压传感器及电压检测方法
技术领域
本发明涉及电压传感器技术领域，特别涉及一种延迟线型声表面波电压传感器及电压检测方法。
背景技术
电压传感器在自动检测、可再生能源系统、交通等领域应用广泛，目前常见的电压传感器检测原理包括D-dot原理、电致发光效应、泄漏电流测量原理、空间电场效应分压原理、杂散电容分压原理以及常用的电压互感器电压测量等原理。常用的电容电阻分压以及阻容分压的方式，由于杂散电容以及温度对分压造成影响，导致精度以及暂态性较差。空间电场分压原理以及杂散电容分压原理具有精度差的问题。基于泄漏电流测量电压的方法，由于其泄漏电流很小，对电流传感器的精度要求较高，同时易受信号处理电路噪声的影响，难以保证精确度。基于D-dot原理的电压传感器具有较小的体积，不会出现磁饱和的问题，但是其导线产生的电场分布容易受到环境因素的影响，进而长期稳定性得不到保证。基于电致发光原理的电压传感器具有体积小、质量轻、结构简单的优点，但是其测量误差、灵敏度、测量范围以及对电致发光材料的物化特性要求高，导致难以实用化。
1983年Joshi提出声表面波电压传感器，其基本原理是在声传播路径上施加偏置电场，进而影响声表面波传播特性，从频率变化中解耦出电压信号，然而这种方法灵敏度较低，频率电压系数约1.22ppm/V。
目前电压传感器体积大、响应速度慢以及灵敏度低的问题。
发明内容
本申请的目的在于解决现有技术存在的缺陷。
本申请提供了一种具有微型、高灵敏度且快速响应特点的延迟线型声表面波电压传感器及电压检测方法。
第一方面，本申请提供了一种延迟线型声表面波电压传感器，包括：压电晶体；第一叉指电极，沉积于所述压电晶体表面，用于激发声表面波；第二叉指电极，沉积于所述压电晶体表面，用于接收经压电晶体传播的声表面波；敏感薄膜，沉积于所述压电晶体表面且位于所述第一叉指电极、第二叉指电极之间；线圈，用于接收待测电压信号，并激发待测电压信号对应的磁场；其中，在所述待测电压信号对应的磁场作用下，所述敏感薄膜产生磁阻变化或者磁致伸缩变化，进而影响经过压电晶体传播的声表面波；根据第二叉指电极接收的经压电晶体传播的所述声表面波，得到所述待测电压信号的电压信息。
在一个可行的实施例中，所述电压传感器，还包括：检测电压正极端子，用于输入所述待测电压信号，位于所述线圈的一端，并沉积于所述压电晶体表面；检测电压负极端子，用于输出所述待测电压信号，位于所述线圈的另一端，并沉积于所述压电晶体表面。
在一个可行的实施例中，所述电压传感器，还包括：所述第一叉指电极、第二叉指电极分别位于以所述敏感薄膜对称分布的对侧；和/或所述线圈位于所述第一叉指电极、第二叉指电极的内侧、和/或者外侧，并沉积于所述压电晶体表面。
在一个可行的实施例中，所述敏感薄膜，包括：按性能分类，敏感薄膜可以是具有磁阻效应的敏感薄膜、或者具有磁致伸缩效应的敏感薄膜中的一种或多种；或者按材质分类，敏感薄膜可以是金属镍薄膜、含镍合金薄膜、铽镝铁合金薄膜、铁镓合金薄膜、铁钴合金薄膜中的一种或多种；或者按图形化设计分类，敏感薄膜可以是圆形敏感薄膜、方形敏感薄膜、点状敏感薄膜、块状敏感薄膜、栅状敏感薄膜中的一种或多种。
在一个可行的实施例中，所述线圈，包括：匝数在1～1000之间，宽度在1nm～1cm之间，厚度在1nm～1cm之间的线圈；或者材料为金属铝、铂、金、铜、钯等金属材料中的一种或多种，或者铁铝、铁铂、钯铜、铁镍、铝铜等合金材料中的一种或多种，或者硅、锗、砷化镓等半导体材料中的一种或多种的线圈；或者材料为多层合金薄膜结构，如铬/铝双层薄膜结构的线圈；或者为了增加线圈与压电晶体之间得粘附性，在压电晶体与线圈之间增加金属，如铬、钽等，形成的多层复合薄膜线圈；或者在压电晶体表面以敏感薄膜为圆心，向第一叉指换能器、第二叉指换能器以及敏感薄膜所在区域外围基于半导体平面工艺环绕沉积的线圈。
在一个可行的实施例中，所述压电晶体，包括：压电晶体可以是铌酸锂、钽酸锂、石英、硅酸镓镧中的一种或多种。
在一个可行的实施例中，所述第一叉指电极，所述第二叉指电极，包括：第一叉指电极可以是均匀指结构或者SPUDTs结构中的一种或多种，第二叉指电极可以是均匀指结构或者SPUDTs结构中的一种或多种；或者第一叉指电极的材料可以是金属铝、铂、铜中的一种或多种，第二叉指电极的材料可以是金属铝、铂、铜中的一种或多种。
