PDF《犔犌犁 声表面波双模温度传感器研究》

b u l ka c o u s t i cw a v e ;

d u a l m o d e ;

t e m p e r a t u r e s e n s o r ;

l i n e a ro u t p u t c h a r a c t e r i s t i c

0 引言 声表面波( S AW) 是指在物体表面产生并沿着 其自由表面或界面传播的一种弹性波.S AW 器件 是通过 S AW 来传播和处理信号的一种器件[ 1] . S AW 器件具有体 积小, 重复性高和性 能优 良等 特点, 当S AW 器件作为传感器时, 具有无线无源传感 的特性, 可用于不宜直接接触的恶劣环境下实现无 线检测温度及应变等[

2 3] . 硅酸镓镧( L a 3G a

5 S i O

1 4, L G S) 晶体是一种橙色 透明的新型压电晶体, 具有比石英大2~3倍的机电 耦合系数, 以及与石英相当的温度稳定性[

4 ] .另外, L G S晶体的SAW 传播速度低, 适合器件的小型化[

5 ] .L G S晶体 从室温到熔点(14

7 0 ℃) 都无相变, 所以, L G S晶体适合制作高温下应用的 S AW 器件, 如高温下应用的无线温度传感器[ 6] . 传统的基于S AW 谐振器的温度传感器是在压 电基片上制作一个 S AW 谐振器, 通过测试标定建 立起其谐振频率和环境温度的函数关系后, 即可通 过其谐振频率计算环境温度.然而, 对于基于 L G S 压电晶体的S AW 谐振器, 由于 L G S晶体的二阶温 度系数较大, 这使 S AW 谐振器的谐振频率随温度 变化在室温附近, 且呈二次函数关系[ 7] , 导致一个谐 振频率对应两个环境温度点, 故在全温度范围内不 能直接通过测试谐振频率而获得环境温度, 只能在 某个谐振频率随温度单调变化 的区间 进行 温度 测试.同时, 谐振频率随温度非线性变化, 也给温度的 标定和测算带来不便. 为了拓展基于 L G S 的SAW 温度 传感 器的工 作温度范围, 本文利用一个单端口 S AW 谐振器的 叉指换能器( I D T) 既能激发瑞利波模式的 S AW, 还能激发体声波的特性[

8 9] , 提出一种双模工作的SAW 温度传感器, 研究了该 S AW 器件的瑞利波和 体声波模式谐振频率的温度特性关系, 并对其作为 温度传感器进行了研究.

1 实验 在欧拉角为(

0 ° ,

1 3 8.

5 ° ,

2 7 ° ) 的L G S压电基片 上制作了S AW 谐振器, S AW 谐振器的基本结构包 括叉指电极和反射栅( 见图1) . I D T 线宽为2μ m, 共1

0 0对, 反射栅为

2 0

0 对, 且I D T 与反射栅间间 隔2μ m. 图1 S AW 温度传感器结构示意图与实物图 采用光刻剥离工艺在 L G S基片上制作了设计 的电极图形.采用磁控溅射法在 L G S表面首先沉 积厚1 0n m 的钛薄膜, 以提高电极的附着性, 再采 用电子束蒸发工艺生长厚1

5 0n m 的Au薄膜电极. 最后, 将制作的 S AW 器件在氮气中、

4 0

0 ℃下进行 退火, 以提高器件的稳定性. 采用矢量网络分析仪( 安捷伦 E

5 0

7 1 C) 测试了 制作 的SAW 谐振器的谐振频率. 将所制作的SAW 谐振 器放入加热箱中, 以测试不同温度下SAW 器件的谐振频率.

2 实验结果与讨论 2.

1 传感器温度频率特性 在常温下测得S AW 器件反射系数

1 1随频率的 变化曲线如图2所示.由图可看出, 制作的器件出 现了2个明显的谐振峰. 第一个峰位于约334MH z处, 是S AW 谐振器的瑞利波模式谐振峰. 第二个峰位于3

6 3 MH z处, 是SAW 谐振器的体波 模式谐振峰.从峰的强度可见, 虽然 S AW 谐振器 激发出了体波模式的谐振峰, 但其强度较弱. 图2 S AW 谐振器不同频率下的