溫度補(bǔ)償?shù)难舆t線型SAW應(yīng)變傳感器

楊小楊，黃 飛，彭 斌，何 鵬，朱加良(. 電子科技大學(xué) 電子科學(xué)與工程學(xué)院，四川 成都 673；.中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院,四川 成都 603)

0 引言

聲表面波(SAW)是一種沿著襯底表面?zhèn)鞑サ膹椥圆ǎ鋫鞑ヌ匦詴?huì)受外界因素(如溫度、力等)的影響。因此，基于SAW的傳感器可監(jiān)測(cè)環(huán)境溫度、濕度、壓力和應(yīng)變。與傳統(tǒng)傳感器相比，SAW傳感器具有耐高溫、抗輻射、便于無線測(cè)試及信號(hào)處理簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，可應(yīng)用于一些惡劣的測(cè)試環(huán)境。根據(jù)監(jiān)測(cè)物理量的不同， SAW傳感器分為溫度傳感器、濕度傳感器和應(yīng)變傳感器等。SAW應(yīng)變傳感器在汽車工業(yè)[1]、航空工業(yè)[2]及橋梁鐵路監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域已得到廣泛應(yīng)用。SAW應(yīng)變傳感器分為諧振器型和延遲線型，諧振器型傳感器的諧振頻率f0受應(yīng)變影響而發(fā)生變化，延遲線型傳感器的延遲時(shí)間t0受應(yīng)變影響而發(fā)生變化。與諧振器型應(yīng)變傳感器相比，延遲線可對(duì)傳感器進(jìn)行編碼，更利于多點(diǎn)分布式應(yīng)變測(cè)量。

由于SAW器件對(duì)溫度變化的響應(yīng)很靈敏[3]，因此，在溫度波動(dòng)的環(huán)境中，SAW傳感器輸出信號(hào)(包含溫度和應(yīng)變響應(yīng))將導(dǎo)致應(yīng)變測(cè)試結(jié)果與實(shí)際結(jié)果偏差較大。實(shí)際應(yīng)用中，SAW應(yīng)變傳感器需要排除溫度的影響而得到可靠的應(yīng)變信號(hào)。針對(duì)此問題，中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所提出了一種外接負(fù)載的差分結(jié)構(gòu)SAW 應(yīng)變傳感器設(shè)計(jì)方法，測(cè)試靈敏度可達(dá)0.019 6 (°)/με[4]。

本文采用直接式差分結(jié)構(gòu)SAW應(yīng)變傳感器設(shè)計(jì)方法。首先設(shè)計(jì)并制作了SAW延遲線，研究了其對(duì)應(yīng)變的響應(yīng)特性，然后針對(duì)溫度對(duì)器件應(yīng)變特性的影響，研究了差分結(jié)構(gòu)對(duì)溫度和應(yīng)變的響應(yīng)特性。

1 實(shí)驗(yàn)和方法

本文設(shè)計(jì)的SAW應(yīng)變傳感器結(jié)構(gòu)采用反射型SAW延遲線，如圖1所示。襯底材料選擇厚0.5 mm、128°Y-X切向的LiNbO3。叉指換能器(IDT)的叉指寬度和指間距均為3 μm，器件尺寸為8 mm×12 mm×0.5 mm。本文設(shè)計(jì)了IDT對(duì)數(shù)分別為10對(duì)、20對(duì)、30對(duì)的SAW延遲線(記為SAW1、SAW2、SAW3)，其他參數(shù)相同。反射柵1與IDT的距離l1=1 152 μm，反射柵2與IDT的距離l2=6 720 μm。采用光刻剝離工藝在襯底上制備圖形化的薄膜電極，首先沉積厚20 nm的Ti作為粘附層，然后沉積厚100 nm的Au薄膜。

圖1 反射型SAW延遲線結(jié)構(gòu)示意圖

采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(VNA,Agilent N5234A)測(cè)試SAW延遲線的時(shí)域特性，采用懸臂梁結(jié)構(gòu)測(cè)試不同應(yīng)變下SAW延遲線的響應(yīng)特性。首先將SAW延遲線粘在一個(gè)厚3 mm、長(zhǎng)寬分別為100 mm和30 mm的TC4鈦合金板表面上，然后將合金板一端固定構(gòu)成懸臂梁，另一端施加力，從而對(duì)器件施加一定大小的應(yīng)變。測(cè)試前先用標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)變片對(duì)懸臂梁的應(yīng)變大小和撓度進(jìn)行標(biāo)定。為了測(cè)試不同溫度下的應(yīng)變特性，將懸臂梁固定在高溫爐內(nèi)(見圖2)，然后在不同溫度和應(yīng)變下測(cè)試器件的響應(yīng)。

