柔性陣列式聲表面波微力傳感器的研究

王 俊 李媛媛

(上海工程技術大學電子電氣工程學院)

柔性陣列式聲表面波微力傳感器的研究

王 俊 李媛媛

(上海工程技術大學電子電氣工程學院)

主要研究柔性陣列式聲表面波微力傳感器，進行兩個金屬或者非金屬物體以及其間若干局部彈性介質接觸面(厚度在1～5mm)間接觸微壓力(0.0～0.2N)的檢測，根據基片結構所受應力變化使用有限元分析法進行受力分析，同時設計柔性陣列式傳感器基片，確定邊界條件，建立其線性回歸數學模型并進行曲線擬合。該器件能夠在特殊測量環境下滿足力敏原件自由彎曲的特性，并且能夠在惡劣環境下進行無源無線通信，在測量壓力時具有抗干擾能力強、精度高且分辨率高的特性，可廣泛應用于接觸式測量、無損檢測、機器人及生物力學等領域。

傳感器 接觸微壓力 柔性陣列式 聲表面波 有限元分析 無源無線

傳感器已廣泛應用于工業、國防、航天、航空、及農業生產等領域[1,2]。近年來，在一些特殊工業和微機電測量環境中，要求測量兩個金屬或非金屬物體以及其間若干局部彈性介質[3]接觸面(厚度在1～5mm)間的接觸微壓力(0.0～0.2N)的大小。研究的一般原則是將力敏感元件[4]串入力系結構，通過傳感器的測量得到特殊環境下所需的數據參數[5,6]。然而，力敏元件的介入會導致所測系統環境改變，這種現象幾乎所有類型的傳感器都存在，原因是：復雜環境產生的介入誤差的影響較大，復雜表面形狀的測量難度較大，為特殊環境下測量設備的能量提供難度較大。因此開展對柔性陣列式[7，8]聲表面波微力傳感器(Surface Acoustic Wave，SAW)的研究具有重要意義。

1 微間隙接觸壓力敏感技術

測量兩物體接觸面間接觸壓力的基本原則是將力敏感元件串入到力系結構中，如圖1所示。但力敏元件的介入會改變所測系統的環境，為了減小介入誤差的影響，要求相應的力敏元件越薄越小越好。除此之外，一些特殊的測量環境還要求力敏感元件能自由彎曲，如人體壓力分布測量等。

圖1 復雜接觸面間接觸壓力示意圖

接觸壓力監測器件雖種類繁多，但主要利用材料的壓電和壓阻效應實現[9]，并且都有不足之處。壓電式接觸壓力敏感器件對測量電路有苛刻的要求，目前的應用范圍還受到一定的限制[10,11]。電容式壓力傳感器靈敏度高，但由于自身的電容較小，易受到電路寄生電容干擾[12]。此外，新出現的利用新型材料研制的壓力傳感器由于存在靈敏范圍小、不可重復測量等缺點，還處于研究階段。

通過研究發現，聲表面波器件[13,14]可實現無源無線工作方式[15]，模擬電子學的各種功能，能使電子器件實現超小型化和多功能化[16～18]，通過加工工藝制作能滿足微間隙壓力監測的結構和功能要求。

2 微間隙接觸壓力監測的SAW傳感技術方案

微間隙壓力監測系統包括傳感器端和查詢端，如圖2所示。計算機控制矢量函數發生器產生一定頻段內的電磁波，通過與矢量信號發生器相連的發射天線將信號發射出去，激勵一定距離外的傳感器端的SAW傳感器，與頻譜分析儀相連的接收天線接收傳感器端的反饋信號并輸入頻譜分析儀，利用計算機分析接收信號的頻率，進一步分析傳感器監測部位的壓力變化。

圖2 微間隙壓力監測系統示意圖

3 SAW微力傳感器的設計

聲表面波壓力傳感器的設計[19]包括基片受力形式、基片尺寸及材料的選擇等方面。

基于微間隙壓力監測的聲表面波傳感器，設計21mm×5mm×4mm、25mm×5mm×4mm、29mm×5mm×4mm不同長度的結構，如圖3所示。

圖3 中空結構基片圖

理想的聲表面波壓電材料必須具有粗糙度盡可能小的表面，盡可能高的機電耦合系數，較小的傳播損耗，較小的溫度系數，具有可復制性、一致性和較低成本。S-T石英與LiNbO3是現在最常使用的SAW基片材料，參數比較見表1。可見LiNbO3具有更好的機電耦合系數，經以上分析，選用LiNbO3作為SAW壓電材料。

