高灵敏度声表面波压力传感器研究

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压力传感器一直是工业实践中最常用的几类传感器之一,声表面波(SAW)压力传感器作为一种新型传感器,以其体积小、成本低、稳定性高、抗电磁干扰、可无线无源工作等特点被广泛关注。SAW压力传感器是由于外界压力引起基片表面产生形变,导致基片的材料参数,比如弹性常数,压电应力常数,介电常数等,发生改变,引起SAW传播速度变化。通过检测SAW谐振器谐振频率的变化,来反映外界压力变化,是以频率作为传感器的输出量。目前对SAW压力传感器的研究主要以石英晶片为主,从理论到实验已有较为完备的研究体系,然而大部分研究关注在压力传感器本身压力响应,或者抑制温度响应,少有完整的传感器灵敏度优化方法。针对传感器灵敏度,通过有限元与微扰理论结合的方法分析研究。通过优化结构、温度/压力同时解耦、选择基片切向等方法,提高其压力灵敏度。搭建实验测试平台,对所研制的传感器响应进行测试评价。同时为进一步提高传感器灵敏度,对声表面横波(STW)压力传感器开展研究。  首先建立SAW压力传感器的灵敏度分析理论。由于文献中基片的材料常数一般基于晶轴坐标系,需要通过欧拉转换将其转换到计算坐标系统。建立压电基片中压力扰动前的波动方程。通过搜索有效介电常数方法,求解扰动前SAW声场。压力扰动改变了基片材料的材料常数,建立压力扰动下的波动方程。通过微扰理论分析,计算传感器谐振频率变化。利用有限元方法进行器件结构仿真,结合微扰理论,对复杂结构的SAW压力传感器进行仿真分析。同时对材料的温度灵敏度进行分析,以同时测量外界的温度和压力。  利用上述建立的仿真方法,对传感器的结构、基片切向进行了优化。对ST切向的薄板结构和点压式结构灵敏度进行比较,点压式结构具有更好的压力灵敏度。优化点压式封装结构,分析SAW谐振器摆放位置、上盖材料厚度以及基片凹槽宽度对传感器灵敏度影响。另外对传感器芯片切向进行搜索,为减小温度干扰,同时测量温度,对温度传感器传播方向进行优化选择。  设计并制作上述传感器,并搭建实验平台对其进行测试。设计制作传感器版图,通过光刻技术制作传感器芯片。制作测试夹具,利用网络分析仪、高低温箱等搭建温度/压力测试系统。提出温度/压力同时解耦方法,对传感器温度/压力灵敏度进行测试,对研制的传感器进行评价。  此外为了进一步提高压力灵敏度,对声表面横波(STW)压力传感器开展研究。建立STW声场的有限元分析方法,通过搜索其等效导纳,得到代表STW的谐振点,从而提取STW的声场,将这一声场分布与前面的分析理论结合,得到STW压力传感器的灵敏度。同时,制作相应的STW传感器进行测试评价。  本文从敏感结构、基片切向、传播波型这三个方面对SAW压力传感器灵敏度进行优化。构建有限元和微扰理论结合的分析方法,对传感器结构进行分析。为同时进行温度和压力测量,提出了一种温度/压力同时解耦方法。对传感器芯片切向进行搜索选择,综合考虑压力和温度灵敏度及线性度。为进一步提高压力灵敏度,建立STW压力传感器灵敏度分析方法,对其进行测试。理论和实验结果表明,本文设计制作的声表面波压力传感器具有较好的压敏特性和温度特性,为改善SAW压力传感器研究奠定了基础。
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