一種無源無線SAW壓力傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計

1、第20卷第4期2007年4月傳感技術(shù)學(xué)報CHIN ES E JOURNAL OF S ENSORS AND ACTUA TORSVol.20No.4Ap r.2007A Structure Design for Passive Wireless SAW Pressure Sensor 3L I U W en 2hui ,L I Pi ng3,W EN Yu 2meiCollege of Optoelect ronic Engineering and T he Key L ab of Optoelect ronic Technolog y and S ystem of t he Educatio

2、n Minist ry ,Chongqing Universit y ,Chongqing 400044,China Abstract :Based on t he sensing characteristic of passive wireless SAW (Surface Acoustic Wave pressure sensors ,a sensitive st ruct ure design of SA W p ressure sensor is presented.The sensing unit is const ructed by freely supported beam.By

3、 analyzing t he st rain dist ribution on bot h sides of t he beam ,two same SAW one 2port resonators are arranged cent ro symmet rically on t he biggest st rain area.A difference f requency measurement st ruct ure between two SAW one 2port resonators has a high sensitivity and a little tempera 2t ur

4、e impact.It also can compensate t he hysteresis errors.K ey w ords :SA W p ressure sensor ;st ruct ure design ;difference frequency measurement ;sensitivity EEACC :7230;7320V一種無源無線SA W 壓力傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計3劉文輝,李平3,文玉梅(重慶大學(xué)光電工程學(xué)院、光電技術(shù)及系統(tǒng)教育部重點實驗室郵編400044 基金項目:國家自然科學(xué)基金資助項目(60374045,50677072收稿日期:2006205215修改日期:200

5、6207218摘要:根據(jù)無源無線SAW 壓力傳感器的敏感特點,提出了一種具有較高靈敏度的壓力傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計.傳感器的受力敏感部分采用簡支梁結(jié)構(gòu),通過分析找到梁的最大應(yīng)變點,在梁的上下兩側(cè)最大應(yīng)變區(qū)域中心對稱分布了兩個相同的單端口SAW 諧振器.由兩個SAW 諧振器組成差動式測量結(jié)構(gòu),具有較高的靈敏度,并減少了溫度對測量結(jié)果的影響,對遲滯效應(yīng)帶來的誤差有一定的補償作用.關(guān)鍵詞:SAW 壓力傳感器;結(jié)構(gòu)設(shè)計;差動式頻率測量;靈敏度中圖分類號:TN 65文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A 文章編號:100421699(20070420770204自1965年美國的R.M.White 和F.M.Vol 2rmov 利用叉

6、指換能器(ID T 直接在壓電介質(zhì)上有效地激勵出聲表面波(surface acoustic wave 縮寫SAW 后,SAW 技術(shù)得到迅猛發(fā)展.基于SA W 對某些物理、化學(xué)、生物量的敏感特性,許多各具特色的SAW 器件被開發(fā)出來1.SAW 壓力傳感器所特有的高頻特性及器件基片材料的壓電、逆壓電效應(yīng),使其與傳統(tǒng)壓力傳感器相比,具有高靈敏度、微型、無源無線等優(yōu)點,適用于易燃、易爆、密閉等特定環(huán)境下的遙測與傳感224.早期的SA W 壓力傳感器的敏感機構(gòu)大多采用延遲線型振蕩器,通過測量延遲時間的變化量來測量壓力425.在上個世紀(jì)90年代后,諧振型SAW 振蕩器以其高Q 值、小插入損耗等特性在壓力傳

7、感器領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用,通過測量諧振器中心諧振頻率f 的變化量來測量壓力627.1諧振型SA W 壓力傳感器檢測原理單端口SA W 諧振器的結(jié)構(gòu)如圖1所示,其中心諧振頻率f 由公式(1確定:圖1單端口SAW 諧振器結(jié)構(gòu)示意圖f =v(1式中,f為諧振器的諧振中心頻率;v為SAW的波速;為SAW的波長.SAW的波長和金屬柵極間距d的對應(yīng)關(guān)系為=2d.SAW的波速v與基片的彈性常數(shù)c ikj m以及密度有如下對應(yīng)關(guān)系5:vc 3(2式中,v為基片上SAW的傳播速度;c3是彈性常數(shù)c ikj m的線性合成;為基片的密度.SAW壓力傳感器的敏感原理為:當(dāng)載荷作用在SAW基片上時,基片的形變導(dǎo)致金屬柵極間

