基于SAW器件的微间隙压力监测传感器*

王 俊,李媛媛*,卢文科

(1.上海工程技术大学电子电气工程学院,上海 201620;2.东华大学信息科学与技术学院,上海 201620)



基于SAW器件的微间隙压力监测传感器*

王 俊1,李媛媛1*,卢文科2

(1.上海工程技术大学电子电气工程学院,上海 201620;2.东华大学信息科学与技术学院,上海 201620)

声表面波SAW(Surface Acoustic Wave)器件能进行无源无线通信,为微间隙等特殊环境下物理量的测量提供了新的解决思路。研究设计了一种基于声表面波延迟线的接触应力传感器。围绕微间隙环境,研究了声表面波器件的结构类型,并确定压力监测的技术方案;根据设计原理,设计一种新型声表面波传感器,并利用有限元分析法对压电基片进行应力仿真;将设计出的传感器进行实验测试并提出温度补偿。通过对声表面波传感器设计的探究,验证了利用声表面波传感器实现微间隙压力监测的可行性。

声表面波;无源无线;微间隙;有限元分析;应力仿真

接触压力的理论和试验研究一直是工程和力学的热门课题,对于处在两个金属或者非金属物体及若干局部弹性介质的微间隙(厚度在1 mm～5 mm)的物体来说,实时监测其表面压力是极其重要的。目前,应用于接触压力测量的传感器大致可分为压阻式、电容式、电感式、光学式等[1],然而它们需要电源供电且基于有线方式工作[2]。对于微间隙中接触压力监测来说,有源有线的工作方式显得并不方便,而以无源无线[3]方式工作的声表面波SAW(Surface Acoustic Wave,)技术[4-6],给微间隙等极端环境中物理量的测量提供了新的思路。

声表面波最初是在研究地震波时被发现的,但是直到20世纪80年代,随着对声表面波性质认识和外界因素对其影响特性研究的深入,声表面波才被用来制作各种各样的传感器。由于声表面波传感技术符合信号系统数字化、高精度等要求,因此其发展得到了很大的重视。尤其是在欧美、日本等发达国家,声表面波技术已经较为成熟,制作出的SAW器件尺寸小、灵敏度高、重复性好[7-8]。2010年,Muntwyler S提出基于三维的声表面波器件的设计,Kim Y C研究了双轴微力传感器,Singh K J[9]等人研究了提高器件敏感性的方法。2013年,张国伟[10]提出了能够提高测量精度的基于LGS的SAW谐振型微压力传感器。2014年,李媛媛[11]提出在声表面波式微力传感器的设计,在提升传感器灵敏度等方面做了大量的工作。通过前期的研究对比发现,SAW器件能够通过微加工工艺[12-13],制作方便,并能够满足要求,本文设计一种新型结构的传感器,为实现无源无线通信,所以选择SAW传感[14]技术方案来监测微间隙接触压力。

1 微间隙接触压力监测的SAW传感技术方案

微间隙中接触压力存在于物体A和物体B是两个金属或非金属物体形成一个间距d(1 mm～5 mm)的曲面间隙,如图1所示。

图1 微间隙接触压力示意图

为实现微间隙接触压力的测量,本文设计微间隙压力监测系统,该系统包括传感器端和查询端,如图2所示。传感器端负责接收查询端的激励信号并发射经过被测接触压力调制的信号。查询端的主要作用是产生传感器端的激励信号和接收并处理传感器端传回的信号。

图2 微间隙压力监测系统

2 SAW微力传感器的设计

2.1 SAW基片设计

SAW器件常使用的基片材料有石英、铌酸锂、钽酸锂等[15]。由表1,可以看出铌酸锂具有较好的机电耦合系数,压电系数大,声衰较小,化学稳定性好,机械品质因数高等特性,是制备SAW压电基片的首选材料。

图3是SAW基片尺寸图。其中L为本设计基片长度,分别有21 mm、25 mm和29 mm,宽0.5 mm,厚0.1 mm,L1和L2是叉指换能器IDT(Interdigital Transducers,)与基片的距离。

图3 SAW基片尺寸图

材料切向V/(m/s)K2/%温度系数/(10-6/C)传播损耗/(dB/cm(MHz))石英Y-X42.75°Y-X315931570.220.16-2400.82(100)0.95铌酸锂Y-Z131°Y-X41.5°Y-X128°Y-X348540040039604.35.55.55.5-85-75-72-740.31(1000)0.26(1000)1.05(1000)钽酸锂Y-ZX-112°Y63.6°Y-X166.5°Y-X32303295360033700.740.647.81.54-37-180500.35(10000)

