基于SAW器件的微間隙壓力監(jiān)測(cè)傳感器*

王 俊,李媛媛*,盧文科

(1.上海工程技術(shù)大學(xué)電子電氣工程學(xué)院,上海 201620;2.東華大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,上海 201620)

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基于SAW器件的微間隙壓力監(jiān)測(cè)傳感器*

王 俊1,李媛媛1*,盧文科2

(1.上海工程技術(shù)大學(xué)電子電氣工程學(xué)院,上海 201620;2.東華大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,上海 201620)

聲表面波SAW(Surface Acoustic Wave)器件能進(jìn)行無(wú)源無(wú)線通信,為微間隙等特殊環(huán)境下物理量的測(cè)量提供了新的解決思路。研究設(shè)計(jì)了一種基于聲表面波延遲線的接觸應(yīng)力傳感器。圍繞微間隙環(huán)境,研究了聲表面波器件的結(jié)構(gòu)類(lèi)型,并確定壓力監(jiān)測(cè)的技術(shù)方案;根據(jù)設(shè)計(jì)原理,設(shè)計(jì)一種新型聲表面波傳感器,并利用有限元分析法對(duì)壓電基片進(jìn)行應(yīng)力仿真;將設(shè)計(jì)出的傳感器進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試并提出溫度補(bǔ)償。通過(guò)對(duì)聲表面波傳感器設(shè)計(jì)的探究,驗(yàn)證了利用聲表面波傳感器實(shí)現(xiàn)微間隙壓力監(jiān)測(cè)的可行性。

聲表面波;無(wú)源無(wú)線;微間隙;有限元分析;應(yīng)力仿真

接觸壓力的理論和試驗(yàn)研究一直是工程和力學(xué)的熱門(mén)課題,對(duì)于處在兩個(gè)金屬或者非金屬物體及若干局部彈性介質(zhì)的微間隙(厚度在1 mm～5 mm)的物體來(lái)說(shuō),實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)其表面壓力是極其重要的。目前,應(yīng)用于接觸壓力測(cè)量的傳感器大致可分為壓阻式、電容式、電感式、光學(xué)式等[1],然而它們需要電源供電且基于有線方式工作[2]。對(duì)于微間隙中接觸壓力監(jiān)測(cè)來(lái)說(shuō),有源有線的工作方式顯得并不方便,而以無(wú)源無(wú)線[3]方式工作的聲表面波SAW(Surface Acoustic Wave,)技術(shù)[4-6],給微間隙等極端環(huán)境中物理量的測(cè)量提供了新的思路。

聲表面波最初是在研究地震波時(shí)被發(fā)現(xiàn)的,但是直到20世紀(jì)80年代,隨著對(duì)聲表面波性質(zhì)認(rèn)識(shí)和外界因素對(duì)其影響特性研究的深入,聲表面波才被用來(lái)制作各種各樣的傳感器。由于聲表面波傳感技術(shù)符合信號(hào)系統(tǒng)數(shù)字化、高精度等要求,因此其發(fā)展得到了很大的重視。尤其是在歐美、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家,聲表面波技術(shù)已經(jīng)較為成熟,制作出的SAW器件尺寸小、靈敏度高、重復(fù)性好[7-8]。2010年,Muntwyler S提出基于三維的聲表面波器件的設(shè)計(jì),Kim Y C研究了雙軸微力傳感器,Singh K J[9]等人研究了提高器件敏感性的方法。2013年,張國(guó)偉[10]提出了能夠提高測(cè)量精度的基于LGS的SAW諧振型微壓力傳感器。2014年,李媛媛[11]提出在聲表面波式微力傳感器的設(shè)計(jì),在提升傳感器靈敏度等方面做了大量的工作。通過(guò)前期的研究對(duì)比發(fā)現(xiàn),SAW器件能夠通過(guò)微加工工藝[12-13],制作方便,并能夠滿(mǎn)足要求,本文設(shè)計(jì)一種新型結(jié)構(gòu)的傳感器,為實(shí)現(xiàn)無(wú)源無(wú)線通信,所以選擇SAW傳感[14]技術(shù)方案來(lái)監(jiān)測(cè)微間隙接觸壓力。

