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一种无源无线SAW压力传感器结构设计

第20卷　第4期2007年4月

传感技术学报

CHINESEJOURNALOFSENSORSANDACTUATORS

Vol.20　No.4Apr.2007

AStructureDesignforPassiveWirelessSAWPressureSensor3

LIUWen2hui,LIPing

3

WENYu2mei

CollegeofOptoelectronicEngineeringandTheKeyLabofOptoelectronicTechnologyandSystemoftheEducationMinistry,ChongqingUniversity,Chongqing400044,

China

Abstract:

BasedonthesensingcharacteristicofpassivewirelessSAW（SurfaceAcousticWavepressuresensors,asensitivestructuredesignofSAWpressuresensorispresented.Thesensingunitisconstructedbyfreelysupportedbeam.Byanalyzingthestraindistributiononbothsidesofthebeam,twosameSAWone2portresonatorsarearrangedcentrosymmetricallyonthebiggeststrainarea.AdifferencefrequencymeasurementstructurebetweentwoSAWone2portresonatorshasahighsensitivityandalittletempera2tureimpact.Italsocancompensatethehysteresiserrors.

Keywords:

SAWpressuresensor;structuredesign;differencefrequencymeasurement;sensitivityEEACC:

7230;7320V

一种无源无线SAW压力传感器结构设计3

刘文辉,李　平3,文玉梅

（重庆大学光电工程学院、光电技术及系统教育部重点实验室邮编400044

基金项目:

国家自然科学基金资助项目（60374045,50677072收稿日期:

2006205215　　修改日期:

2006207218

摘　要:

根据无源无线SAW压力传感器的敏感特点,提出了一种具有较高灵敏度的压力传感器结构设计.传感器的受力敏

感部分采用简支梁结构,通过分析找到梁的最大应变点,在梁的上下两侧最大应变区域中心对称分布了两个相同的单端口

SAW谐振器.由两个SAW谐振器组成差动式测量结构,具有较高的灵敏度,并减少了温度对测量结果的影响,对迟滞效应带

来的误差有一定的补偿作用.

关键词:

SAW压力传感器;结构设计;差动式频率测量;灵敏度中图分类号:

TN65　　

文献标识码:

A　　文章编号:

100421699（20070420770204

　　自1965年美国的R.M.White和F.M.Vol2rmov利用叉指换能器（IDT直接在压电介质上有效地激励出声表面波（surfaceacousticwave缩写SAW后,SAW技术得到迅猛发展.基于SAW对某些物理、化学、生物量的敏感特性,许多各具特色的SAW器件被开发出来[1].SAW压力传感器所特有的高频特性及器件基片材料的压电、逆压电效应,使其与传统压力传感器相比,具有高灵敏度、微型、无源无线等优点,适用于易燃、易爆、密闭等特定环境下的遥测与传感[224].

早期的SAW压力传感器的敏感机构大多采用延迟线型振荡器,通过测量延迟时间τ的变化量来测量压力[425].在上个世纪90年代后,谐振型SAW振荡器以其高Q值、小插入损耗等特性在压力传感

器领域得到广泛应用,通过测量谐振器中心谐振频

率f的变化量来测量压力[627].

1　谐振型SAW压力传感器检测原理

单端口SAW谐振器的结构如图1所示,其中

心谐振频率f由公式（1确定

:

图1　单端口SAW谐振器结构示意图

f=

v

λ

（1

式中,f为谐振器的谐振中心频率;v为SAW的波速;λ为SAW的波长.SAW的波长λ和金属栅极间距d的对应关系为λ=2d.

SAW的波速v与基片的弹性常数cikjm以及密度ρ有如下对应关系[5]:

v∝c3

ρ（2式中,v为基片上SAW的传播速度;c3是弹性常数cikjm的线性合成;ρ为基片的密度.

SAW压力传感器的敏感原理为:

当载荷作用在SAW基片上时,基片的形变导致金属栅极间距

d发生变化;同时,

材料密度等物理参数的变化将导

致SAW的波速v也发生变化.金属栅极间距d和波速v的变化最终导致谐振器中心频率f的变化.

