声表面波谐振式力学量传感器的发展与现状_陈明

1

综述与评论

声表面波谐振式力学量传感器的发展与现状

陈 明,王 玮

(西北工业大学自动控制系,陕西西安710072)

摘 要:扼要回顾了国内外在声表面波力学量传感器方面一些重要的成就,阐述了声表面波力学量传感器的特点、基本工作原理,简单推导了该传感器输入-输出关系,并对声表面波其他传感器作了介绍。关键词:声表面波;力学量;传感器

中图分类号:TH82 文献标识码:A 文章编号:1000-9787(2000)05-0001-03

DevelopmentandcurrentstatusofSAW

resonatormechanicalquantitysensors

CHENMing,WANGWei

(Dept.ofautomaticcontrol,NorthwesternPolytechnicalUniversity,Xi.an710072,China)

Abstract:SomeimportantachievementsofSAWmechanicalquantitysensorsathomeandoverseasarereviewedbriefly,thecharacteristicsandbasicworkingprincipleofSAWmechanicalquantitysensorsareexpounded,inthemeantime,therelationshipbetweeninputandoutputofthesensorissimplydeduced,finallyothertypesofSAWsensorsareintroduced.

Keywords:surfaceacousticwave(SAW);mechanicalquantity;sensor

0 前 言

力学量传感器是各个领域中应用最多、最广的一类传感器,其应用领域涉及工业过程检测控制、国防、航空航天、交通运输、医疗卫生等几乎所有的国民经济部门。据统计,1990年,力学量中的压力传感器产值就占世界传感器总产值的32%。而力学量这一类传感器的产值,据估计将占世界传感器总产值的60%以上。但随着微电子技术、计算机技术的飞速发展,人们对传感器的要求也越来越高。

声表面波(SAW)力学量传感器与其他类型力学量传感器相比,具有如下的优点:(1)能直接输出准数字量,只用简单数字电路就可以与计算机接口;(2)具有极好的抗干扰能力,即使在恶劣环境下工作、远距离传输,其测量再现性很好;(3)采用半导体平面工艺制作,一致性好,适合于大批量生产;(4)易于安装固定,结构牢固,并可获得最佳的热性能和机械性能。另外,这种制作工艺,可以使集成化技术得到充分的应用,容易将信息敏感器件与信息处理各种功能电路集成在一起,实现单片多功能化,也可与逻辑部件集成为/智能传感器0,大大提高了传感器的可靠性,减少了体积和重量。

收稿日期:2000-05-10声表面波是英国物理学家瑞利在19世纪80年代研究地震波过程中发现的一种能量集中于地表面传播的声波。近几十年来对SAW基本性质的认识越来越深入,特别是在1965年,美国的White和Voltmov发明了能在压电材料表面激励声表面波的金属叉指换能器(IDT)之后,大大加速了声表面波技术的发展,相继出现了许多各具特色的声表面波器件,使这门年轻的学科逐步发展成为一门新兴的声学和电子学结合的边缘学科。然而,用SAW器件来研制、开发新型传感器还是20世纪80年代的事。起初,人们发现外界因素(如温度、压力、磁场、电场、某种气体等)对声表面波传播特性会造成影响,进而研究这些影响与外界因素的关系。根据这些函数关系,设计了各种所需结构,用于测量各种物理量、化学量。从1980年到1990年这10年期间,SAW传感器在欧美,特别是在日本,发展十分迅速,已出现20多种类型的SAW传感器。尽管SAW传感器发展的历史并不长,但由于它符合信号系统数字化、微机控制化和高精度、高可靠性、高度集成化的发展方向,因而受到人们的高度重视。

1 声表面波谐振式力学量传感器的基本工作原理

2 传感器技术 第19卷

SAW谐振式力学量传感器包括SAW压力传感器(集中力或分布压力)与SAW加速度传感器,它们的工作原理都是基于SAW器件的基底材料在受到外界作用力作用时,材料内部各点的应力发生变化,通过压电材料(所有SAW传感器的基底材料都是压电材料)的非线性弹性行为,使材料的弹性常数、密度等随外界作用力的变化而变化,从而导致SAW的传播速度的变化(因为SAW在压电材料表面的传播速度vU(E/Q)

1

2,

长),所以v与K的变化,共同导致谐振频率f的变化。测量频率的大小,就可以知道外界作用力的大小[1]。

由于SAW谐振式力学量传感器,实质上就是敏感SAW的基底材料在外力作用下所发生的应变E的改变而导致谐振频率f的改变,因此,只要推导出谐振频率f与应变E的关系式就可以了。因为应变E是由于外界力作用的结果,而谐振频率f的变化又是由于应变变化的结果[2]。

SAW谐振器的谐振频率f可用下式表示:vf=K.

激振后SAW谐振器表面状态如图1所示。

式中E为材料的弹性

常数;Q为材料的密度)。同时,压电材料受到作用力作用后,使SAW谐振的结构尺寸发生变化,从而导致SAW的波长改变。由于SAW谐振器的谐振频v率f=K(式中v为SAW传播速度;K为SAW的波

图1 激振后SAW谐振器表面状态示意图

Fig.1 SchematicofsuperficialstatusofSAWresonatorafterstimulation

对于均匀分布的叉指换能器(IDT),只有当IDT两相邻电极中心距d是SAW的波长K的一半时,才会产生谐振,实现同步,所以K=2d。

若IDT的指宽a与指间距c相等,则

Ka=c=4,设未加力的SAW谐振器表面波

v0

传播速度为v0,波长为K0,则谐振频率f0=,在K0力p作用下,SAW基底材料就会产生应变,此时

d(E)=d0+$d=d0(1+E),又 K0=2d0,

K(E)=K0(1+E).