在一个可行的实施例中，所述电压传感器，还包括：所述电压传感器的工作器件的工作频率在80MHz～2.4GHz，所述工作器件包括所述第一叉指电极、所述压电晶体、所述线圈、所述敏感薄膜、所述第二叉指电极。
第二方面，本申请提供了一种基于所述电压传感器的电压检测方法，包括：线圈接收待测电压信号，并激发待测电压信号对应的磁场；在所述待测电压信号对应的磁场作用下，敏感薄膜产生磁阻变化或者磁致伸缩变化；第一叉指电极激发声表面波，传递经过压电晶体和产生磁阻变化或者磁致伸缩变化的所述敏感薄膜，并被第二叉指电极接收；对第二叉指电极接收的所述声表面波进行分析，得到所述待测电压信号的电压信息。
在一个可行的实施例中，所述对第二叉指电极接收的所述声表面波进行分析，得到所述待测电压信号的电压信息，包括：对第二叉指电极接收的所述声表面波的频率变化、相位变化、幅度变化中的一种或者多种信号进行分析，解耦得到所述待测电压信号的电压信息。
本申请提供了一种延迟线型声表面波电压传感器及电压检测方法。所述电压传感器包括：压电晶体；第一叉指电极；第二叉指电极；敏感薄膜；线圈。所述电压检测方法包括：线圈接收待测电压信号，并激发对应的磁场；在磁场作用下，敏感薄膜产生磁阻变化或者磁致伸缩变化；第一叉指电极激发声表面波，传递经过压电晶体和所述敏感薄膜，并被第二叉指电极接收；对第二叉指电极接收的所述声表面波进行分析，得到所述待测电压信号的电压信息。
本申请所设计的延迟线型声表面波电压传感器通过线圈将待测电压信号所产生的磁场作用于敏感薄膜，诱导敏感薄膜产生磁阻或者磁致伸缩效应，并作用于声表面波，从而利用电-磁-声之间的转换机制，可以从声表面波的频率/相位/幅度等信息中解耦出电压信息，本申请所设计的延迟线型声表面波电压传感器具有微型、快速响应以及高灵敏度的特点。
附图说明
图1为本发明实施例的一种延迟线型声表面波电压传感器的结构示意图；
图2为本发明实施例的一种电压检测方法的流程示意图；
图3为本发明实施例的一种延迟线型声表面波电压传感器的响应结果示意图；
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
检测电压正极端子-1，检测电压负极端子-2，敏感薄膜-3，第一叉指电极-4，第二叉指电极-5，线圈-6，压电晶体-7。
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。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。基于本发明中的实施例，本技术领域的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。
为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。
本发明实施例提出一种与前人研究均不同的新型声表面波电压传感器，一种延迟线型声表面波电压传感器，在输入输出叉指电极中间声传播路径上沉积具有磁阻或者磁致伸缩效应的敏感薄膜，通过在压电晶体表面沉积线圈，将检测电压通入线圈中，激发磁场，进而影响敏感薄膜特性，利用电-磁-声之间多物理场的转换机制，从声表面波的频率/相位变化中解耦出电压信息。本发明实施例的电压传感器，具有微型、快速响应以及高灵敏度的特点。
图1为本发明实施例的一种延迟线型声表面波电压传感器的结构示意图，如图1所所示，本发明实施例公开发明了一种延迟线型声表面波电压传感器，所述声表面波电压传感器包括压电晶体7、第一叉指电极4、第二叉指电极5、敏感薄膜3、线圈6、检测电压正极端子1以及检测电压负极端子2。在压电晶体7表面沉积敏感薄膜3，在第一叉指电极4、第二叉指电极5以及敏感薄膜3所在区域外围环绕沉积线圈6，也可以是在第一叉指电极4、第二叉指电极5内侧以及敏感薄膜3外侧的所在区域环绕沉积线圈6，也可以是在第一叉指电极4、第二叉指电极5内侧和外侧以及敏感薄膜3外侧的所在区域环绕沉积线圈6。
优选地，在线圈两端分别沉积检测电压正极端子以及检测电压负极端子。
优选地，所述敏感薄膜为磁敏薄膜，包括具有磁致伸缩效应以及磁阻效应的薄膜。优选地，敏感薄膜为金属镍、铁镓薄膜、铁钴薄膜、铽镝铁薄膜或者含镍合金薄膜。
