LGS聲表面波傳感器溫度應(yīng)變特性研究.pdf

1、聲表面波（Surface acoustic wave,SAW）器件因?yàn)槠渚哂畜w積小、品質(zhì)因數(shù)高、響應(yīng)快、成本低、可以無線無源工作等優(yōu)點(diǎn)，因此非常適合高溫高壓、高速移動(dòng)或旋轉(zhuǎn)、有毒有害等惡劣環(huán)境中進(jìn)行傳感。隨著對(duì)航空航天、工業(yè)制造等領(lǐng)域的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)控（Structure health monitor,SHM）的需求日益增多，能無源無線傳感的SAW傳感器有著廣泛的應(yīng)用前景。因此展開在惡劣環(huán)境下進(jìn)行溫度、應(yīng)變等物理量進(jìn)行傳感的SAW傳感器的研

2、究有著十分重要的意義。
　　本文采用了一種具有優(yōu)秀的高溫應(yīng)變特性的新型壓電基底材料硅酸鎵鑭（Langasite，LGS）來制備SAW溫度應(yīng)變傳感器。設(shè)計(jì)出的SAW傳感器為諧振器結(jié)構(gòu)，叉指對(duì)數(shù)為100對(duì)，叉指寬度為2μm，金屬化比率為0.5，孔徑長(zhǎng)度為100λ，其中叉指換能器（IDT）與反射柵（Reflector bank）之間的距離為6μm。并利用COMSOL Multiphsycs軟件對(duì)所設(shè)計(jì)的器件進(jìn)行了仿真計(jì)算。
　　本

3、文選用的LGS基底的歐拉角為（0°,138.5°,26.6°），采用微電子工藝在基底材料上制作SAW諧振器。并對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行了優(yōu)化，得到了性能優(yōu)異的SAW傳感器。
　　本文對(duì)所制得的LGS聲表面波傳感器進(jìn)行了溫度性能測(cè)試，溫度測(cè)試范圍為20℃～400℃。在不同溫度下LGS傳感器均保持了良好的SAW特性，其諧振頻率隨著溫度的升高而降低，經(jīng)過線性擬合，我們計(jì)算出了基于歐拉角為（0°，138.5°，26.6°）的LGS傳感器的其一階和二

4、階溫度頻率系數(shù)的值分別為-4.229×10-4和-2.034×10-5。為了驗(yàn)證LGS聲表面波傳感器的溫度重復(fù)性，我們對(duì)其進(jìn)行了溫度循環(huán)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明循環(huán)測(cè)試下傳感器的溫度重復(fù)性良好，其最大誤差為2.39％，滿足測(cè)試需求。
　　本文還對(duì)20℃～250℃下LGS傳感器的應(yīng)變特性進(jìn)行了研究。通過懸臂梁結(jié)構(gòu)測(cè)試了LGS的頻率應(yīng)變特性，測(cè)試表明LGS傳感器的諧振頻率隨著應(yīng)變的增加呈線性降低，應(yīng)變靈敏度為-162.94Hz/με，應(yīng)變頻

5、率系數(shù)為-0.488ppm/με。通過溫度應(yīng)變測(cè)試可知，隨著溫度的升高，傳感器的應(yīng)變靈敏度逐漸降低，到250℃時(shí)，靈敏度為-120.75Hz/με，應(yīng)變頻率系數(shù)為-0.363ppm/με。
　　本文還研究了SAW傳播方向與應(yīng)變方向夾角的關(guān)系。通過不同角度粘接傳感器的方式，改變傳感器的SAW傳播方向與應(yīng)變的夾角，研究了其應(yīng)變特性。粘接器件的角度分別為0°，30°，60°，90°，測(cè)試結(jié)果表明，SAW的傳播方向與應(yīng)變方向的夾角發(fā)生改變

6、時(shí)，傳感器諧振頻率對(duì)應(yīng)變的響應(yīng)也隨之發(fā)生改變，夾角為30°，60°，90°時(shí)，其諧振頻率會(huì)隨著應(yīng)變的增加而增加，其靈敏度分別為179.17 Hz/με，325.09 Hz/με，162.48 Hz/με。頻率應(yīng)變系數(shù)分別為0.536 ppm/με，0.973 ppm/με，0.486ppm/με。另外還對(duì)這些傳感器進(jìn)行了不同溫度下的應(yīng)變測(cè)試，其靈敏度亦隨著溫度的上升而降低。
　　最后，本論文對(duì)LGS傳感器進(jìn)行了應(yīng)變誤差分析.計(jì)算了