表1 兩種材料相關參數比較

4 壓電基片ANSYS仿真

為設計出性能更好的SAW壓力傳感器，通過ANSYS14.0軟件分析，建立模型，劃分網格，自由度約束，施加載荷，求解得到如圖4～6所示的位移、應力和應變云圖。

圖4 20g載荷下21mm基片的位移云圖

圖5 20g載荷下25mm基片的應力云圖

圖6 20g載荷下29mm基片的應變云圖

通過云圖確定輸入、輸出叉指換能器(Interdigital Transducer，IDT)的位置，經仿真后得出，對于同一規格的壓電基片，從0～20g每2g遞增施加壓力，對基片上應力應變最小處的位置沒有影響，并且兩邊應力應變最小處是關于基片長度方向中線對稱的。不同規格的壓電基片，其應力應變最小處不同。測量模型IDT左右邊距后，得到基片長度與雙端IDT邊距的關系見表2，其中L指壓電基片的長度，L1指輸入叉指換能器距離基片左端的距離，L2指輸出叉指換能器右端的距離。

表2 基片長度與IDT邊距關系仿真實驗數據 mm

5 基片及其測試

在有限元分析的基礎上設計制作的SAW傳感器，根據不同的尺寸分別為21mm、25mm及29mm等，其中余弦平方函數和Morlet小波函數均有25mm的設計。

根據不同的基片長度，在實驗室中分別用0～20g的砝碼，在基片面上根據不同的微力使用不同的砝碼值進行測量，并將每次按照不同砝碼測量得到的頻率數據記錄下來，由于頻率在測量過程中波動較大，需要穩定一段時間后讀取數據，測得的數據越多，通過計算得到的頻差壓力轉換公式就會越精確(圖7～10)。

圖7 21mm余弦平方函數基片0g受力測試結果

圖8 25mm余弦平方函數基片5g受力測試結果

圖9 25mm Morlet基片10g受力測試結果

圖10 29mm余弦平方函數基片10g受力測試結果

根據網絡分析儀在不同微力作用下所測得的頻率信號，測得多組數據，進行多次數據平均后選擇其中10組數據，通過對輸入、輸出采用相對變量的計算方式，能夠將差動輸出形式中的靈敏度提高一倍。實驗操作重復進行，其中的4組見表3～6。

表3 頻率與壓力的第1組實驗數據

表4 頻率與壓力的第2組實驗數據

表5 頻率與壓力的第3組實驗數據

表6 頻率與壓力的第4組實驗數據

由實驗數據，利用最小二乘法和Matlab求解擬合多項式，當測量的數據足夠多，這種多項式的擬合結果就越精確。

對設計的聲表面波傳感器進行實際測試，根據不同尺寸、不同函數進行分析，并對測試數據進行多次平均，以減小差動輸出并提高器件的靈敏度。根據測得的數據，分別應用最小二乘法和矩陣法進行解析，求解擬合次數并進行對比，根據結果得出聲表面波微力傳感器的頻差與壓力轉換關系圖。實測結果顯示，SAW微力傳感器對0～20kPa范圍內的壓力敏感且擬合度較好。通過Matlab編程，繪制如圖11所示的聲表面波壓力傳感器頻差與壓力的多項式擬合曲線。小圓圈表示的是頻差與壓力實驗值之間的關系，而線段表示的是頻差實驗值與壓力擬合值之間的關系，小圓圈分布在線段的周圍，說明多項式得到了較好的擬合曲線。

圖11 SAW傳感器的頻差與壓力的關系

通過Matlab繪制聲表面波壓力傳感器頻差與壓力的多項式擬合曲線，主程序如下：

x=[67.010,74.019,79.510,97.623,98.014,111.598,115.014,118.456,125.254,127.985,134.124];

y=[0,2,4,6,8,10,12,14,16,18,20];

p=polyfit(x,y,6);

>> Y=polyval(p,x);%計算x處的擬合值

>> plot(x,y,′ro′);

>> grid on;hold on

>> plot(x,Y);

>> legend(′觀測數據點′,′擬合數據點′);

>> xlabel(′頻差/kHz′);ylabel(′壓力/kPa′);

6 結束語

筆者設計了一種新型結構的聲表面波微力傳感器，應用于測量兩個金屬或者非金屬物體以及其間若干局部彈性介質接觸面(厚度在1～5mm)間接觸微壓力值(0.0～0.2N)的測量，使用有限元分析方法對SAW傳感器基片的受力進行分析，設計并制造SAW微力傳感器，同時對器件進行調試與測試，為微間隙等特殊環境下物理量的測量提供新思路。

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ResearchonFlexibleArraySurfaceAcousticWaveSensor

WANG Jun, LI Yuan-yuan

(College of Electronic and Electrical Engineering, Shanghai University of Engineering Science)

TH812

A

1000-3932(2017)05-0466-07

上海工程技術大學研究生科研創新項目(E3-0903-16-01182)。

王俊(1993-)，碩士研究生，研究方向為智能傳感器。

聯系人:李媛媛(1979-)，副教授，研究方向為智能控制、智能傳感器及其檢測，liyuanyuanedu@163.com。

2016-10-17，

2017-04-17)