当谐振器基片受力发生应变ε时,金属栅极间距d和SAW的波速v表示如下:

d（ε=d0（1+ε

v（ε=v0（1+k′ε

（3式中,d（ε和v（ε分别为基片产生应变后的相邻金属栅极中心距和SAW波速;d0和v0分别为初始状态下的相邻金属栅极中心距和SAW波速;k′为材料常数;ε为基片的应变.若基片材料为石英晶体,k′=-0.4[7].

由公式（1和（3,推导得出谐振器中心谐振频率f与基片的应变ε的对应关系为:

f（ε=v（ε

λ（ε=v0（1+k′ε

2d0（1+ε

=f0

1+k′ε

1+ε

（4

谐振频率偏移量为:

Δf=f（ε-f0≈f0ε（k′-1（5式中,谐振器的初始中心谐振频率ε和k′是确定的,因此,Δf的大小由应变ε决定.

2　压力传感器敏感结构设计

本文提出的SAW压力传感器在结构上分为两部分:

传动转换元件和弹性敏感元件.其中弹性敏感元件部分设计采用简支梁结构,如图2所示,A为固定铰支座,B为可动铰支座,梁的长、宽、高分别为l、b、h.

图2　简支梁结构

相对于现有设计中常采用的悬臂梁结构,在相同尺寸和受力情况下,简支梁结构的最大弯矩仅为悬臂梁的四分之一;相对于双端固定梁结构,在同等尺寸和受力条件下,简支梁结构发生形变的最大挠度是双端固定梁的4.05倍.另外,简支结构没有夹紧固定结构所具有的夹紧预应力.

当在梁的中点处加载集中力F时,梁上沿X轴方向的正应力为[8]:

σ=My

I

（6式中,M为简支梁的弯矩;y为弯曲面到中性轴的距离;I为横截面对中性轴的惯性矩.

简支梁上弯矩M分布如图3所示,最大弯矩位于梁的中点处,大小为Fl/4.

图3　简支梁上弯矩分布示意图

梁上最大正应力为[8]:

σ

max=

Mmaxymax

I

（7

式中,Mmax=Fl

4

;ymax=

h

2

;I=

bh3

12

.

由式（7可推得最大许用载荷为:

Fmax=σmax

2bh2

3l

（8

基于石英材料应用技术的成熟及ST切型石英基片所特有的零温度系数特性[9],在结构设计中,简支梁的材料选用ST切型石英,尺寸为22mm×7.66mm×0.5mm.

石英材料的极限许用应力[σ]=29.4×106[7],由公式（8可求得Fmax=14.7N,这是简支梁的受力极限.根据压力传感器的量程选取规则:

取受力极限的30%~80%[10],简支梁安全受力范围为0~11.76N.

在已知简支梁尺寸和受力范围的前提下,前端压力传动转换元件采用现有成熟器件中的波纹管.整体结构设计时,选取特定配套尺寸和波纹数的A口WD型波纹管,可以满足简支梁的受力要求.在本设计中,由波纹管和简支应变梁构成的压力传感器有效压力测量范围为0~0.6MPa;根据波纹管的力学特性[11],计算得出波纹管中均布压力P与简支梁受到的力F的对应关系为:

F=A・P（9式中,A为比例系数,值为1.96×10-4m2.

当输入压力P,简支梁受压形变的挠曲线方程为[8]:

w=-

APx

48EI

（3l2-4x2,0ΦxΦl

2

（10式中,w为梁变形后的挠度;A为比例系数;P为输

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第4期刘文辉,李　平等:

一种无源无线SAW压力传感器结构设计

入压力;x为距固定铰支座A的距离;l为梁的长度;

E为石英材料的有效弹性模量;I为简支梁横截面对中性轴的惯性矩.

简支梁受压变形后,沿X轴方向的应变为[8,10]:

ε=-y92w

9x2

（11式中,ε为X轴方向上的应变;y为弯曲面到中性轴的距离;w为梁变形后的挠度.

简支梁的上下表面平行且厚度h远小于长度l,根据挠度互等原理[8],上下表面位置相同处挠度相同.所以,在梁的上下表面位置相同处,沿X轴方向上的应变ε绝对值大小相等.由公式（10、（11可知,梁的最大应变位于中点C处.

