基于正交的聲表面波應(yīng)變傳感器的溫度應(yīng)變解耦方法

李向榮，秦 麗，譚秋林

(1.中北大學，省部共建動態(tài)測試技術(shù)國家重點實驗室，山西太原 030051；2.中北大學理學院，山西太原 030051)

0 引言

應(yīng)變傳感器廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、城市管網(wǎng)(供熱、供氣、供水管道)、航空航天和橋梁等領(lǐng)域的安全檢測和結(jié)構(gòu)損傷預防中。應(yīng)變傳感器包括電阻式、壓電式和光纖式應(yīng)變傳感器。由壓電效應(yīng)產(chǎn)生的聲表面波(SAW)被限制在壓電襯底的1個或2個波長深度內(nèi)，因此對外界擾動非常敏感?；诼暠砻娌▊鞲袡C制可以構(gòu)建許多傳感器，已用于氣體[1-2]、濕度[3]、壓力[4]、電流[5]、應(yīng)變[6]和陀螺儀[7]等傳感。聲表面波傳感器具有靈敏度高、體積小、成本低、無線無源等優(yōu)點，特別在高溫密閉惡劣環(huán)境下具有廣泛的應(yīng)用。然而，仍然存在許多問題。由于聲表面波傳感器對溫度敏感性較強，溫度變化會引起聲表面波應(yīng)變傳感器的響應(yīng)。而在實際的應(yīng)用中，應(yīng)變傳感器用于溫度不穩(wěn)定的環(huán)境中，聲表面波應(yīng)變傳感器的共振頻率受到溫度和應(yīng)變的影響，傳感器的輸出信號是應(yīng)變和溫度的綜合效果，因此對應(yīng)變的測試是不準確的。所以把應(yīng)變信號從測試信號中提取出至關(guān)重要。為了消除在測試的過程中溫度對測試結(jié)果的影響，需要對應(yīng)變傳感器進行溫度補償，測量更精確的應(yīng)變。為了消除溫度的影響，可以選擇基底溫度系數(shù)為零的切向制備應(yīng)變傳感器，在一定程度上可以減小溫度的影響，但不能完全消除溫度的干擾[8-9]。李夏喜等[10]研究了基于石英晶體各切向的聲表面波應(yīng)變傳感器的靈敏度，但也沒有找到合適的切向。還有一種溫度補償方法是使用溫度傳感器作為參考，溫度傳感器只感知溫度，應(yīng)變傳感器可以感知應(yīng)變和溫度。A. Maskay等[11]研究了用于高溫下的SAW靜態(tài)應(yīng)變傳感器，使用溫度傳感器作為參考，通過計算頻率差進行溫度補償，傳感器可以在300 ℃和400 ℃下使用，這樣的補償方法只用于靜態(tài)環(huán)境下應(yīng)變的測量，而在旋轉(zhuǎn)的情況下就不適用。還有一種補償方法是，通過沉積與壓電基底相反溫度系數(shù)的薄膜來實現(xiàn)溫度補償，通常采用沉積二氧化硅薄膜。根據(jù)文獻[12-13]報道，通過沉積二氧化硅薄膜，聲表面波諧振器的頻率溫度特性得到了改善。而且沉積薄膜后，聲表面波傳感器聲波的速度、頻率、靈敏度都會發(fā)生變化，最關(guān)鍵是在電極上沉積薄膜后，由于質(zhì)量加載，器件的回波損耗會增加，導致器件惡化。而且對溫度的補償效果取決于薄膜的厚度，薄膜達到一定厚度才可以實現(xiàn)溫度補償，否則只能是減小溫度系數(shù)，達不到完全的溫度補償。

本文采用的溫度應(yīng)變解耦方法是在測試器件上粘貼2個相同的傳感器，通過沿不同方向粘貼，可以實現(xiàn)一個傳感器的頻率隨著應(yīng)變的增加，頻率在減小，另一個是隨著應(yīng)變的增加，頻率在增加。而且2個傳感器同時感受溫度的變化，因為2個傳感器沿著基底相同的切向制備，他們的頻率溫度系數(shù)相同。2個傳感器通過差頻的方法，可以實現(xiàn)任意溫度下應(yīng)變的精確測量。

1 工作原理

聲表面波傳感器分為諧振型和延遲線型。本文的應(yīng)變傳感器為單端口諧振型，傳感器結(jié)構(gòu)如圖1所示。外界的激勵信號通過天線加載到傳感器上，因為基底為壓電材料，通過壓電晶體的逆壓電效應(yīng)叉指換能器可以把電信號轉(zhuǎn)化為聲波，聲波在基底表面?zhèn)鞑?，聲波傳播到反射柵被反射回來，反射回來的聲波和沿著兩端傳播的聲波形成駐波共振現(xiàn)象。受到外界的干擾后，如環(huán)境溫度、外界壓力、環(huán)境濕度等變化時，聲表面的諧振頻率會發(fā)生變化，通過檢測回波信號的頻率可以檢測到外界環(huán)境的變化。