圖2 應(yīng)變測(cè)試裝置示意圖

2 結(jié)果和討論

圖3為3組不同IDT對(duì)數(shù)SAW延遲線的時(shí)域響應(yīng)特性測(cè)試結(jié)果。由圖可看出，3個(gè)SAW器件在0.621 9 μs和3.440 7 μs處均有2個(gè)較強(qiáng)的反射峰。器件基底材料LiNbO3聲速為3 840 m/s，因此，理論上反射柵1的反射信號(hào)應(yīng)出現(xiàn)在0.6 μs，反射柵2的反射信號(hào)應(yīng)出現(xiàn)在3.4 μs。對(duì)比理論計(jì)算值和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)可得，圖3中0.621 9 μs的反射峰是反射柵1的反射信號(hào)，3.440 7 μs的反射峰是反射柵2的反射信號(hào)。此外，在1.385 7 μs處還出現(xiàn)了1個(gè)較小的反射峰，這是由于SAW延遲線基片的左邊緣反射導(dǎo)致的，一般可在基片邊緣涂覆吸聲材料進(jìn)行消除。

圖3 SAW應(yīng)變傳感器的時(shí)域響應(yīng)

對(duì)比3個(gè)器件的測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，3個(gè)器件的時(shí)域峰寬不同，其中，SAW1的峰寬最大，SAW3的峰寬最小，這表明IDT對(duì)數(shù)越多，時(shí)域峰寬越大。這是由于時(shí)域上的反射峰起點(diǎn)基本一致，終點(diǎn)和IDT對(duì)數(shù)有關(guān)。IDT對(duì)數(shù)越多，脈沖寬度越大[5]，時(shí)域上反射峰就越寬。

為了用SAW延遲線的時(shí)域特性來表征應(yīng)變，本文把反射柵1、2反射信號(hào)的時(shí)間差定義為絕對(duì)延遲時(shí)間t，即：

(1)

式中vs為SAW傳播速度。

將有應(yīng)變延遲時(shí)間t(ε)和無應(yīng)變時(shí)延遲時(shí)間t(0)之差定義為相對(duì)延遲時(shí)間Δt(ε)，即：

Δt(ε)=t(ε)-t(0)

(2)

式中ε為SAW延遲線應(yīng)變大小。

圖4為連續(xù)3次測(cè)得不同應(yīng)變下SAW1延遲線的延遲時(shí)間。由圖可看出，3次測(cè)試結(jié)果基本吻合，表明器件重復(fù)性較好，且具有較好的穩(wěn)定性。同時(shí)，延遲時(shí)間和外加應(yīng)變呈線性變化的趨勢(shì)。對(duì)圖4中測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合，得到其線性度為0.995 82，這表明所制備SAW延遲線的延遲時(shí)間隨應(yīng)變的增大而線性增大，這是由于應(yīng)變?cè)龃螅瑑蓚€(gè)反射柵的間距增加，從而延遲時(shí)間增大。

圖4 SAW1器件延遲時(shí)間和應(yīng)變的關(guān)系

圖5 SAW延遲線相對(duì)延遲時(shí)間和應(yīng)變的關(guān)系

圖5為SAW1～SAW3延遲線的相對(duì)延遲時(shí)間隨應(yīng)變的變化曲線。由圖可知，3個(gè)SAW延遲線的延遲時(shí)間都隨應(yīng)變?cè)龃蠖€性增大，但其靈敏度不同。將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行線性擬合后可得SAW1的應(yīng)變靈敏度為3.256 6 ps/με，SAW2的應(yīng)變靈敏度為2.046 7 ps/με，SAW3的應(yīng)變靈敏度為1.727 5 ps/με。這表明IDT對(duì)數(shù)越多，器件應(yīng)變靈敏度越大。這種現(xiàn)象可能和器件的脈沖響應(yīng)機(jī)理有關(guān)[5]，當(dāng)IDT對(duì)數(shù)增加時(shí)，時(shí)域上的反射峰越寬(見圖3)，外加應(yīng)變時(shí)反射峰-峰值的位置變化也相對(duì)增大。故IDT越多，器件的應(yīng)變靈敏度越大。因此，選擇應(yīng)變靈敏度最大的器件SAW1進(jìn)行進(jìn)一步的研究。