8、距d發(fā)生變化;同時, 材料密度等物理參數(shù)的變化將導(dǎo)致SAW的波速v也發(fā)生變化.金屬柵極間距d和波速v的變化最終導(dǎo)致諧振器中心頻率f的變化.當(dāng)諧振器基片受力發(fā)生應(yīng)變時,金屬柵極間距d和SAW的波速v表示如下:d(=d0(1+v(=v0(1+k(3式中,d(和v(分別為基片產(chǎn)生應(yīng)變后的相鄰金屬柵極中心距和SAW波速;d0和v0分別為初始狀態(tài)下的相鄰金屬柵極中心距和SAW波速;k為材料常數(shù);為基片的應(yīng)變.若基片材料為石英晶體,k=-0.47.由公式(1和(3,推導(dǎo)得出諧振器中心諧振頻率f與基片的應(yīng)變的對應(yīng)關(guān)系為:f(=v (=v0(1+k2d0(1+=f01+k1+(4諧振頻率偏移量為:f=f(-f

9、0f0(k-1(5式中,諧振器的初始中心諧振頻率和k是確定的,因此,f的大小由應(yīng)變決定.2壓力傳感器敏感結(jié)構(gòu)設(shè)計本文提出的SAW壓力傳感器在結(jié)構(gòu)上分為兩部分:傳動轉(zhuǎn)換元件和彈性敏感元件.其中彈性敏感元件部分設(shè)計采用簡支梁結(jié)構(gòu),如圖2所示,A為固定鉸支座,B為可動鉸支座,梁的長、寬、高分別為l、b、h.圖2簡支梁結(jié)構(gòu)相對于現(xiàn)有設(shè)計中常采用的懸臂梁結(jié)構(gòu),在相同尺寸和受力情況下,簡支梁結(jié)構(gòu)的最大彎矩僅為懸臂梁的四分之一;相對于雙端固定梁結(jié)構(gòu),在同等尺寸和受力條件下,簡支梁結(jié)構(gòu)發(fā)生形變的最大撓度是雙端固定梁的4.05倍.另外,簡支結(jié)構(gòu)沒有夾緊固定結(jié)構(gòu)所具有的夾緊預(yù)應(yīng)力.當(dāng)在梁的中點處加載集中力F時,梁

10、上沿X軸方向的正應(yīng)力為8:=MyI(6式中,M為簡支梁的彎矩;y為彎曲面到中性軸的距離;I為橫截面對中性軸的慣性矩.簡支梁上彎矩M分布如圖3所示,最大彎矩位于梁的中點處,大小為Fl/4.圖3簡支梁上彎矩分布示意圖梁上最大正應(yīng)力為8:max=M max y maxI(7式中,M max=Fl4;y max=h2;I=bh312.由式(7可推得最大許用載荷為:F max=max2bh23l(8基于石英材料應(yīng)用技術(shù)的成熟及ST切型石英基片所特有的零溫度系數(shù)特性9,在結(jié)構(gòu)設(shè)計中,簡支梁的材料選用ST切型石英,尺寸為22mm×7.66mm×0.5mm.石英材料的極限許用應(yīng)力=29.4

11、×1067,由公式(8可求得F max=14.7N,這是簡支梁的受力極限.根據(jù)壓力傳感器的量程選取規(guī)則:取受力極限的30%80%10,簡支梁安全受力范圍為011.76N.在已知簡支梁尺寸和受力范圍的前提下,前端壓力傳動轉(zhuǎn)換元件采用現(xiàn)有成熟器件中的波紋管.整體結(jié)構(gòu)設(shè)計時,選取特定配套尺寸和波紋數(shù)的A 口WD型波紋管,可以滿足簡支梁的受力要求.在本設(shè)計中,由波紋管和簡支應(yīng)變梁構(gòu)成的壓力傳感器有效壓力測量范圍為00.6M Pa;根據(jù)波紋管的力學(xué)特性11,計算得出波紋管中均布壓力P與簡支梁受到的力F的對應(yīng)關(guān)系為:F=AP(9式中,A為比例系數(shù),值為1.96×10-4m2.當(dāng)輸入壓力