圖1 傳感器結(jié)構(gòu)

聲表面波的諧振頻率為

(1)

式中：f為諧振頻率；v為聲表面的傳播速度；λ為波長。

壓電基底受力發(fā)生形變，傳感器的叉指寬度會發(fā)生變化?；妆焕旌蟛嬷缸儗?，波長變長，頻率變小；反之，波長變短，頻率變大。頻率的變化量由下式計算

(2)

式中：Δλ為波長的變化；εx為應(yīng)變。

由式(2)可知，頻移與應(yīng)變成正比，由應(yīng)變可以算出頻率的變化。

應(yīng)變引起叉指寬度的變化不是頻移的唯一因素，應(yīng)變還會引起基底材料的剛度矩陣和密度的變化，從而導致波速的變化，引起頻率的偏移。但是由波速的變化引起頻率的偏移較小，可以忽略不計。只需考慮由應(yīng)變引起的叉指寬度的變化導致的頻移。

2 測試平臺

測試平臺為溫度和應(yīng)變復合測試平臺，溫度測試裝置由溫控箱和加熱臺組成，應(yīng)變測試平臺為等強度懸臂梁，應(yīng)變平臺通過夾具固定在加熱臺上，傳感器可以在復合測試平臺下進行溫度和應(yīng)變測試，測試原理如圖2所示。網(wǎng)絡(luò)分析儀用于測試傳感器的頻率以及隨溫度和應(yīng)變變化引起的頻移。2個應(yīng)變傳感器通過高溫膠水粘貼到應(yīng)變平臺上接近固定端的最大應(yīng)變處，一個傳感器沿著聲表面波傳播方向和應(yīng)變一致的方向粘貼，稱為傳感器1；另一個傳感器沿著聲波傳播方向與應(yīng)變垂直的方向粘貼，稱為傳感器2。在與應(yīng)變傳感器對稱的位置上粘貼標準應(yīng)變片，來校準應(yīng)變傳感器。標準應(yīng)變片和端子相連，端子通過電纜線和動態(tài)應(yīng)變測試儀連接，應(yīng)變測試儀和電腦連接，電腦上動態(tài)測試系統(tǒng)記錄標準應(yīng)變片的應(yīng)變。傳感器的焊盤通過銀線和PCB板的焊盤連接，PCB板的焊盤連接SMA頭，SMA頭和網(wǎng)絡(luò)分析儀通過電纜線連接。

圖2 測試原理圖

3 傳感器的制備

聲表面波應(yīng)變傳感器由叉指換能器和2個反射柵組成，叉指換能器為100對，孔徑為100λ；反射柵的對數(shù)為150對。叉指電極的寬度為4 μm，波長為16 μm。通過MEMS加工工藝制備聲表面波傳感器，通過紫外光刻工藝把CAD上的圖形轉(zhuǎn)移到基底的光刻膠上，通過磁控濺射在其上沉積金屬，Cr和Au的厚度分別為10 nm和150 nm，然后通過浸泡在丙酮溶液中剝離得到傳感器。圖3為制備的SAW傳感器的光學照片以及叉指電極和反射柵的顯微鏡下的局部放大圖。從圖中可以看出制備的傳感器的叉指結(jié)構(gòu)均勻，無斷路短路的情況。

(a)聲表面波傳感器實物圖

(b)叉指結(jié)構(gòu)的局部放大圖圖3 制備的聲表面波傳感器

4 傳感器的測試

利用溫度應(yīng)變復合測試平臺對傳感器的應(yīng)變靈敏度進行測試。首先在室溫下對應(yīng)變傳感器在0～600 με應(yīng)變范圍內(nèi)對應(yīng)變傳感器的靈敏度進行測試，測試間隔為50 με，測試結(jié)果如圖4和圖5所示。

圖4 傳感器1的頻率與應(yīng)變的關(guān)系曲線

圖5 傳感器2頻率與應(yīng)變的關(guān)系曲線

圖4為傳感器1頻率和應(yīng)變的關(guān)系曲線，從圖中可以看出，隨著應(yīng)變的增加，頻率在減小，頻率與應(yīng)變?yōu)榫€性的關(guān)系，靈敏度為192.5 Hz/με。這是由于換能器的叉指方向和應(yīng)變方向垂直，當應(yīng)變增加時，叉指寬度變寬，波長增加，頻率在減小。

