【摘 要】
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随着科学技术的发展,在航空航天、能源化工等工业领域对器件在高温环境下的压力安全监测愈加重视,高性能的高温压力传感器需求激增。目前,国内外已经研发出了多种基于不同机理的高温压力传感器,传统压力传感器已具有高稳定性和可靠性,但高灵敏度、无源无线的技术难点一直有待突破,声表面波传感器由于具有体积小、功率低、灵敏度高、可无源无线等优点,在高温压力传感器市场具有巨大前景。本文就声表面波压力传感器在高温环境中
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随着科学技术的发展,在航空航天、能源化工等工业领域对器件在高温环境下的压力安全监测愈加重视,高性能的高温压力传感器需求激增。目前,国内外已经研发出了多种基于不同机理的高温压力传感器,传统压力传感器已具有高稳定性和可靠性,但高灵敏度、无源无线的技术难点一直有待突破,声表面波传感器由于具有体积小、功率低、灵敏度高、可无源无线等优点,在高温压力传感器市场具有巨大前景。本文就声表面波压力传感器在高温环境中的应用展开研究,具有十分深远的意义和科学价值。本文针对高温环境下压力监测需求,设计了一款以声表面波谐振器作为敏感元件,（0°,138.5°,26.6°）切型硅酸镓镧作为衬底材料的压力传感器。以高Q值谐振器为目标,采用理论模型仿真和有限元仿真相结合的方式确定了声表面波谐振器的主要结构参数,绘制了器件版图,利用微机电加工技术成功制作出了样片。本文根据应用环境的测试需求,采用顶针式压力结构对声表面波芯片封装,并经COMSOL力学仿真证明了其工作可行性。针对高温环境中传感器的测试问题,本文提出了一种简单可行的信号引出方案,实验证实,该方案操作简易,有效可靠。通过搭建的压力、高温测试平台,完成了原理样机的性能测试和分析。实验结果表明,该声表面波谐振器中心频率140.21MHz,S11峰值-14.10d B,器件Q值高达12811,传感器高温耐受性良好,在25～350℃的范围表现了优异的温度稳定性,实验结果经拟合得到一阶频率温度系数为α=-1.11ppm/℃,二阶频率温度系数为β=-55.01ppb/℃~2。该声表面波传感器的压力灵敏度良好,在1.5～3.3MPa施压范围内,频率呈线性变化,频率压强系数为2.168ppm/psi,迟滞率为6.31%。以上结果表明,本文研究的声表面波传感器能够满足高温环境的压力测试需要,并且压力灵敏度高,温度系数小。文章最后还就高温和压力测试改善问题进行了讨论,为实现无源无线器件奠定了理论和实验基础。
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