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文檔簡介
1、聲表面波(Surface acoustic wave,SAW)器件因為其具有體積小、品質因數(shù)高、響應快、成本低、可以無線無源工作等優(yōu)點,因此非常適合高溫高壓、高速移動或旋轉、有毒有害等惡劣環(huán)境中進行傳感。隨著對航空航天、工業(yè)制造等領域的結構健康監(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用前景。因此展開在惡劣環(huán)境下進行溫度、應變等物理量進行傳感的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溫度應變傳感器。設計出的SAW傳感器為諧振器結構,叉指對數(shù)為100對,叉指寬度為2μm,金屬化比率為0.5,孔徑長度為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軟件對所設計的器件進行了仿真計算。
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。并對工藝參數(shù)進行了優(yōu)化,得到了性能優(yōu)異的SAW傳感器。
本文對所制得的LGS聲表面波傳感器進行了溫度性能測試,溫度測試范圍為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。為了驗證LGS聲表面波傳感器的溫度重復性,我們對其進行了溫度循環(huán)測試,測試結果表明循環(huán)測試下傳感器的溫度重復性良好,其最大誤差為2.39%,滿足測試需求。
本文還對20℃~250℃下LGS傳感器的應變特性進行了研究。通過懸臂梁結構測試了LGS的頻率應變特性,測試表明LGS傳感器的諧振頻率隨著應變的增加呈線性降低,應變靈敏度為-162.94Hz/με,應變頻
5、率系數(shù)為-0.488ppm/με。通過溫度應變測試可知,隨著溫度的升高,傳感器的應變靈敏度逐漸降低,到250℃時,靈敏度為-120.75Hz/με,應變頻率系數(shù)為-0.363ppm/με。
本文還研究了SAW傳播方向與應變方向夾角的關系。通過不同角度粘接傳感器的方式,改變傳感器的SAW傳播方向與應變的夾角,研究了其應變特性。粘接器件的角度分別為0°,30°,60°,90°,測試結果表明,SAW的傳播方向與應變方向的夾角發(fā)生改變
6、時,傳感器諧振頻率對應變的響應也隨之發(fā)生改變,夾角為30°,60°,90°時,其諧振頻率會隨著應變的增加而增加,其靈敏度分別為179.17 Hz/με,325.09 Hz/με,162.48 Hz/με。頻率應變系數(shù)分別為0.536 ppm/με,0.973 ppm/με,0.486ppm/με。另外還對這些傳感器進行了不同溫度下的應變測試,其靈敏度亦隨著溫度的上升而降低。
最后,本論文對LGS傳感器進行了應變誤差分析.計算了
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