本文设计了一种双层结构的SAW微力传感器,如图4所示。其特征在于,包括两块压电材料基片、两块压电材料垫片和两组叉指换能器,该传感器能够实现双面压力的监测。

图4 SAW传感器

2.2 IDT的设计

叉指换能器的脉冲响应的包络与叉指换能器指条重叠的包络是完全相同的[16],并且知道指条相等重叠、均匀周期的叉指换能器的脉冲响应的数学模型[17]为:

h(t)=Aej2πf0t

式中:f0是IDT的中心频率。

若IDT指条相等重叠,所以式中的A为常数,如指条不相等重叠,A为一个随时间变化的函数,即A(t)。给定A(t)=e-t2/2,本文设计的小波式IDT脉冲响应数学模型[18]为:

h(t)=e-t2/2ej2πf0t

式中:e-t2/2ej2πf0t是Morlet小波。

本次设计了Moret小波式发射IDT及均匀接收IDT,如图5,IDT的参数a=b=20 μm。

图5 小波式发射IDT和接收IDT的示意图

图6 20 gn载荷下21 mm基片的位移云图

3 有限元仿真

为提升传感器灵敏度、线性度等方面的性能,我们需要对IDT在基片上的位置进行仿真分析与优化。本文利用ANSYS软件,对铌酸锂压电基片进行仿真,最终确定IDT在压电基片上的最佳位置。

具体仿真过程如下:①打开ANSYS14.0软件,选择固体仿真,并在材料中构建铌酸锂的弹性刚度矩阵。②创建模型。③模型分割成稳定的六面体。④Mesh划分网格单元。⑤添加自由约束、施加载荷。⑥模型求解,输出仿真结果,图6～图8以0.2 N受力为例。

图7 20 gn载荷下25 mm基片的应力云图

图8 20 gn载荷下29 mm基片的应变云图

经仿真后得出,对于同一规格的基片,从0 g到20 g之间施加压力且每1 g递增,通过位移、应力、应变云图,得出基片的最稳定区域,并最终确定双端IDT距离的参数。

表2 基片长度与双端IDT位置 单位:mm

4 传感器测试

在前期研究与设计的基础上,制作不同尺寸的传感器,并将其与网络分析仪连接,进行测试,见图9和图10。硬件设备的测试环境并不复杂,在实验室的实验台上即可操作。实验步骤简单且可重复进行,需要使用人员细心操作实验。

图9 25 mm基片内部构造

图10 网络分析仪连接

在实验室中,不同长度的传感器分别使用 0～20 g的砝码,在基片面上根据不同的微力使用不同的砝码值进行测量,并记录数据。

图11 21 mm基片的测试结果

图12 25 mm基片的测试结果

图13 29 mm基片的测试结果

由于频率在测量过程中波动较大,需要稳定一段时间后读取数据,测得的数据越多,通过计算得到的频率压力转换公式就会越精确。利用网络分析仪E5061A,在不同微力作用下测得频率信号,重复多次测试,选择比较稳定的数据。

根据测量数据,利用最小二乘法和MATLAB求解,绘制声表面波压力传感器频率与压力的多项式拟合曲线,结果如图14,红色小圆圈表示的是频率实验值与压力实验值之间的关系,而蓝色线段表示的是频率实验值与压力拟合值之间的关系。从所有实验数据选择最好一组数据进行曲线拟合,小圆圈分布在线段的周围,即多项式得到了较好的拟合曲线。

表3 频率与压力的实验数据表

图14 SAW 微力传感器的频率与压力的关系图

5 温度补偿

由于本文所述新型声表面波压力传感器压电基片采用了铌酸锂材料,为了保证测量结果的准确性,需对其进行温度补偿。传感器温度补偿釆用了制作一块完全相同的参考器件和原测量器件并列安置,釆用了输出差频的方式来消除温度、湿度和噪音等环境干扰,如图15所示。

图15 SAW微力传感器温度补偿示意图

设传感器的SAW感应器件输出频率为F1,则

F1=F01+ΔF+β1(T2-T1)=F01+ΔF+β1ΔT

式中:T1是初始温度;T2是变化后温度;ΔT是环境温度的变化量;β1是SAW感应器件的温度系数;β1ΔT是SAW感应器件的频率漂移;F01是感应器件在温度T1下不加载微压力时输出的初始频率。

传感器声表面波参考器件的输出频率F2为

F2=F02+β2ΔT

式中:F02是参考器件在温度T2下不加载压力时输出的初始频率;β2是参考器件的温度系数。

当SAW感应器件和参考器件的输出频率F1和F2经混频器后,通过低通滤波器输出差频ΔT,即

ΔT=F1-F2=F01-F02+ΔF+(β1+β2)ΔT

当传感器感应器件和参考器件的温度系数β1和β2相等时,传感器的输出差频只与外界温度变化ΔT相关,那么参考器件可以完全补偿温度对感应器件带来的影响。

6 结束语

本文设计了一种新型传感器,用于微间隙接触压力监测,阐述了声表面波微力传感器的设计流程,确定了其测量范围为0～20 g微压力。为了抑制其输入输出频率曲线的旁瓣,设计中对输入叉指换能器进行了Morlet小波函数的加权,最后对其温度漂移进行了补偿。

该传感器的优势:一方面,中空部分两面呈开放式,工艺加工导线引出线可以保证精确,进而提升测量精度。另一方面,两侧基片均设置传感器电路,可实现两面压力的测量。经过实验证明,该设计的理论值与实验结果具有较好的一致性。这对于实现微间隙接触压力的监测具有非常重要的意义,其不仅可以指导外界的相关操作,同时也可以对一些相关理论研究模型做出结论。

[1] 付陆元. 金属狭缝中作用力监测信号的无线传输研究[D]. 北京:电子科技大学,2013.