优选地，所述的磁敏薄膜可以进行图形化设计，包括方形、点状、圆状、块状、栅状的一种或者几种形状的组合。
优选地，所述线圈在压电晶体表面以敏感薄膜为圆心，向输入叉指换能器、输出叉指换能器以及敏感薄膜所在区域外围基于半导体平面工艺环绕沉积。
优选地，所述线圈匝数在1～1000之间，宽度在1nm～1cm之间，厚度在1nm～1cm之间。优选地，线圈匝数选择10，宽度为100nm，厚度为120nm。
优选地，线圈材料可以选择金属铝、铂、金、铜、钯等金属材料；也可以钯铜、铁镍、铝铜等合金材料；也可以为硅、锗、砷化镓等半导体材料。
优选地，为了增加线圈与压电晶体之间得粘附性，在压电晶体与线圈之间增加金属，如铬、钽等，形成多层复合薄膜线圈。
优选地，压电晶体可以选择铌酸锂、钽酸锂、石英、硅酸镓镧等。
优选地，声表面波电压传感器工作频率在80MHz～2.4GHz之间。
优选地，在线圈内部沉积输入叉指电极以及输出叉指电极以敏感薄膜的相邻两侧、或者对称分布排列。
优选地，输入叉指电极与输出叉指电极可以选择均匀指或者SPUDTs结构。
优选地，第一叉指电极作为输入叉指电极、第二叉指电极作为输出叉指电极，指对数分别为100对，输入叉指电极与输出叉指电极间距100λ，孔径为100λ，λ为声表面波波长。
优选地，输入叉指电极以及输出叉指电极基于半导体平面工艺沉积在压电晶体表面，材料可以选择金属铝、铜、铂、金等材料，或者选择铝/铜等多层金属薄膜材料。
图2为本发明实施例的一种电压检测方法的流程示意图，如图2所述，本申请实施例提供了一种基于所述电压传感器的电压检测方法，包括：
步骤S110，线圈接收待测电压信号，并激发待测电压信号对应的磁场；
步骤S120，在所述待测电压信号对应的磁场作用下，敏感薄膜产生磁阻变化或者磁致伸缩变化；
步骤S130，第一叉指电极激发声表面波，传递经过压电晶体和产生磁阻变化或者磁致伸缩变化的所述敏感薄膜，并被第二叉指电极接收；
步骤S140，对第二叉指电极接收的所述声表面波进行分析，得到所述待测电压信号的电压信息。
在步骤S140中，所述对第二叉指电极接收的所述声表面波进行分析，得到所述待测电压信号的电压信息，包括：对第二叉指电极接收的所述声表面波的频率变化、相位变化、幅度变化中的一种或者多种信号进行分析，解耦得到所述待测电压信号的电压信息。
本发明实施例的一种延迟线型声表面波电压传感器的电压检测方法，通过在输入输出叉指电极中间声传播路径上沉积具有磁阻或者磁致伸缩效应的敏感薄膜，通过在压电晶体表面沉积线圈，将检测电压通入线圈中，激发磁场，进而影响所述敏感薄膜的特性，利用电-磁-声之间多物理场的转换机制，从声表面波的频率/相位变化中解耦出电压信息。本发明的电压传感器，具有微型、快速响应以及高灵敏度的特点。
实施例1
如图1所示，本发明实施例公开了一种延迟线型声表面波电压传感器，所述声表面波电压传感器包括压电晶体、输入叉指电极、输出叉指电极、敏感薄膜、线圈以及检测电压正极端子以及检测电压负极端子。
在Y切压电石英晶体表面采用磁控溅射法沉积长宽高分别为120λ×100λ×0.01λ的矩形铁镍合金薄膜，其中λ＝15.8um为声表面波波长。在铁镍薄膜长度方向的两侧距离1λ处分别沉积80对金属铝输入叉指电极以及80对金属铝输出叉指电极，输入叉指电极以及输出叉指电极均采用均匀指结构，输入以及输出叉指电极孔径大小为120λ，电极膜厚为
Figure BDA0003811221970000061
线圈以检测电压正极端子为起点，以铁镍合金薄膜中心为圆心，向以输入输出叉指电极以及铁镍合金薄膜所包围的区域外围环绕沉积10匝金属铝线圈，线圈另一端沉积检测电压负极端子，线圈宽度100nm，膜厚为
Figure BDA0003811221970000062
所述的检测电压正极端子以及检测电压负极端子采用金属铝，长宽分别为10λ×10λ，厚度为
Figure BDA0003811221970000063
如图3所示为所发明的声表面波电压传感器的响应结果示意图，从图中可知，在0～40V电压范围内，声表面波电压传感器具有快速响应(～1s)、高灵敏度(～1.2°/V)的特点.。
本发明未详细说明的内容均可采用本领域的常规技术知识。