1 微間隙接觸壓力監(jiān)測(cè)的SAW傳感技術(shù)方案

微間隙中接觸壓力存在于物體A和物體B是兩個(gè)金屬或非金屬物體形成一個(gè)間距d(1 mm～5 mm)的曲面間隙,如圖1所示。

圖1 微間隙接觸壓力示意圖

為實(shí)現(xiàn)微間隙接觸壓力的測(cè)量,本文設(shè)計(jì)微間隙壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng),該系統(tǒng)包括傳感器端和查詢(xún)端,如圖2所示。傳感器端負(fù)責(zé)接收查詢(xún)端的激勵(lì)信號(hào)并發(fā)射經(jīng)過(guò)被測(cè)接觸壓力調(diào)制的信號(hào)。查詢(xún)端的主要作用是產(chǎn)生傳感器端的激勵(lì)信號(hào)和接收并處理傳感器端傳回的信號(hào)。

圖2 微間隙壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

2 SAW微力傳感器的設(shè)計(jì)

2.1 SAW基片設(shè)計(jì)

SAW器件常使用的基片材料有石英、鈮酸鋰、鉭酸鋰等[15]。由表1,可以看出鈮酸鋰具有較好的機(jī)電耦合系數(shù),壓電系數(shù)大,聲衰較小,化學(xué)穩(wěn)定性好,機(jī)械品質(zhì)因數(shù)高等特性,是制備SAW壓電基片的首選材料。

圖3是SAW基片尺寸圖。其中L為本設(shè)計(jì)基片長(zhǎng)度,分別有21 mm、25 mm和29 mm,寬0.5 mm,厚0.1 mm,L1和L2是叉指換能器IDT(Interdigital Transducers,)與基片的距離。

圖3 SAW基片尺寸圖

材料切向V/(m/s)K2/%溫度系數(shù)/(10-6/C)傳播損耗/(dB/cm(MHz))石英Y-X42.75°Y-X315931570.220.16-2400.82(100)0.95鈮酸鋰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)鉭酸鋰Y-ZX-112°Y63.6°Y-X166.5°Y-X32303295360033700.740.647.81.54-37-180500.35(10000)

本文設(shè)計(jì)了一種雙層結(jié)構(gòu)的SAW微力傳感器,如圖4所示。其特征在于,包括兩塊壓電材料基片、兩塊壓電材料墊片和兩組叉指換能器,該傳感器能夠?qū)崿F(xiàn)雙面壓力的監(jiān)測(cè)。

圖4 SAW傳感器

2.2 IDT的設(shè)計(jì)

叉指換能器的脈沖響應(yīng)的包絡(luò)與叉指換能器指條重疊的包絡(luò)是完全相同的[16],并且知道指條相等重疊、均勻周期的叉指換能器的脈沖響應(yīng)的數(shù)學(xué)模型[17]為:

h(t)=Aej2πf0t

式中:f0是IDT的中心頻率。

若IDT指條相等重疊,所以式中的A為常數(shù),如指條不相等重疊,A為一個(gè)隨時(shí)間變化的函數(shù),即A(t)。給定A(t)=e-t2/2,本文設(shè)計(jì)的小波式IDT脈沖響應(yīng)數(shù)學(xué)模型[18]為:

h(t)=e-t2/2ej2πf0t

式中:e-t2/2ej2πf0t是Morlet小波。

本次設(shè)計(jì)了Moret小波式發(fā)射IDT及均勻接收IDT,如圖5,IDT的參數(shù)a=b=20 μm。

圖5 小波式發(fā)射IDT和接收IDT的示意圖

圖6 20 gn載荷下21 mm基片的位移云圖

3 有限元仿真

為提升傳感器靈敏度、線性度等方面的性能,我們需要對(duì)IDT在基片上的位置進(jìn)行仿真分析與優(yōu)化。本文利用ANSYS軟件,對(duì)鈮酸鋰壓電基片進(jìn)行仿真,最終確定IDT在壓電基片上的最佳位置。