圖5為傳感器2頻率和應(yīng)變的關(guān)系曲線。從圖中可以看出，隨著應(yīng)變的增加，頻率在增加，頻率與應(yīng)變?yōu)榫€性的關(guān)系，靈敏度為128.7 Hz/με。這是由于叉指方向和應(yīng)變方向平行，當應(yīng)變增加時，叉指寬度變小，波長減小，頻率在增加。從測試結(jié)果可以看出，傳感器1的靈敏度比傳感器2的靈敏度大。

在高溫環(huán)境下，溫度對應(yīng)變的精確提取會有影響，因為環(huán)境溫度也會引起頻率的變化，而且溫度變化引起的頻移比應(yīng)變大很多。在溫度和應(yīng)變復合環(huán)境中對傳感器的溫度響應(yīng)進行測試，測試結(jié)果如圖6所示。從圖中可知，2個傳感器的頻率隨著溫度的增加在減小，溫度和頻率為線性的關(guān)系，頻率溫度系數(shù)TCF為4.88×10-5/℃。

(a)傳感器1

(b)傳感器2圖6 溫度與頻率的關(guān)系曲線

然后通過加載外力的方式，在應(yīng)變測試平臺的自由端施加外力，通過應(yīng)變平臺把應(yīng)變傳遞給應(yīng)變傳感器，實現(xiàn)應(yīng)變測試。同時，對傳感器進行不同溫度下的測試，溫度測試范圍為25～200 ℃，應(yīng)變測試范圍為0～600 με，傳感器在溫度和應(yīng)變復合條件下的測試結(jié)果如圖7所示。由圖可知，2個應(yīng)變傳感器的頻率都隨著溫度變化，因此在測量應(yīng)變時，由于溫度的影響，不能得到準確的應(yīng)變測量結(jié)果。

(a)傳感器1的頻率與應(yīng)變的關(guān)系曲線

(b)傳感器2的頻率與應(yīng)變的關(guān)系曲線圖7 不同溫度下傳感器頻率與應(yīng)變的關(guān)系曲線

通過圖7中2個傳感器的測試結(jié)果可以看出，任意溫度下的每條應(yīng)變擬合線的斜率為應(yīng)變傳感器的靈敏度，2個傳感器在不同溫度下的靈敏度隨著溫度變化如圖8所示，由圖可知，2個傳感器的應(yīng)變靈敏度隨著溫度先增大后減小，這是由于基底的彈性系數(shù)隨著溫度在增大，基底容易形變，叉指形變量大，導致頻率變化大，靈敏度高；但是隨著溫度的升高，會影響膠水與基底的粘結(jié)，這樣靈敏度會下降。

圖8 傳感器1和傳感器2的應(yīng)變靈敏度與溫度的關(guān)系曲線

2個傳感器的應(yīng)變敏感度分別定義為S1和S2，因為2個傳感器在同一切向的基底制備，因此2個傳感器的溫度頻率系數(shù)TCF相同.在溫度變化(ΔT)和應(yīng)變(ε)雙重影響下，2個傳感器的頻率可表示為

f1=f01-S1·ε+TCF·ΔT·f01

(3)

f2=f02+S2·ε+TCF·ΔT·f02

(4)

式中f01和f02分別為2個傳感器在在室溫下無應(yīng)變時的頻率。

(5)

式(5)和式(3)相減，得到

(6)

將2個傳感器靈敏度S1和S2隨著溫度的變化關(guān)系代入式(6)，可得

ε+(170.855 71+1.301 71T-0.006 28T2)·ε

(7)

由式(7)可以計算出任意溫度下的應(yīng)變。

5 結(jié)束語

本文討論了聲表面波應(yīng)變傳感器的溫度解耦問題，設(shè)計了2個聲表面波應(yīng)變傳感器，2個聲表面波傳感器的叉指寬度相同，而且在同一晶向的鈮酸鋰上制備，具有相同的溫度系數(shù)，由于制備過程中MEMS工藝的差異，2個傳感器的頻率分別為240.856 MHz和239.22 MHz。然后在應(yīng)變溫度復合測試平臺對傳感器的溫度應(yīng)變響應(yīng)進行測試，測得了傳感器芯片在25～200 ℃下的頻率響應(yīng)。結(jié)果表明一個諧振器的共振頻率隨著應(yīng)變的增加而減小，室溫下靈敏度為192.5 Hz/με。另一個諧振器的共振頻率隨著應(yīng)變的增加而增加，室溫下靈敏度為128.7 Hz/με，然后提取出不同溫度下的應(yīng)變靈敏度，結(jié)果表明2個傳感器的靈敏度隨著溫度變化，先增加后減小。然后將2個傳感器頻率做差，通過計算實現(xiàn)了應(yīng)變的精確測量。