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该理解，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。

Claims (10)

1.一种延迟线型声表面波电压传感器，其特征在于，包括：
压电晶体；
第一叉指电极，沉积于所述压电晶体表面，用于激发声表面波；
第二叉指电极，沉积于所述压电晶体表面，用于接收经压电晶体传播的声表面波；
敏感薄膜，沉积于所述压电晶体表面且位于所述第一叉指电极、第二叉指电极之间；
线圈，用于接收待测电压信号，并激发待测电压信号对应的磁场；
其中，在所述待测电压信号对应的磁场作用下，所述敏感薄膜产生磁阻变化或者磁致伸缩变化，进而影响经过压电晶体传播的声表面波；根据第二叉指电极接收的经压电晶体传播的所述声表面波，得到所述待测电压信号的电压信息。
2.根据权利要求1所述的电压传感器，其特征在于，还包括：
检测电压正极端子，用于输入所述待测电压信号，位于所述线圈的一端，并沉积于所述压电晶体表面；
检测电压负极端子，用于输出所述待测电压信号，位于所述线圈的另一端，并沉积于所述压电晶体表面。
3.根据权利要求1所述的电压传感器，其特征在于，还包括：
所述第一叉指电极、第二叉指电极分别位于以所述敏感薄膜对称分布的对侧；
和/或所述线圈位于所述第一叉指电极、第二叉指电极的内侧、和/或者外侧，并沉积于所述压电晶体表面。
4.根据权利要求1所述的电压传感器，其特征在于，所述敏感薄膜，包括：
按性能分类，敏感薄膜可以是具有磁阻效应的敏感薄膜、或者具有磁致伸缩效应的敏感薄膜中的一种或多种；
或者按材质分类，敏感薄膜可以是金属镍薄膜、含镍合金薄膜、铽镝铁合金薄膜、铁镓合金薄膜、铁钴合金薄膜中的一种或多种；
或者按图形化设计分类，敏感薄膜可以是圆形敏感薄膜、方形敏感薄膜、点状敏感薄膜、块状敏感薄膜、栅状敏感薄膜中的一种或多种。
5.根据权利要求1所述的电压传感器，其特征在于，所述线圈，包括：
匝数在1～1000之间，宽度在1nm～1cm之间，厚度在1nm～1cm之间的线圈；
或者材料为金属铝、铂、金、铜、钯等金属材料中的一种或多种，或者铁铝、铁铂、钯铜、铁镍、铝铜等合金材料中的一种或多种，或者硅、锗、砷化镓等半导体材料中的一种或多种的线圈；
或者材料为多层合金薄膜结构，如铬/铝双层薄膜结构的线圈；
或者为了增加线圈与压电晶体之间得粘附性，在压电晶体与线圈之间增加金属，如铬、钽等，形成的多层复合薄膜线圈；
或者在压电晶体表面以敏感薄膜为圆心，向第一叉指换能器、第二叉指换能器以及敏感薄膜所在区域外围基于半导体平面工艺环绕沉积的线圈。
6.根据权利要求1所述的电压传感器，其特征在于，所述压电晶体，包括：
压电晶体可以是铌酸锂、钽酸锂、石英、硅酸镓镧中的一种或多种。
7.根据权利要求1所述的电压传感器，其特征在于，所述第一叉指电极，所述第二叉指电极，包括：
第一叉指电极可以是均匀指结构或者SPUDTs结构中的一种或多种，第二叉指电极可以是均匀指结构或者SPUDTs结构中的一种或多种；
或者第一叉指电极的材料可以是金属铝、铂、铜中的一种或多种，第二叉指电极的材料可以是金属铝、铂、铜中的一种或多种。
8.根据权利要求1所述的电压传感器，其特征在于，还包括：
所述电压传感器的工作器件的工作频率在80MHz～2.4GHz，所述工作器件包括所述第一叉指电极、所述压电晶体、所述线圈、所述敏感薄膜、所述第二叉指电极。
9.一种基于如权利要求1所述的电压传感器的电压检测方法，其特征在于，包括：
线圈接收待测电压信号，并激发待测电压信号对应的磁场；
在所述待测电压信号对应的磁场作用下，敏感薄膜产生磁阻变化或者磁致伸缩变化；
第一叉指电极激发声表面波，传递经过压电晶体和产生磁阻变化或者磁致伸缩变化的所述敏感薄膜，并被第二叉指电极接收；
对第二叉指电极接收的所述声表面波进行分析，得到所述待测电压信号的电压信息。
10.根据权利要求9所述的电压检测方法，其特征在于，所述对第二叉指电极接收的所述声表面波进行分析，得到所述待测电压信号的电压信息，包括：
对第二叉指电极接收的所述声表面波的频率变化、相位变化、幅度变化中的一种或者多种信号进行分析，解耦得到所述待测电压信号的电压信息。
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