[發明專利]基于縱橫應力調整的SAW高溫壓力傳感器溫度補償方法

有效

• 申請號: 201110396986.5
• 申請日: 2011-12-02
• 公開（公告）號: CN102435384A
• 公開（公告）日: 2012-05-02
• 發明（設計）人: 吉小軍;任姝;范彥平;韓韜;蔡萍
• 申請（專利權）人: 上海交通大學
• 主分類號: G01L19/04
• 分類號: G01L19/04
• 代理公司: 上海漢聲知識產權代理有限公司 31236
• 代理人: 郭國中

技術領域

本發明涉及的是一種用于聲表面波(SAW)高溫壓力傳感器的溫度補償的方法。具體是在優化選擇SAW敏感基片切型的基礎上，通過控制基片表面的縱橫應力比來改善SAW諧振器的頻率-溫度特性，從而實現較寬溫度和程范圍的更好的溫度補償效果。

背景技術

高溫環境下溫度、壓力等參數的檢測是石油、化工、汽車、航天、軍事等領域的一項重要任務，由于高溫環境下供電和導線聯接困難，一般電子線路也難以正常工作，常規傳感器的使用受到極大限制。因此研究適合高溫環境下使用的壓力傳感器是非常有意義的。基于聲表面波(Surface?Acoustic?Wave，簡寫為SAW)技術的傳感器是純無源且便于進行無線測量和傳輸，這對于運動部件、密閉腔、易燃、易爆、輻射、高溫等特殊環境的檢測更為有利。目前國際上已研制成功了以石英晶體為基片的聲表面波壓力傳感器，在結構上有石英杯式、導壓式、杠桿式、懸臂梁式等。但是以石英、鈮酸鋰等常用壓電晶體為基片的SAW傳感器并不適合在200℃以上的高溫環境下使用。新興的LGS(硅酸鎵鑭，Langsite(La₃Ga₅SiO₁₄))壓電晶體具有良好的壓電特性和溫度特性，是到目前為止發現的最好的高溫聲表面波基片材料，它的出現使無線無源化的高溫SAW壓力傳感器成為可能。但在高溫條件下不僅會引起熱應力、基片和金屬叉指結構形變，而且也會使基片材料常數發生變化，表現為基片零溫度特性點(簡稱拐點)的漂移、靈敏度的變化、SAW諧振器Q值的降低和插損的增大，從而使傳感器的穩定性和線性度變差，因此研制SAW高溫壓力傳感器必須很好解決溫度補償問題。

經對現有技術的文獻檢索發現，現有的方法是通過選用零溫度系數切向和雙通道差動結構，該補償方法要求進行差頻的兩個諧振器的頻率溫度特性完全一致，這在工藝上是很難做到的。同時，所謂的零溫度系數切向也是相對某一特定溫度點而言的，SAW器件的頻率溫度特性隨著溫度的變化而發生顯著變化，如目前在SAW壓力傳感器上廣泛使用的石英ST切，在室溫下其溫度系數基本為零，但如果溫度變化到100℃，其溫度系數則變為約90ppm。同時溫度敏感性和壓力敏感性之間還存在非線性耦合問題，即頻率-溫度特性會隨著壓力的變化而變化，而且這種非線性耦合會隨著溫度和壓力范圍的增大而加劇。這樣傳統的溫度補償措施只是針對某個固定壓力點的，而不能實現全量程范圍的補償。

經對現有技術的文獻檢索發現，中國專利申請“高溫(600℃)壓力測量無源無線聲表面波傳感器(CN102169036A)”公開了一種可用于600℃高溫的無源無線聲表面波壓力傳感器，該專利僅對傳感器的一般基本組成結構進行了公開，并未涉及基片切向優化選擇和溫度補償問題。

經對現有技術的文獻檢索發現，中國專利“聲表面波頻率器件溫度補償系統(CN201584960U)”公開了一種聲表面波頻率器件溫度補償系統，包括溫度傳感器、溫度補償電路、可調電容庫等。其基本思路是預先測出SAW器件的頻率溫度特性，并將其作為列表存儲在存儲器中，工作時通過溫度傳感器測量當前實際溫度并依次查詢列表，確定應調整的可變電容的大小，從而實現SAW器件頻率的性對穩定。可以看出該專利是以保持器件的頻率穩定為目的，且采用的技術思路是引入專門的溫度傳感器和可調電容，與本申請的技術思路完全不同。

經對現有技術的文獻檢索發現，文獻“浮動零點法及其在聲表面波傳感器中的應用(陳明、李歲勞、范東遠；載于《航空計測技術》1994年04期)”及“用浮動零點法消除溫度對SAW加速度計測量準確度的影響(劉駿躍，陳明；載于《傳感技術學報》2005年03期)”提出了應用浮動零點法進行溫度補償的方法。其基本思路是采用差動諧振器原理，通過判斷兩個諧振器的頻率變化方向是否一致來確定是被測信息還是溫度干擾信息引起的輸出。如果兩個諧振器的頻率變化方向一致，說明是由溫度變化引起的，將此差頻輸出作為新的零點，從而實現零位點隨溫度變化的浮動。可以看出這種方法只適合溫度變化和被測量變化不同時發生的情形，但實際在壓力傳感器應用上，溫度和壓力的變化往往都是同時發生的，因此該方法并不適合。

發明內容

本發明涉及一種基于縱橫應力調整的聲表面波(SAW)高溫壓力傳感器溫度補償的方法。本發明的目的是針對高溫聲表面波壓力傳感器開發和應用中的溫度補償難題，在優化選擇SAW敏感基片切型的基礎上，通過控制基片表面的縱橫應力比來改善SAW諧振器的頻率-溫度特性，從而實現較寬溫度和程范圍的更好的溫度補償效果。為高溫表面波壓力傳感器的溫度補償提供新的技術思路。