【摘 要】
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声表面波（surface acoustic wave,SAW）传感器具有无线无源、体积小、耐高温、抗辐射等优点,有广泛的应用前景,近年来得到了研究人员的关注。而应变传感器也是工业生产和日常生活中不可或缺的工具,因此本文对SAW延迟线的应变响应特性进行了研究。SAW延迟线作为应变传感器时,其基底材料对温度的变化非常敏感,输出信号显著受到干扰,基于这个特点,本文研究了SAW延迟线的温度响应,进一步探究
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声表面波（surface acoustic wave,SAW）传感器具有无线无源、体积小、耐高温、抗辐射等优点,有广泛的应用前景,近年来得到了研究人员的关注。而应变传感器也是工业生产和日常生活中不可或缺的工具,因此本文对SAW延迟线的应变响应特性进行了研究。SAW延迟线作为应变传感器时,其基底材料对温度的变化非常敏感,输出信号显著受到干扰,基于这个特点,本文研究了SAW延迟线的温度响应,进一步探究了SAW延迟线变温下应变的测试方法。本文基于128°Y-X切向的LiNbO3基底,设计了SAW延迟线,仿真了SAW延迟线对应变的响应,从仿真结果可以得出,随着应变增大,SAW延迟线的延迟时间也增大。制备了反射栅1、反射栅2和IDT间距分别为4320μm和5760μm的SAW延迟线,分别采用矢量网路分析仪和示波器两种方法测试了SAW延迟线的时域响应,结果表明反射栅1反射信号出现在2.26643μs,反射栅2反射信号出现在3.03112μs,和理论相符。本文研究了SAW延迟线的应变特性,首先测试了SAW延迟线对应变的响应,从测试结果可以看出延迟时间随应变的增大而线性增大。制备了一批结构不同的SAW延迟线,研究了不同结构SAW延迟线的应变灵敏度,得出如下结论:反射栅位置和反射栅条数不影响器件的应变灵敏度。器件的应变灵敏度随IDT对数的增多和IDT与反射栅间距的增大而增大,IDT对数从10对增至30对,IDT和反射栅2间距为6720μm的SAW延迟线的应变灵敏度从1.7275×10-6μs/με增至3.3105×10-6μs/με;IDT和反射栅2间距从5760μm增至7680μm,IDT对数为30对的SAW延迟线的应变灵敏度从1.9089×10-6μs/με增至3.34084×10-6μs/με。IDT对数为30,IDT和反射栅2间距为6720μm的SAW延迟线,应变线性误差为2.76%,滞后误差为2.91%。本文研究了SAW延迟线的温度特性,首先测试了SAW延迟线对温度的响应,从测试结果可以看出延迟时间随温度的升高线性增大。研究了不同结构SAW延迟线的温度灵敏度,得出如下结论:温度灵敏度随IDT对数的增多和IDT与反射栅间距的增大而变大,IDT对数从10对增至30对,IDT和反射栅2间距为6720μm的SAW延迟线的温度灵敏度从1.8816×10-4μs/℃增至2.5020×10-4μs/℃,IDT和反射栅2间距从5760μm增至7680μm,IDT对数为30对的SAW延迟线的温度灵敏度从1.8172×10-4μs/℃增至2.8002×10-4μs/℃。IDT对数为30,IDT和反射栅2间距为6720μm的SAW延迟线,温度线性误差为3.08%,滞后误差为0.87%。针对基于LiNbO3基底的SAW延迟线对温度响应比较显著的问题,研究了SAW传播方向和应变方向的夹角对应变灵敏度的影响,实验结果表明,0°和90°时应变灵敏度相差最大,根据这一差异利用两个结构相同但粘接方向互相垂直的SAW延迟线构成差分结构,进而消除温度的影响。扣除温度影响后,应变灵敏度为4.1606×10-6μs/με。基于该差分结构在80℃内测试了不同温度下的应变响应,可以发现应变相对延迟时间大小相近,测试结果与拟合直线的最大偏差为2.7%,这表明采用差分结构消除了温度对应变测试的干扰。
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