12、P,簡支梁受壓形變的撓曲線方程為8:w=-A P x48EI(3l2-4x2,0xl2(10式中,w為梁變形后的撓度;A為比例系數(shù);P為輸177第4期劉文輝,李平等:一種無源無線SAW壓力傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計入壓力;x為距固定鉸支座A的距離;l為梁的長度;E為石英材料的有效彈性模量;I為簡支梁橫截面對中性軸的慣性矩.簡支梁受壓變形后,沿X軸方向的應(yīng)變?yōu)?,10:=-y92w9x2(11式中,為X軸方向上的應(yīng)變;y為彎曲面到中性軸的距離;w為梁變形后的撓度.簡支梁的上下表面平行且厚度h遠(yuǎn)小于長度l,根據(jù)撓度互等原理8,上下表面位置相同處撓度相同.所以,在梁的上下表面位置相同處,沿X軸方向上的應(yīng)變絕對值

13、大小相等.由公式(10、(11可知,梁的最大應(yīng)變位于中點C處.加減載過程中,梁上表面受壓縮、中點C處為壓縮最大;梁的下表面受拉伸、中點C處為拉伸最大.所以,在梁的上表面或者下表面應(yīng)變最大的區(qū)域布置SAW諧振器,檢測壓力時能獲得高的靈敏度.如用最大應(yīng)變值近似表示諧振器的應(yīng)變,由公式(5、(9、(10和(11可推得:f=±7A hl80EIP f0(12式中,f為頻率的變化值;"±"表示諧振器布于簡支梁上下兩面時頻率變化的不同趨勢;A為比例系數(shù);h、l、E和I分別表示簡支梁的厚度、長度、彈性模量、橫截面對中性軸的慣性矩;P為輸入壓力;f0為諧振器的初始中心諧

14、振頻率.但在實際壓力測量時,SAW壓力傳感器中心諧振頻率的變化不僅與壓力有關(guān),還受環(huán)境其他因素的影響,特別是溫度的變化對傳感器的性能影響很大.SAW諧振器的中心諧振頻率與壓力和溫度的關(guān)系可表述為6:f(p,T=f01+S(P-P0+T C(T-T0(13式中,P0和T0分別為壓力和溫度的初始參考值;S 和T C分別為一階壓力和溫度系數(shù).SAW諧振器基片受力變形后,被壓縮的地方波速加快,諧振頻率變大;被拉伸的地方波速減小,諧振頻率變小4.因此,為了充分利用簡支梁的應(yīng)變,使傳感器的靈敏度達(dá)到最大,在梁的上下表面應(yīng)變最大區(qū)域,成中心對稱制作兩個單端口SA W諧振器.如圖4所示,實線和虛線處分別為布置

15、諧振器1和2的位置;小圓為集中力的加載點.兩個SAW 諧振器的尺寸相同,初始中心諧振頻率為144.25 M Hz,Q值為4000.由兩個諧振器構(gòu)成差動式測量結(jié)構(gòu)后,輸出頻率為:f=f1-f2=(f10-f20+(S1f10 -S2f20(P-P0+(f10T C1-f20T C2(T-T0(14圖4敏感基片示意圖同一基片正反面的兩個SAW諧振器的尺寸、性能參數(shù)相同,f10=f20=f0,T C1=T C2;梁的上側(cè)受壓、下側(cè)受拉,S1S2.傳感器受壓后的頻率輸出為:f=f0S3(P-P(15式中,S3=S1-S2.由于兩個單端口諧振器分別處于壓縮和拉伸最大區(qū)域,由公式(15可知,它們的壓力系數(shù)

16、之差S3的絕對值達(dá)到最大,靈敏度得到提高;同時,兩者經(jīng)受相同的溫度變化,公式(14中的溫度項抵消為零,實現(xiàn)了傳感器的溫度補償.3 測試結(jié)果及性能指標(biāo)無源無線SA W壓力傳感器檢測系統(tǒng)原理如圖5所示.信號源產(chǎn)生的射頻查詢信號經(jīng)過調(diào)理后發(fā)射,激勵SA W諧振器使之振蕩;依靠收發(fā)開關(guān)的切換導(dǎo)通功能,在查詢信號結(jié)束后,由傳感器輸出的瞬態(tài)衰減的傳感信號經(jīng)過接收、調(diào)理電路,傳輸?shù)胶蠖擞嬎銠C中進(jìn)行處理,通過檢測反映被測量特征的諧振信號頻率的變化,達(dá)到測量壓力的目的.圖5無源無線SAW波傳感器測量系統(tǒng)示意圖經(jīng)測定,傳感器能檢測的最小壓力值為500Pa;傳感器的量程為00.6MPa.根據(jù)分辨率的定義12,求得該