Donohoe等[6]研究發(fā)現(xiàn)，SAW諧振器的應(yīng)變特性和應(yīng)變方向與傳播方向的夾角有關(guān)。為了探究本文SAW延遲線應(yīng)變特性和夾角的關(guān)系，本文把SAW1器件以不同角度粘貼在懸臂梁上，如圖6(a)所示。然后研究不同粘貼角度時(shí)SAW延遲線對(duì)應(yīng)變的響應(yīng)，測(cè)試結(jié)果如圖6(b)所示。由圖6(b)可看出，粘貼角度對(duì)SAW延遲線的應(yīng)變特性影響較大。0°時(shí)相對(duì)延遲時(shí)間隨應(yīng)變的增大而增大，靈敏度(擬合直線斜率)最大；90°時(shí)相對(duì)延遲時(shí)間隨應(yīng)變的增大而減小。這是由于0°時(shí)，施加應(yīng)變后，傳播距離沿傳播方向變大，延遲時(shí)間變大；90°時(shí)施加應(yīng)變后，傳播距離沿傳播方向變小，延遲時(shí)間變小。

圖6 不同粘貼角度下器件特性

由于LiNbO3基底的SAW器件對(duì)溫度的響應(yīng)靈敏度較高[7]，在溫度變化的環(huán)境中，測(cè)試應(yīng)變時(shí)必然會(huì)受到溫度的影響。由圖6(b)可發(fā)現(xiàn)，對(duì)于兩個(gè)相同的SAW延遲線，受到的應(yīng)變大小相同而方向不同時(shí)，其輸出信號(hào)也不同，但其隨溫度變化相同[8]。基于上述特性，本文用2個(gè)相同的SAW1器件，以靈敏度相差最大的角度(即0°和90°，SAW1器件分別記為SAW1(0°)和SAW1(90°)器件)粘貼在同一懸臂梁上，研究不同溫度下其相對(duì)延遲時(shí)間差與外加應(yīng)變的關(guān)系如圖7(a)所示。

圖7 差分結(jié)構(gòu)的SAW延遲線應(yīng)變特性

圖7(b)為SAW1(0°)和SAW1(90°)2個(gè)器件的相對(duì)延遲時(shí)間差。由圖可以看出，在0～80 ℃的溫度范圍內(nèi)，不同溫度下兩個(gè)器件的差分信號(hào)基本一致。這表明此差分結(jié)構(gòu)可消除溫度的影響，當(dāng)溫度變化時(shí)也可獲得準(zhǔn)確的應(yīng)變信號(hào)。由圖還可以看出，隨著應(yīng)變的增加，差分信號(hào)也線性增加。線性擬合后，其線性度為0.995 72，靈敏度為4.160 6×10-3ns/με。測(cè)試結(jié)果與擬合直線的最大偏差為2.7%，這表明此差分結(jié)構(gòu)可獲得較準(zhǔn)確的應(yīng)變信號(hào)。

3 結(jié)束語

本文采用128°Y-X切向的LiNbO3設(shè)計(jì)并制備了反射型延遲線結(jié)構(gòu)的SAW應(yīng)變傳感器，探究了該SAW延遲線的應(yīng)變特性，以及差分結(jié)構(gòu)消除溫度影響的方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，SAW延遲線的IDT對(duì)數(shù)越多，時(shí)域上的反射峰越寬，SAW延遲線的應(yīng)變靈敏度越高。SAW延遲線的應(yīng)變靈敏度受應(yīng)變與傳播方向間夾角的影響，0°時(shí)相對(duì)延遲時(shí)間隨應(yīng)變的增大而增大，90°時(shí)相對(duì)延遲時(shí)間隨應(yīng)變的增大而減小。采用相互垂直排布的SAW延遲線構(gòu)成差分結(jié)構(gòu)，在0～80 ℃溫度范圍內(nèi)，差分信號(hào)基本與溫度無關(guān)，測(cè)試結(jié)果與擬合直線的最大相對(duì)誤差僅為2.7%。本文研究的這種差分結(jié)構(gòu)的SAW延遲線可應(yīng)用在應(yīng)變測(cè)試中，以降低溫度對(duì)應(yīng)變測(cè)試的影響。