[發明專利]基于AlN壓電薄膜的無線無源聲表面波高溫應變傳感器

在審

• 申請號: 201910544793.6
• 申請日: 2019-06-21
• 公開（公告）號: CN110307811A
• 公開（公告）日: 2019-10-08
• 發明（設計）人: 王文;范淑瑤;李學玲;賈雅娜;梁勇
• 申請（專利權）人: 中國科學院聲學研究所
• 主分類號: G01B17/04
• 分類號: G01B17/04;G01S13/88
• 代理公司: 北京金智普華知識產權代理有限公司 11401
• 代理人: 皋吉甫

本發明提供了一種基于AlN壓電薄膜的無線無源聲表面波高溫應變傳感器，涉及應變傳感器技術領域，采用多層復合結構的單端對諧振器，并通過高溫應變傳感芯片與溫度補償芯片的頻率差分計算，能夠消除溫度引起的干擾，實現溫度補償，在高溫環境下實現無線無源測量；該傳感器包括高溫應變傳感芯片、溫度補償芯片和傳感器管座；所述高溫應變傳感芯片和所述溫度補償芯片設置在所述傳感器管座上；所述高溫應變傳感芯片的SAW傳播方向平行于所述傳感器管座的長度方向；所述溫度補償芯片的SAW傳播方向垂直于所述高溫應變傳感芯片的SAW傳播方向。本發明提供的技術方案適用于高溫環境應變傳感器應用的過程中。

【技術領域】

本發明涉及應變傳感器技術領域，尤其涉及一種基于AlN壓電薄膜的無線無源聲表面波高溫應變傳感器。

【背景技術】

近年來隨著國防工業的快速發展，航空航天、汽車、電力、核電以及石油石化等領域急需高溫應變傳感器。例如，航天飛行器的高溫部件應變的準確在線監測對于保障裝備精準作業及安全生產具有十分重要的現實意義。

電阻應變傳感器是利用金屬電阻絲受到外力作用產生應變會發生相應變化，通過測量傳感器電阻變化，得到檢測應變大小的目的。該類傳感器由于體積小、結構簡單、成本低，應用較為普遍，但是在信號信噪比較低時，傳感誤差較大。此外，電阻應變傳感器在高溫環境下易受到電磁輻射干擾，測量精度和穩定性較差。電阻式應變傳感器采用電池供電的有源檢測方式，而且在進行無線傳感時，需要將輸出信號進行數模轉換。因此，電阻應變傳感器難以在高溫高壓及無線無源等極端環境應用。

光纖應變傳感器是利用外界因素作用于光纖后，調制光的相位、強度、頻率等的參數將會發生變化，再利用干涉原理以及光信號檢測變換系統達到檢測應變目的。該類傳感器具有優異的測量性能，但其成本高、應用復雜，且容易受到非待測物理量的影響。普通光柵區在高溫時易擦除，反射率會降低，涂覆層材料(丙烯酸酯)不能承受高溫，容易發生炭化，從而使光柵失去傳感能力。因此，一般情況下，光纖應變傳感器很難在高溫的環境下穩定工作。而且，光纖傳感器的波長信息中既包含溫度信息也包含應變信息，溫度和應變交叉敏感也是光纖傳感技術的一個關鍵難題。

聲表面波傳感器是利用聲表面波器件作為敏感元件，將被測的物理量通過聲表面波的速度或者頻率反映出來，然后將聲信號轉換成電信號輸出，達到傳感目的。聲表面波傳感器具有體積小，功耗低，結構簡單，響應快速，高精度，高靈敏度，具有良好的穩定性，制作成本低，易于集成，而且可實現無線無源測量的特點，特別適合于高溫高壓及無人值守等極端應用環境。無線無源聲表面波傳感技術原理是由射頻收發模塊(雷達)發射與聲表面波傳感器件同頻的電磁波信號，通過天線由聲表面波傳感器件的叉指換能器接收并轉換成沿壓電晶體表面傳播的聲表面波，聲表面波在傳播過程中被反射器反射并被叉指換能器重新轉換成電磁波信號，再經由天線被收發模塊接收。在聲表面波傳播過程中如受到力、磁、溫度等影響，即會直接影響聲傳播速度及幅度。通過解調接收信號即可獲得相應傳感信息。

因此，有必要研究一種基于AlN壓電薄膜的無線無源聲表面波高溫應變傳感器來應對現有技術的不足，以解決或減輕上述一個或多個問題。

【發明內容】

有鑒于此，本發明提供了一種基于AlN壓電薄膜的無線無源聲表面波高溫應變傳感器，采用多層復合結構的單端對諧振器，并通過高溫應變傳感芯片與溫度補償芯片的頻率差分計算，能夠消除溫度引起的干擾，實現溫度補償，在高溫環境下實現無線無源測量。

一方面，本發明提供一種基于AlN壓電薄膜的無線無源聲表面波高溫應變傳感器，其特征在于，所述傳感器包括高溫應變傳感芯片、溫度補償芯片和傳感器管座；所述高溫應變傳感芯片和所述溫度補償芯片設置在所述傳感器管座上；

所述高溫應變傳感芯片的SAW傳播方向平行于所述傳感器管座的長度方向；所述溫度補償芯片的SAW傳播方向垂直于所述高溫應變傳感芯片的SAW傳播方向。