[2] 佟建华. 压电双晶梁在微电机及微力传感器上的应用研究[D]. 大连:大连理工大学,2005.

[3] Boquan Liu,Tao Han,Chengrui Zhang. Error Correction Method for Passive and Wireless Resonant SAW Temperature Sensor[J]. IEEE Sensors Journal,2015,15(6):3608-3614.

[4] Lu Wenke,Zhu Changchun. Implementing Wavelet Transform with SAW Elements[J]. Science in China,2003,46(6):627-638.

[5] 魏培永,朱长纯,刘君华. 用声表面波器件实现小波变换[J]. 压电与声光,2001,23(3):394-397.

[6] 李天利,郑亮. 基于延迟线理论的新型无源声表面波传感器研究[J]. 传感技术学报,2008,21(5):757-760.

[7] Lin S,Peng B,Cui Y,et al. Effects of AlN Coating Layer on High Temperature Characteristics of Langasite SAW Sensors[J]. Sensors,2016,16(9):1436.

[8] Rakshit S,Iliadis A. A Novel Closed-Loop Readout Topology for Monolithically Integrated Surface Acoustic Wave Sensors[J]. IEEE Sensors Journal,2013,13(13):4264-4270.

[9] Singh K J,Elmazria O,Sarry F,et al. Enhanced Zensitivity of Saw-Based Pirani Vacuum Pressure Sensor[J]. IEEE Sensors Journal,2011,11(6):1458-1464.

[10] 张国伟. 基于LGS的声表面波压力传感器研究[D]. 上海:上海交通大学,2013.

[11] Yuanyuan Li,Wenke Lu,Changchun Zhu,et al. Finite Element Analysis of Surface Acoustic Wave Based on Micro Force Sensor[J]. Measurement,2014(11):112-119.

[12] 武少南,卢文科. 声表面波微力传感器的研究[J]. 仪表技术,2014(7):52-54.

[13] 薛齐齐,孙崇波,孙毅. YX128°-LiNbO3SAW传感器IDT的有限元仿真[J]. 哈尔滨工业大学学报,2010,42(3):364-367.

[14] 文常保,党双欢,朱博,等. 基于WIFI的无线声表面波传感器信号采集系统[J]. 传感技术学报,2015,28(10):1552-1557.

[15] 何鹏举,戴冠中,陈明,等. 谐振式SAW压力传感器敏感元件研究与设计[J]. 传感技术学报,2006,19(2):374-378.

[16] 刘清洪. 较窄带170 MHz SAW滤波器研制[J]. 火控雷达技术,1990(3):23-25.

[17] 武以立. 声表面波原理及其在电子技术中的应用[M]. 北京:国防工业出版社,1983:45-53.

[18] 汤仁民. 基于小波的叉指换能器(IDT)结构算法研究[D]. 贵阳:贵州大学,2015.

SAW Sensors for Monitoring Pressure in Micro-GaTP*

WANG Jun1,LI Yuanyuan1*,LU Wenke2

(1.School of Electrical and Electronic Engineering,Shanghai University of Engineering Science,Shanghai 201620,China;2.Electronics and Information Engineering,Donghua University,Shanghai 201620,China)

Surface acoustic wave(SAW)device can be used for passive wireless communication,which provides a new solution for measurement of physical quantity under special environment such as micro-gaTP. A contact stress sensor based on surface acoustic wave delay line is designed. The structure of SAW device is studied,and the sensing scheme of measuring pressure is discussed. According to the design principle,we design a new type of SAW sensors,and stress simulations of piezoelectric substrate are presented by using finite element analysis method. Then the sensors are tested and temperature compensation of SAW sensors is proposed. By exploring the design of SAW sensors,results show that feasibility of measuring pressure in micro-gaTP based on SAW is verified.

SAW;passive wireless;micro-gaTP;finite element analysis;stress simulations

王 俊(1993-),女,硕士研究生,主要研究方向为智能传感器,wangjuncarol@163.com;

李媛媛(1979-),女,副教授,博士,主要从事智能控制、声表面波式传感器的设计及检测、小波变换及其应用等方向研究,liyuanyuanedu@163.com;

卢文科(1962-),男,教授,博士,主要从事声表面波、静磁波、小波变换、传感器理论及技术的研究,luwenke3@163.com。

项目来源:上海工程技术大学研究生科研创新项目(E3-0903-16-01182);16KY0212柔性阵列式声表面波微力传感器的研究项目;国家自然科学基金项目(61274078);多尺度声表面波式指条面积加权的小波变换处理器及小波反变换处理器的研究项目;中国纺织工业联合会的“纺织之光”应用基础研究项目(J201608);用声表面波器件实现纱线张力传感器的研究项目

2016-10-26 修改日期:2017-01-05

TP 212.6

A

1004-1699(2017)05-0660-07

C:7230

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.05.005