17、SAW壓力傳感器的分辨率為0.083%.在環(huán)境溫度為18,輸入壓力為00.6M Pa,步進(jìn)為25kPa時,圖6為簡支梁上表面上SA W諧振器1輸出頻率與壓力的對應(yīng)關(guān)系曲線;圖7為簡支梁下表面上SA W諧振器2輸出頻率與壓力的對應(yīng)關(guān)系曲線.SAW壓力傳感器的靈敏度衡量為10,12:S=1f0fP(16式中,S為靈敏度;f0為SA W諧振器的初始中心諧振頻率;f為輸出頻率的變化量;P為輸入壓力的變化量.277傳感技術(shù)學(xué)報2007年 圖6加減載過程諧振器1圖7加減載過程諧振器2頻率變化曲線頻率變化曲線通過加減載實驗測定,輸入壓力每發(fā)生25kPa 的變化時,諧振器1的輸出頻率變化為0.010M Hz

18、,諧振器2的輸出頻率變化為-0.011M Hz.計算得出:諧振器1的壓力靈敏度為2.89×10-9(f /f 0/Pa ;諧振器2的壓力靈敏度為-3.03×10-9(f /f 0/Pa.采用差動測量方式時,SAW 壓力傳感器的頻率輸出變化量與輸入壓力的對應(yīng)關(guān)系曲線如圖8所示,壓力靈敏度達(dá)到 5.9×10-9(f /f 0/Pa .圖8差動測量方式下加減載過程輸出頻率變化量與壓力的對應(yīng)關(guān)系曲線石英材料的遲滯特性表現(xiàn)為SA W 壓力傳感器在正、反行程輸出頻率-壓力對應(yīng)關(guān)系曲線的不重合,如圖6、圖7和圖8所示.遲滯的大小為12:H =±(H max Y ES&

19、#215;100%(17式中,H 為遲滯的大小;(H max 為正反行程的最大偏差;Y ES 為最大輸入量時的輸出.計算得出:SAW 諧振器1的遲滯誤差為-8.28%FS;SAW 諧振器2的遲滯誤差為2.99%FS;采用差動式測量的遲滯誤差為2.15%FS.存在較大遲滯誤差的原因:傳感器機械部分存在不可避免的缺陷,如間隙、零件之間的配合公差.可通過提高零件的加工精度、裝配接觸面的平面度;或在關(guān)鍵部位采取一體化加工,避免使用輔助固定膠等來降低遲滯誤差.4結(jié)論利用SAW 諧振器對力的敏感特點,提出了一種基于簡支梁方式的SAW 壓力傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計.分析找出了簡支梁的最大應(yīng)變區(qū)域,在梁上下表面的應(yīng)變最

20、大區(qū)域成中心對稱分布兩個尺寸、性能參數(shù)相同的單端口SAW 諧振器,達(dá)到了充分利用梁的應(yīng)變使傳感器的靈敏度達(dá)最大的目的.由兩個SAW 諧振器構(gòu)成的差動式測量結(jié)構(gòu),不但可使靈敏度得到提高,還可對溫度影響進(jìn)行補償.同時實驗證明,差動式結(jié)構(gòu)對遲滯效應(yīng)帶來的誤差有補償作用.參考文獻(xiàn):1Morgan D P.History of SAW devicesC/IEEE Internation 2al Frequency Control Symposium ,1998:4392459.2Yakovkin ,I B ,et al.SAW Pressure SensorsC/IEEE Ul 2trasonics S

21、ymposium ,1994:20223.3Wolff U.SAW Sensors for Harsh Environment s J ,IEEESensors Journal ,2001,1(1:4213.4Reindl L ,et al.A Wireless AQP Pressure Sensor UsingChirped SAW Delay Lines Structures C /IEEE Ultrasonics Symposium ,1998:3552358.5Scherr H ,et al.Quartz Pressure Sensor Based on SAW ReflectiveDelay LineC/IEEE Ult