加减载过程中,梁上表面受压缩、中点C处为

压缩最大;梁的下表面受拉伸、中点C处为拉伸最

大.所以,在梁的上表面或者下表面应变最大的区域

布置SAW谐振器,检测压力时能获得高的灵敏度.

如用最大应变值近似表示谐振器的应变,由公式

（5、（9、（10和（11可推得:

Δf=±7Ahl

80EI

Pf0（12式中,Δf为频率的变化值;"±"表示谐振器布于简支梁上下两面时频率变化的不同趋势;A为比例系数;h、l、E和I分别表示简支梁的厚度、长度、弹性模量、横截面对中性轴的惯性矩;P为输入压力;f0为谐振器的初始中心谐振频率.

但在实际压力测量时,SAW压力传感器中心

谐振频率的变化不仅与压力有关,还受环境其他因

素的影响,特别是温度的变化对传感器的性能影响

很大.SAW谐振器的中心谐振频率与压力和温度

的关系可表述为[6]:

f（p,T=f0[1+S（P-P0+TC（T-T0]（13式中,P0和T0分别为压力和温度的初始参考值;S和TC分别为一阶压力和温度系数.

SAW谐振器基片受力变形后,被压缩的地方波速加快,谐振频率变大;被拉伸的地方波速减小,谐振频率变小[4].因此,为了充分利用简支梁的应变,使传感器的灵敏度达到最大,在梁的上下表面应变最大区域,成中心对称制作两个单端口SAW谐振器.如图4所示,实线和虚线处分别为布置谐振器1和2的位置;小圆为集中力的加载点.两个SAW谐振器的尺寸相同,初始中心谐振频率为144.25MHz,Q值为4000.

由两个谐振器构成差动式测量结构后,输出频率为:

Δf=f1-f2=（f10-f20+（S

1f10

-S2f20（P-P0

+（f10TC

1-f20TC

2

（T-T0（14

图4　敏感基片示意图

同一基片正反面的两个SAW谐振器的尺寸、性

能参数相同,f10=f20=f0,TC

1

=TC

2

;梁的上侧受

压、下侧受拉,S1≠S2.传感器受压后的频率输出为:

Δf=f0S3（P-P

（15

式中,S3=S1-S2.

由于两个单端口谐振器分别处于压缩和拉伸最

大区域,由公式（15可知,它们的压力系数之差S3

的绝对值达到最大,灵敏度得到提高;同时,两者经

受相同的温度变化,公式（14中的温度项抵消为零,

实现了传感器的温度补偿.

3

　测试结果及性能指标

无源无线SAW压力传感器检测系统原理如图

5所示.信号源产生的射频查询信号经过调理后发

射,激励SAW谐振器使之振荡;依靠收发开关的切

换导通功能,在查询信号结束后,由传感器输出的瞬

态衰减的传感信号经过接收、调理电路,传输到后端

计算机中进行处理,通过检测反映被测量特征的谐

振信号频率的变化,达到测量压力的目的.

图5　无源无线SAW波传感器测量系统示意图

经测定,传感器能检测的最小压力值为500Pa;

传感器的量程为0~0.6MPa.根据分辨率的定义[12],

求得该SAW压力传感器的分辨率为0.083%.

在环境温度为18℃,输入压力为0~0.6MPa,

步进为25kPa时,图6为简支梁上表面上SAW谐

振器1输出频率与压力的对应关系曲线;图7为简

支梁下表面上SAW谐振器2输出频率与压力的对

应关系曲线.

SAW压力传感器的灵敏度衡量为[10,12]:

S=

1

f0

Δf

ΔP（16

式中,S为灵敏度;f0为SAW谐振器的初始中心谐

振频率;Δf为输出频率的变化量;ΔP为输入压力

的变化量.

277传　感　技　术　学　报2007年

图6　加减载过程谐振器1　　图7　加减载过程谐振器2

频率变化曲线　

频率变化曲线

通过加减载实验测定,输入压力每发生25kPa的变化时,谐振器1的输出频率变化为0.010MHz,谐振器2的输出频率变化为-0.011MHz.计算得出:

谐振器1的压力灵敏度为2.89×10-9（△f/f0/Pa;谐振器2的压力灵敏度为-3.03×10-9（△f/f0/Pa.