具體仿真過(guò)程如下:①打開(kāi)ANSYS14.0軟件,選擇固體仿真,并在材料中構(gòu)建鈮酸鋰的彈性剛度矩陣。②創(chuàng)建模型。③模型分割成穩(wěn)定的六面體。④Mesh劃分網(wǎng)格單元。⑤添加自由約束、施加載荷。⑥模型求解,輸出仿真結(jié)果,圖6～圖8以0.2 N受力為例。

圖7 20 gn載荷下25 mm基片的應(yīng)力云圖

圖8 20 gn載荷下29 mm基片的應(yīng)變?cè)茍D

經(jīng)仿真后得出,對(duì)于同一規(guī)格的基片,從0 g到20 g之間施加壓力且每1 g遞增,通過(guò)位移、應(yīng)力、應(yīng)變?cè)茍D,得出基片的最穩(wěn)定區(qū)域,并最終確定雙端IDT距離的參數(shù)。

表2 基片長(zhǎng)度與雙端IDT位置 單位:mm

4 傳感器測(cè)試

在前期研究與設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上,制作不同尺寸的傳感器,并將其與網(wǎng)絡(luò)分析儀連接,進(jìn)行測(cè)試,見(jiàn)圖9和圖10。硬件設(shè)備的測(cè)試環(huán)境并不復(fù)雜,在實(shí)驗(yàn)室的實(shí)驗(yàn)臺(tái)上即可操作。實(shí)驗(yàn)步驟簡(jiǎn)單且可重復(fù)進(jìn)行,需要使用人員細(xì)心操作實(shí)驗(yàn)。

圖9 25 mm基片內(nèi)部構(gòu)造

圖10 網(wǎng)絡(luò)分析儀連接

在實(shí)驗(yàn)室中,不同長(zhǎng)度的傳感器分別使用 0～20 g的砝碼,在基片面上根據(jù)不同的微力使用不同的砝碼值進(jìn)行測(cè)量,并記錄數(shù)據(jù)。

圖11 21 mm基片的測(cè)試結(jié)果

圖12 25 mm基片的測(cè)試結(jié)果

圖13 29 mm基片的測(cè)試結(jié)果

由于頻率在測(cè)量過(guò)程中波動(dòng)較大,需要穩(wěn)定一段時(shí)間后讀取數(shù)據(jù),測(cè)得的數(shù)據(jù)越多,通過(guò)計(jì)算得到的頻率壓力轉(zhuǎn)換公式就會(huì)越精確。利用網(wǎng)絡(luò)分析儀E5061A,在不同微力作用下測(cè)得頻率信號(hào),重復(fù)多次測(cè)試,選擇比較穩(wěn)定的數(shù)據(jù)。

根據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù),利用最小二乘法和MATLAB求解,繪制聲表面波壓力傳感器頻率與壓力的多項(xiàng)式擬合曲線,結(jié)果如圖14,紅色小圓圈表示的是頻率實(shí)驗(yàn)值與壓力實(shí)驗(yàn)值之間的關(guān)系,而藍(lán)色線段表示的是頻率實(shí)驗(yàn)值與壓力擬合值之間的關(guān)系。從所有實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)選擇最好一組數(shù)據(jù)進(jìn)行曲線擬合,小圓圈分布在線段的周?chē)?即多項(xiàng)式得到了較好的擬合曲線。

表3 頻率與壓力的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)表

圖14 SAW 微力傳感器的頻率與壓力的關(guān)系圖

5 溫度補(bǔ)償

由于本文所述新型聲表面波壓力傳感器壓電基片采用了鈮酸鋰材料,為了保證測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性,需對(duì)其進(jìn)行溫度補(bǔ)償。傳感器溫度補(bǔ)償釆用了制作一塊完全相同的參考器件和原測(cè)量器件并列安置,釆用了輸出差頻的方式來(lái)消除溫度、濕度和噪音等環(huán)境干擾,如圖15所示。