这样应变E对波速的影响可表示为v(E)=v0(1+kcE),式中 kc为材料常数。

因此,SAW谐振器的频率与应变E有关,即

v0(1+kcE)v(E)=f(E)=KK).(E)0(1+E

由应变所引起的谐振频率的绝对变化为1-kcE$f=f(E)-f0=f0[1+E-1]

E(kc-1)=f0.(1)

1+E

一般情况下,由于E<10-3,所以式(1)分母中的可略去不计,这样就得到下面的近似线性关系式:

$f=f(E)-f0Uf0E(kc-1),f(E)=f0+$fUf0(1-kE),

(2)第5期 陈 明等:声表面波谐振式力学量传感器的发展与现状 3

式(2)中k=1-kc.

若SAW谐振器的基底材料是石英晶体,则kc=-0.4,k=1-kc=1.4,那么

f(E)=f0+$f=f0(1-1.4E).

(3)

从式(3)可看出,SAW力学量传感器在受力后谐振频率随作用力的增加而不断下降,且基本是线性关系。

2 国内外研究水平及发展状况

SAW谐振式力学量传感器国外从20世纪70年代开始研究。1975年美国的Reeder等人首先制成了单通道SAW压力传感器,在实验室条件下,中心频率为82.3MHz,0~20psi(注:1psi=6.476kPa)压力范围内线性度为0.16%,-50~100e温度范围内热零点漂移为0.05%/e。1980年美国研制的SAW压力传感器因改进了封装技术而使性能得到了进一步的提高,其性能指标为:中心频率100MHz,灵敏度14kHz/(kgf#cm-2)(注:1kgf#cm-2=98.0665kPa),测压范围

0~

5kgf#cm-2,线性度为0.1%。1996年据资料报导,美国研制的SAW谐振式压力传感器,其迟滞为0.06%,线性度为0.18%。

1981年美国IEEE超声会议专门增设了SAW传感器组,从而确立了它的重要地位。

1983年德国Kollsmann公司研制的SAW压力传感器已试用于航空航天领域。其技术指标为:灵敏度为40kHz/(kgf#cm12500mmH2O。

SAW力学量传感器中另一类是SAW谐振式加速度传感器。1981年法国Thomson-CSF研究中心研制出第一台SAW加速度传感器样机,通过8年的持续研究,到1988年,该中心已研制出4种类型的SAW加速度计,其分辨率已达10gn.1985年美国Anderson实验室非常成功地研制了用于导弹制导的SAW加速度计,测量范围为?50gn,有关电子线路采用/厚膜混合集成电路0,获得了较小的体积和重量。美国的Rockwell-International公司研制的快速响应SAW加速度计,其中SAW谐振器频率稳定度优于10

-10

-5

-2

电路可使标准频漂小于0.01%,加速度的测量范围从10-6~10gn。将这种加速度计用于模拟导航系统执行任务时,位置精度小于50m/h。

国内SAW压力传感器的研究起步较晚。19年机电部26所报导了他们所研制的SAW延迟线型压力传感器原理样机,重复性误差为2.6%FS,迟滞误差为0.334%FS,非线性误差为0.27%FS。1996年研制的SAW压力传感器,重复性达0.17%,迟滞为0.102%,线性度为0.08%。1996年西北工业大学测量与控制技术研究所用SAW谐振器研制出谐振式SAW压力传感器。经过原机电部第九专业计量中心站的检定,其性能指标为:重复性为0.01%FS,迟滞为0.027%FS,非线性为0.021%FS。国内在SAW加速度传感器研制方面很少有资料报导。西北工业大学测量与控制技术研究所于1997年研制了SAW谐振式加速度传感器,由于阻尼与闭环问题没有解决,只做了开环静态测试,其分辨率约为10-3gn,测量范围0~2gn。

除了力学量SAW传感器之外,在国外已研制成功20多种SAW传感器。例如,SAW流量传感器、SAW湿度传感器、SAW电压传感器、SAW大电流传感器,特别是测量各种气体成分的SAW气体传感器发展尤为突出。目前用SAW气体传感器可检测的气体主要有SO2、水蒸气、丙酮、H2、H2S、CO、CO2、NO2等。从SAW器件用于测量气体成分的原理来看,只能用SAW延迟线来实现,其关键是研制敏感各种气体成分的薄膜,以便对被测气体既能吸附,又能解吸。由于SAW的独特优越性,我国应在这方面加大研究力度,并开展大协作,以便尽快赶上或超过国际水平。参考文献:

[1] 陈明,范东远,李岁劳.声表面波传感器[M].西安:西北工业大

学出版社,1997.27-36.

[2] 刘广玉,陈明,吴志鹤,等.新型传感器技术及应用[M].北京:

北京航空航天大学出版社,1995.130-173.

),分辨率为1.5mmH2O

(注:1mmH2O=9.80665Pa),测量范围为2.5~

作者简介:

陈 明(1939-),男,江苏南京市人,西北工业大学自动控制系教授、博士生导师,主要从事测控技术中传感器及惯导技术中新型惯性器件的教学和研究。

,在军用温度范围内使用补偿