采用差动测量方式时,SAW压力传感器的频率输出变化量与输入压力的对应关系曲线如图8所示,压力灵敏度达到

5.9×10-9（△f/f0/Pa.

图8　差动测量方式下加减载过程输出频率变化量与压力的对应关系曲线

石英材料的迟滞特性表现为SAW压力传感器在正、反行程输出频率-压力对应关系曲线的不重合,如图6、图7和图8所示.迟滞的大小为[12]:

δH=±（ΔH

maxYES

×100%（17

式中,δH为迟滞的大小;（ΔHmax为正反行程的最大偏差;YES为最大输入量时的输出.

计算得出:

SAW谐振器1的迟滞误差为-8.28%FS;SAW谐振器2的迟滞误差为2.99%FS;采用差动式测量的迟滞误差为2.15%FS.存在较大迟滞误差的原因:

传感器机械部分存在不可避免的缺陷,如间隙、零件之间的配合公差.可通过提高零件的加工精度、装配接触面的平面度;或在关键部位采取一体化加工,避免使用辅助固定胶等来降低迟滞误差.

4　结　论

利用SAW谐振器对力的敏感特点,提出了一种

基于简支梁方式的SAW压力传感器结构设计.分析找出了简支梁的最大应变区域,在梁上下表面的应变最大区域成中心对称分布两个尺寸、性能参数相同的单端口SAW谐振器,达到了充分利用梁的应变使传

感器的灵敏度达最大的目的.由两个SAW谐振器构

成的差动式测量结构,不但可使灵敏度得到提高,还可对温度影响进行补偿.同时实验证明,差动式结构对迟滞效应带来的误差有补偿作用.参考文献:

[1]　MorganDP.HistoryofSAWdevices[C]//IEEEInternation2

alFrequencyControlSymposium,1998:

4392459.

[2]　Yakovkin,IB,etal.SAWPressureSensors[C]//IEEEUl2

trasonicsSymposium,1994:

20223.

[3]　WolffU.SAWSensorsforHarshEnvironments[J],IEEE

SensorsJournal,2001,1（1:

4213.

[4]　ReindlL,etal.AWirelessAQPPressureSensorUsing

ChirpedSAWDelayLinesStructures[C]//IEEEUltrasonicsSymposium,1998:

3552358.

[5]　ScherrH,etal.QuartzPressureSensorBasedonSAWReflective

DelayLine[C]//IEEEUltrasonicsSymposium,1996:

3472350.[6]　BuffW,etal.UniversalPressureandTemperatureSAWSensorfor

WirelessApplications[C]//UltrasonicsSymposium,1997:

3592362.[7]　陈明,刘国锋.SAW压力传感器的理论计算及推导[J].传感

器技术,1994,（4:

32237.

[8]　W.杨,R.布迪纳斯编.岳珠峰等译.罗氏应力应变公式手

册[M].北京:

科学出版社.2005:

712120.

[9]　Ken2yaHashimoto著.王景山等译.声表面波器件模拟与仿

真[M].北京:

国防工业出版社.2002:

1902191.

[10]　孙以材,刘玉岭,孟庆浩等.压力传感器的设计、制造与应用

[M].北京:

冶金工业出版社.2000:

3392346.

[11]　樊尚春.传感技术及其应用[M].北京:

北京航空航天大学.

2004:

1112112.

[12]　孙宝元

杨宝清.传感器及其应用手册[M].北京:

机械工业

出版社.2004:

212

27.

刘文辉（19792,男,现为重庆大学光电工程学院硕士研究生,研究方向为信息获取与处理,whliu2006@

李　平（19632,男,博士,教授,博士生导师.重庆大学光电工程学院信息获取与仪器系统研究室主任,重庆大学半导体照明工程研究所所长.研究方向或感兴趣的领域:

传感技术及无线传感器网络、自供能技术、仪器系统、测量与控制、智能结构和控制、MEMS技术、信息获取和信号处理和半导体照明,

liping@

3

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