一种高灵敏度的桥型声表面波应变传感器*

为了提高声表面波传感器应变灵敏度,该文提出了一种桥型声表面波应变传感器。首先根据受压弯曲构件中应变分布特点设计了桥型声表面波应变传感器,并建立有限元模型,结合微扰法分析了桥型结构几何参数与声表面波应变传感器灵敏度的关系。根据分析结果确定桥型声表面波应变传感器几何结构参数,并与传统声表面波应变传感器的应变灵敏度进行了对比研究,在此基础上搭建受压弯曲微动平台开展实验研究,结果表明:在直梁构件受压弯曲应变测量时,Y34°切向的桥型声表面波应变传感器的应变灵敏度为1692 Hz/με,传统声表面波传感器应变灵敏度为1328 Hz/με,桥型声表面波应变传感器的应变灵敏度较传统声表面波应变传感器有明显提高。     

硅酸镓镧声表面波传感器的压力温度多参数解耦分析

针对硅酸镓镧声表面波压力传感器,提出了一种温度和压力的多参数解耦方法。理论上采用有限元方法与微扰理论结合,计算传感器在不同温度、压力下频率响应。根据计算结果,构造出传感器温度与压力的解耦公式。以一种基于LGS(0°,0°,100°)点压力式SAW传感器为例,理论计算得到其温度与压力解耦公式的具体参数,同时与在-55℃-125℃,0-1 MPa范围内的实验测试结果对比。理论分析和实验测试结果基本吻合,验证了温度压力多参量解耦方法的正确性。      

热声转换的声表面波电压传感机制

提出了一种基于热声转换的高灵敏声表面波(SAW)电压传感机制并开展实验验证。从传热角度以及微扰理论出发建立了基于热声转换机制的SAW电压传感理论模型,探索了结构参数以及环境因素对SAW电压传感器灵敏度的影响规律。为了验证理论模型,在Y切石英基底上同芯片集成设计MEMS微型加热器与200 MHz声表面波器件以制备SAW电压传感器件,并搭建电压测试平台对传感器件开展性能测试。实验结果表明所制备的SAW传感器件电压与频率响应之间具有二次线性关系且在室温(20℃)下具有与理论相近的电压灵敏度(22.4 kHz/V),此外实验获得的环境温度对电压灵敏度的影响规律与理论相符。基于热声转换机制的SAW电压传感器能够显著的提高电压检测灵敏度。     

宽温度范围SAW应变传感器温度与应变解耦研究*

针对宽温度范围应变测量的温度干扰问题,提出并研究了基于双谐振器的声表面波应变传感器。理论上,结合微扰理论、有限元方法、有效介电常数法分析出双谐振器频率与应变、温度的关系公式,进而推导出应变与温度关于这两组谐振器频率变化的表达式。实验上,搭建宽温度范围的实验平台,在Y+34?切向的石英基片上制作该传感器芯片,测得传感器芯片在30?C～180?C下的频率响应,将测得的谐振器频率代入表达式计算得到温度与应变值,与实验中参考温度与应变的值基本吻合。     

乐甫波结冰状态监测的响应机理分析

提出了将冰层进行多孔介质等效方法,对冰层、液体/波导层/压电基底多层乐甫(Love)波导结构建立分层介质模型,利用部分波理论和边界条件精确推导,分析不同状态下的传感响应,求解结冰过程Love波速度及声波衰减的变化,获得结冰过程中的声学传感机制。为了验证理论分析,实验制作了200 MHz的36°LiTaO₃/SiO₂波导结构的Love波器件,并构建模拟环境的试验系统对研制器件进行了实验测试。实验结果表明,利用Love波的工作频率以及插入损耗瞬变这一特征可以实现对结冰状态的准确监测。      

声表面横波压力传感器的电极质量负载效应分析方法

针对声表面横波(Surface Transverse Wave,STW)压力传感器,提出了一种考虑叉指电极质量负载的有限元和微扰理论结合分析方法。首先构建包含叉指电极的有限元模型,通过计算电极表面的面电荷得到器件的等效输入导纳,由导纳谐振点处提取STW传播声场,然后根据微扰理论,由STW传播声场以及压力引起的传感器结构的应力应变,得到包含电极质量负载影响的STW传感器的灵敏度。以一种基于ST-90°X石英材料的点压式STW压力传感器为例进行了理论计算,电极厚度为0.17 μm和0.21 μm时,计算灵敏度分别为-54.9 kHz/bar和-21.7 kHz/bar,说明电极质量负载对于传感器有较大影响。制作电极厚度为0.17 μm的传感器进行测试,得到-57 kHz/bar的压力灵敏度,实验结果和理论结果吻合,证明计算方法的有效性。