具有温度补偿的薄膜体声波压力传感器及采集系统设计

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当前,随着大数据与人工智能浪潮的来临,数据成了其发展至关重要的基石。而传感器是人们获取数据的主要途径。传统的传感器由于检测精度、使用范围以及体积等方面的不足,越来越不能满足人们的生活生产需要。人们迫切的希望寻找一个新型传感器来满足人们的日益发展的需要。随着科技的进步与发展,基于薄膜体声波谐振器(FBAR,Film Bulk Acoustic Resonator)传感器的产品逐渐进入消费市场中。薄膜体声波压力传感器的应用领域很广,也具有很大的实际应用价值。本文调研了薄膜体声波压力传感器的最新研究成果,深入了解了当前在温度补偿领域使用的相关技术的不足,在此基础上本文重点研究了具有的背刻蚀结构薄膜体声波谐振器的双模态特性,利用其双模态特性实现了具有温度补偿的压力传感器或者是温度、压力双测量的传感器,最后设计了基于薄膜体声波传感器的多路频率采集系统。论文主要研究工作和贡献如下:(1)本文以薄膜体声波谐振器的双模态特性的为研究出发点。通过采用具有背刻蚀结构的薄膜体声波谐振器置于密封容器中,密封容器中的压力由气压泵控制。密封容器在17kPa-101.3kPa和101.3kPa-400kPa的范围内,在这两个压力范围内,压电薄膜承受不同类型的压力,即压缩应力和拉伸应力。这两种力对材料性能的影响不同,进而会产生不同的压力系数。本文研究发现对于两个压力区域,压力响应与温度响应都具有高度线性的特点,因此可设计具有温度补偿的薄膜体声波压力传感器或者具有温度、压力双测量的传感器。(2)本文以薄膜体声波器件的MBVD等效模型为基础,设计皮尔斯振荡电路、放大电路、分频电路。利用FPGA高速、高精度、高响应等特点,采用等精度测量方法设计多路频率采集系统,将采集到的数据传输至STM32中计算并显示。该系统在阵列传感器的研究和薄膜体声波传感器的产业化的方向上提供一种新的解决方案。本研究为当前对薄膜体声波压力传感器的温度补偿提供了新的方案,同时多路频率信号采集系统也为薄膜体声波传感器产品化方向迈向前进的一步,对于薄膜体声波传感器的发展具有一定的价值和意义。
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