[發明專利]一種多叉指并聯型樂甫波器件結構及其批量液體檢測方法

有效

• 申請號: 201510207974.1
• 申請日: 2015-04-28
• 公開（公告）號: CN104902416B
• 公開（公告）日: 2018-02-16
• 發明（設計）人: 陳智軍;王昕辰;鐘悅蕓;孫聰;童銳
• 申請（專利權）人: 南京航空航天大學
• 主分類號: H04R23/00
• 分類號: H04R23/00;G01N9/00;G01N11/00;G01R27/22;G01R27/26
• 代理公司: 南京經緯專利商標代理有限公司32200
• 代理人: 朱小兵

技術領域

本發明涉及一種聲波器件，尤其涉及一種具有防碰撞識別功能的用于批量液體多參數傳感的樂甫波器件結構及檢測方法，屬于新型傳感器領域。

背景技術

液體傳感器主要用于對液體本身特征參數的檢測，通常包括密度、粘度兩種機械參數和介電常數、電導率兩種電學參數的測量(在某些特殊的情況下，還需要測量液體的體積彈性模量)。液體檢測不僅關注液體某單個特定的特征參數，還希望能夠并行檢測液體的多個特征參數。在科學技術尤其是信息科學技術日新月異發展的今天，無線傳感技術成為傳感器領域的發展趨勢和研究熱點。在液體檢測領域，無線傳感也是大勢所趨。

聲波傳感器是一種新型諧振式傳感器。聲波傳感器以壓電材料作為敏感器件，利用壓電效應，通過叉指換能器在壓電基片上激發出彈性波，主要根據聲波的傳播特性隨被測對象變化來實現檢測功能。在閱讀器和天線的配合下，聲波傳感器在無線傳感的同時也不需要電源。聲波傳感器最引人注目的便是其無線功能和無源本質。

通常來說，聲波傳感器可分為聲表面波傳感器、聲板波傳感器、樂甫波傳感器三種類型。其中，樂甫波傳感器最適于液相檢測。樂甫波器件在半無限壓電基片上增加了一層波導層，在用于液體傳感時，可避免液體對叉指換能器的侵蝕，起到保護作用，還可以通過對波導層厚度的調整來改善靈敏度等指標。與此同時，由于樂甫波器件只存在水平剪切方向的振動位移，與沿傳播方向存在振動位移的聲表面波和聲板波器件相比，液體的體積彈性模量不影響樂甫波的傳播特性，在測量液體密度、粘度、介電常數、電導率時，消除了液體體積彈性模量對測量結果的耦合影響。

聲波傳感器用于液體檢測時，檢測結果受環境溫度影響，并且很多時候在測量液體特征參數的同時還需要測出環境溫度。除此之外，液體的出現還會導致聲波信號的明顯衰減，這在有源有線的測試方法中不會造成太大影響，但在用于無線傳感時需要采取各種有效的方法來增強信號強度。以采用由叉指換能器和多個反射柵構成的單端延遲線型“聲表面波標簽”式結構為例，無線接收到的回波信號是經反射柵反射的反射回波信號，當在該結構上設置液體敏感區用于液體檢測時，聲波在傳播和反射過程中兩次經過液體試樣，回波信號將產生極大衰減，不利于信號的無線接收(如文獻：“I. I. Leonte, M. S. Hunt, J. Gardner, et al. Towards a wireless microsystem for liquid analysis. in Proceeding of IEEE Sensors, Piscataway, NJ, USA, 2004: 919-922”)。還需要引起重視的是，由于聲波器件為無源被動器件，當多個器件處于閱讀器的可檢測范圍以內時，不可避免會導致信號的碰撞。對于諸如生物醫學、食品安全、環境保護等領域的批量待測液體試樣，所有試樣測試時都放置在一起以便于操作，與閱讀器之間的距離和方位不存在明顯的差別，因此如何實現防碰撞識別功能，是無源無線聲波傳感器用于批量液體檢測時需要解決的關鍵問題。

發明內容

本發明所要解決的技術問題是提供一種具有防碰撞識別功能的用于批量液體多參數傳感的樂甫波器件結構及檢測方法，采用無源無線方法完成對批量液體試樣密度、粘度、介電常數和電導率的并行檢測，同時還能測量環境溫度，并且消除環境溫度對液體測量結果的影響。

本發明為解決上述技術問題采用以下技術方案：

一種多叉指并聯型樂甫波器件結構，所述樂甫波器件結構包括壓電基片、主叉指換能器、第一從叉指換能器、第二從叉指換能器、第三從叉指換能器、第四從叉指換能器、壓電薄膜、第一液體敏感區、第二液體敏感區；其中，主叉指換能器、第一從叉指換能器、第二從叉指換能器、第三從叉指換能器和第四從叉指換能器均并聯在一起，且沉積在壓電基片表面，主叉指換能器位于壓電基片中部，第三從叉指換能器、第四從叉指換能器分別位于壓電基片左右兩端，第一從叉指換能器位于主叉指換能器和第三從叉指換能器之間，第二從叉指換能器位于主叉指換能器和第四從叉指換能器之間；壓電薄膜濺射在壓電基片表面并覆蓋主叉指換能器、第一從叉指換能器、第二從叉指換能器、第三從叉指換能器、第四從叉指換能器；第一液體敏感區設置于第一從叉指換能器與第三從叉指換能器之間，第二液體敏感區設置于第二從叉指換能器與第四從叉指換能器之間，在所述第一液體敏感區和第二液體敏感區上分別設置有一個用于負載液體試樣的液槽。

進一步的，所述第一液體敏感區和第二液體敏感區為不同的界面電學結構，其中第一液體敏感區是金屬化電學結構的液體敏感區，第二液體敏感區是自由化電學結構的液體敏感區。