聲表面波諧振器的高溫?zé)o線傳感特性研究.pdf

1、聲表面波傳感器具有精度高、響應(yīng)快、無源激勵、無線傳輸?shù)忍攸c(diǎn)，在航空航天、環(huán)境監(jiān)測、軍事安全等領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用價值。本論文以高溫、復(fù)雜環(huán)境下金屬結(jié)構(gòu)件的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測為研究背景，通過無線測試技術(shù)，研究了聲表面波諧振器的溫度特性及防護(hù)層結(jié)構(gòu)的影響，考察了其應(yīng)用于高溫應(yīng)變測試的傳感特性，并針對聲表面波應(yīng)變傳感器在金屬結(jié)構(gòu)件高溫應(yīng)變測試中存在的問題，探索了與金屬件一體集成的聲表面?zhèn)鞲衅餮兄萍夹g(shù)。
　　為了滿足高溫?zé)o線測試的需求，本論文選用

2、歐拉角分別為（0°,138.5°,27°）和（0°,138.5°,117°）的硅酸鎵鑭（LGS）單晶為襯底材料，設(shè)計制備了單端口聲表面波諧振器，并通過采用無線測試技術(shù)，對所研制的聲表面波諧振器在20℃～600℃溫度區(qū)間的溫度特性進(jìn)行了研究。測試結(jié)果表明：兩種不同切向的LGS聲表面波諧振器具有不同的溫度特性，基于切向?yàn)椋?°,138.5°,27°）的LGS單晶的聲表面波諧振器具有單調(diào)的頻率-溫度特性，而基于切向?yàn)椋?°,138.5°,11

3、7°）的LGS單晶的聲表面波諧振器具有非單調(diào)的頻率-溫度特性。
　　針對聲表面波諧振器在高溫環(huán)境下穩(wěn)定性差的問題，本論文對聲表面波器件的表面防護(hù)層結(jié)構(gòu)進(jìn)行了系統(tǒng)性研究。通過使用仿真和實(shí)驗(yàn)相結(jié)合的方法，研究了AlN表面防護(hù)層結(jié)構(gòu)對聲表面波器件性能的影響。研究結(jié)果表明，在有AlN防護(hù)層結(jié)構(gòu)的器件中，隨著AlN防護(hù)層厚度的增加，器件中的聲波傳播速度增加，機(jī)電耦合系數(shù)增加，但是頻率溫度系數(shù)（TCF）下降。雖然AlN防護(hù)層結(jié)構(gòu)使得聲表面波諧

4、振器的溫度敏感特性略微下降，但在高溫環(huán)境下，AlN防護(hù)層結(jié)構(gòu)的引入使得聲表面波器件的Q值有明顯的提高，且在長時間測試后其Q值無明顯的減小，說明AlN防護(hù)層結(jié)構(gòu)能夠大幅提升聲表面波器件在高溫環(huán)境下的性能。
　　在對聲表面波諧振器的頻率-溫度特性研究的基礎(chǔ)上，采用自行設(shè)計、搭建的高溫應(yīng)變無線測試平臺，對切向分別為（0°,138.5°,117°）和（0°,138.5°,27°）的LGS聲表面波諧振器的頻率-應(yīng)變特性進(jìn)行了研究。測試溫度范

5、圍為20℃～500℃。通過數(shù)值計算的方法，分別提取了兩個聲表面波諧振器的應(yīng)變敏感系數(shù)。研究結(jié)果表明，兩種聲表面波諧振器的應(yīng)變敏感因子都隨著溫度升高而增加，但相對而言，采用（0°,138.5°,117°）切向的LGS單晶所研制的器件對應(yīng)變更加敏感。論文中，對聲表面波諧振器的應(yīng)變測試誤差進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，兩種不同切向的LGS聲表面波諧振器的應(yīng)變相對線性度誤差均約小于2％，500℃下的熱滯誤差小于5%，所研制的聲表面波應(yīng)變傳感器具有良好的

6、性能。
　　通常，聲表面波傳感器是通過使用膠粘結(jié)在被測工件表面。在對結(jié)構(gòu)件進(jìn)行高溫應(yīng)變測試的過程中，粘結(jié)劑給聲表面波傳感器帶來的可靠性問題無法避免。為此，本論文還探索了將聲表面波傳感器直接制作在金屬結(jié)構(gòu)件上的可行性，其主要技術(shù)方案是：采用薄膜技術(shù)將壓電材料直接沉積在金屬結(jié)構(gòu)件表面，并基于這種結(jié)構(gòu)研制聲表面波器件。為了與基于LGS單晶的聲表面波無線傳感器相區(qū)別，本論文將這種直接制作在金屬結(jié)構(gòu)件表面的聲表面波無線傳感器稱之為：與金屬結(jié)

7、構(gòu)一體集成的聲表面波無線傳感器。首先，本論文對金屬材料一體化集成的聲表面波諧振器的研制可行性進(jìn)行了仿真驗(yàn)真，然后根據(jù)仿真結(jié)果，采用中頻磁控反應(yīng)濺射的方法，在TC4合金襯底上制備了高c軸取向性的AlN薄膜，并對所研制的表面聲波諧振器性能進(jìn)行了測試。測試結(jié)果顯示：這種一體化集成的聲表面波諧振器的諧振頻率隨著溫度升高而降低，且其頻率-溫度特性與AlN薄膜的厚度有關(guān)，當(dāng)AlN薄膜厚度從1.5μm增加至3.0μm時，其TCF絕對值從89.4ppm

8、/℃下降至66.2ppm/℃；隨著溫度的升高，這種一體化集成的聲表面波諧振器的機(jī)電耦合系數(shù)也將增大，當(dāng)環(huán)境溫度從室溫增加至350℃時，其機(jī)電耦合系數(shù)增加約30%。此外，對與金屬結(jié)構(gòu)一體化集成的聲表面波諧振器的應(yīng)變特性進(jìn)行了測試。測試結(jié)果表明，這種聲表面波器件具有良好的應(yīng)變響應(yīng)特性，在350℃條件下，其應(yīng)變滯后誤差僅為1.12%，遠(yuǎn)小于LGS聲表面波器件的應(yīng)變滯后誤差。雖然，這只是初步研究結(jié)果，但已經(jīng)表明：這種與金屬材料一體集成的聲表面波