圖15 SAW微力傳感器溫度補(bǔ)償示意圖

設(shè)傳感器的SAW感應(yīng)器件輸出頻率為F1,則

F1=F01+ΔF+β1(T2-T1)=F01+ΔF+β1ΔT

式中:T1是初始溫度;T2是變化后溫度;ΔT是環(huán)境溫度的變化量;β1是SAW感應(yīng)器件的溫度系數(shù);β1ΔT是SAW感應(yīng)器件的頻率漂移;F01是感應(yīng)器件在溫度T1下不加載微壓力時(shí)輸出的初始頻率。

傳感器聲表面波參考器件的輸出頻率F2為

F2=F02+β2ΔT

式中:F02是參考器件在溫度T2下不加載壓力時(shí)輸出的初始頻率;β2是參考器件的溫度系數(shù)。

當(dāng)SAW感應(yīng)器件和參考器件的輸出頻率F1和F2經(jīng)混頻器后,通過(guò)低通濾波器輸出差頻ΔT,即

ΔT=F1-F2=F01-F02+ΔF+(β1+β2)ΔT

當(dāng)傳感器感應(yīng)器件和參考器件的溫度系數(shù)β1和β2相等時(shí),傳感器的輸出差頻只與外界溫度變化ΔT相關(guān),那么參考器件可以完全補(bǔ)償溫度對(duì)感應(yīng)器件帶來(lái)的影響。

6 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種新型傳感器,用于微間隙接觸壓力監(jiān)測(cè),闡述了聲表面波微力傳感器的設(shè)計(jì)流程,確定了其測(cè)量范圍為0～20 g微壓力。為了抑制其輸入輸出頻率曲線的旁瓣,設(shè)計(jì)中對(duì)輸入叉指換能器進(jìn)行了Morlet小波函數(shù)的加權(quán),最后對(duì)其溫度漂移進(jìn)行了補(bǔ)償。

該傳感器的優(yōu)勢(shì):一方面,中空部分兩面呈開(kāi)放式,工藝加工導(dǎo)線引出線可以保證精確,進(jìn)而提升測(cè)量精度。另一方面,兩側(cè)基片均設(shè)置傳感器電路,可實(shí)現(xiàn)兩面壓力的測(cè)量。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)證明,該設(shè)計(jì)的理論值與實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有較好的一致性。這對(duì)于實(shí)現(xiàn)微間隙接觸壓力的監(jiān)測(cè)具有非常重要的意義,其不僅可以指導(dǎo)外界的相關(guān)操作,同時(shí)也可以對(duì)一些相關(guān)理論研究模型做出結(jié)論。

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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,碩士研究生,主要研究方向?yàn)橹悄軅鞲衅?wangjuncarol@163.com;

李媛媛(1979-),女,副教授,博士,主要從事智能控制、聲表面波式傳感器的設(shè)計(jì)及檢測(cè)、小波變換及其應(yīng)用等方向研究,liyuanyuanedu@163.com;

盧文科(1962-),男,教授,博士,主要從事聲表面波、靜磁波、小波變換、傳感器理論及技術(shù)的研究,luwenke3@163.com。

項(xiàng)目來(lái)源:上海工程技術(shù)大學(xué)研究生科研創(chuàng)新項(xiàng)目(E3-0903-16-01182);16KY0212柔性陣列式聲表面波微力傳感器的研究項(xiàng)目;國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61274078);多尺度聲表面波式指條面積加權(quán)的小波變換處理器及小波反變換處理器的研究項(xiàng)目;中國(guó)紡織工業(yè)聯(lián)合會(huì)的“紡織之光”應(yīng)用基礎(chǔ)研究項(xiàng)目(J201608);用聲表面波器件實(shí)現(xiàn)紗線張力傳感器的研究項(xiàng)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