本實(shí)用新型涉及一種聲表面波傳感器，尤其是涉及一種基于微間隙壓力監(jiān)測(cè)的聲表面波傳感器。

背景技術(shù)：

因微間隙接觸壓力的理論分析很難準(zhǔn)確，實(shí)際定量也有難度，接觸壓力監(jiān)測(cè)器件雖種類(lèi)繁多，但主要利用材料的壓電和壓阻效應(yīng)實(shí)現(xiàn)，但都有不足之處。壓電式接觸壓力敏感器件對(duì)測(cè)量電路有苛刻的要求，目前的應(yīng)用范圍還受到一定的限制。電容式壓力傳感器靈敏度高，但由于自身嬌小的電容，易受到電路寄生電容干擾。此外，新進(jìn)出現(xiàn)的利用新型材料研制的壓力傳感器由于存在靈敏范圍小和不可重復(fù)測(cè)量等缺點(diǎn)，還處于繼續(xù)研究階段。通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，聲表面波(Surface Acoustic Wave，SAW)器件可實(shí)現(xiàn)無(wú)源無(wú)線的工作方式，通過(guò)加工工藝制作能滿(mǎn)足微間隙壓力監(jiān)測(cè)的結(jié)構(gòu)、功能要求。

中國(guó)專(zhuān)利CN 204439245 U公開(kāi)了一種聲表面波溫度和壓力傳感器，包括：襯底，襯底上平行安裝有兩個(gè)延遲型聲表面波傳感器圖形，分別為：壓力圖形和溫度圖形；壓力圖形和溫度圖形分別包括：?jiǎn)蜗虿嬷笓Q能器和多個(gè)反射柵，壓力圖形的單向叉指換能器與溫度圖形的單向叉指換能器相連接；襯底下固定有基座，基座在壓力圖形的多個(gè)反射柵下方開(kāi)設(shè)有壓力傳導(dǎo)孔；基座上還設(shè)置有蓋頂，蓋頂與基座形成一腔體。然而該傳感器具有以下曲線，第一其采用的中空結(jié)構(gòu)是完全密封式的，因聲表面波器件尺寸微小，工藝加工導(dǎo)線引出線很難保證精確；它的機(jī)械中空結(jié)構(gòu)并未提升測(cè)量精度；第二，其只能對(duì)一側(cè)壓力進(jìn)行測(cè)量。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種基于微間隙壓力監(jiān)測(cè)的聲表面波傳感器。

本實(shí)用新型的目的可以通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：

一種基于微間隙壓力監(jiān)測(cè)的聲表面波傳感器，包括兩塊壓電材料基片、兩塊壓電材料墊片和兩組叉指換能器，所述兩塊壓電材料墊片連接兩塊壓電材料基片并形成中空的內(nèi)腔，兩組叉指換能器均設(shè)于內(nèi)腔中，且分別固定于兩塊壓電材料基片上。

所述叉指換能器為延遲線型叉指換能器，每組叉指換能器至少包括一個(gè)輸入叉指換能器和輸出叉指換能器，且輸入叉指換能器和輸出叉指換能器分別固定于壓電材料基片的兩端。

所述傳感器還包括金屬電極板，該金屬電極板與所有叉指換能器連接。

至少一塊壓電材料基片上設(shè)有固定用固定孔。

所述固定孔共設(shè)有四個(gè)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1)中空部分兩面呈開(kāi)放式，工藝加工導(dǎo)線引出線可以保證精確，進(jìn)而提升測(cè)量精度，再者兩側(cè)基片均設(shè)置傳感器電路，可實(shí)現(xiàn)兩面壓測(cè)的測(cè)量。

2)可減小基底熱傳導(dǎo)性及電極直接接觸流場(chǎng)對(duì)流場(chǎng)的干擾，具有較強(qiáng)的抗干擾能力。

3)在有效測(cè)量范圍內(nèi)具有良好的線性度。

4)該類(lèi)器件在常溫條件下工作時(shí)，具有穩(wěn)定度高、功耗小等特點(diǎn)。

5)由于該類(lèi)器件采用半導(dǎo)體平面集成工藝制備，具有微型化、可集成化的優(yōu)點(diǎn)。

附圖說(shuō)明

圖1為復(fù)雜接觸面間接觸壓力示意圖；

圖2為本實(shí)用新型的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為微間隙接觸壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)圖；

圖4為SAW壓力傳感器三維圖；

其中：1、壓電材料基片，2、壓電材料墊片，3、輸入叉指換能器，4、輸出叉指換能器，5、金屬電極板，6、導(dǎo)線，7、矢量函數(shù)發(fā)生器，8、計(jì)算機(jī)，9、頻譜分析儀。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。本實(shí)施例以本實(shí)用新型技術(shù)方案為前提進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過(guò)程，但本實(shí)用新型的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。

如圖1所示，對(duì)于處在兩個(gè)金屬或者非金屬物體(A和B)，以及若干局部彈性介質(zhì)C(厚度在1-5mm)的微間隙來(lái)說(shuō)，其接觸壓力的測(cè)量的基本原則是將力敏感元件串入到力系結(jié)構(gòu)中，因微間隙的測(cè)量需求，實(shí)現(xiàn)無(wú)源、無(wú)線監(jiān)測(cè)及其相應(yīng)的力敏元件越薄越好、越小越好。除此，一些特殊的測(cè)量環(huán)境要要求力敏元件能自由彎曲，如測(cè)量人體壓力分布。復(fù)雜接觸面接觸壓力存在于物體A和物體B是兩個(gè)金屬或非金屬物體形成一個(gè)間距d(1-5mm)的曲面間隙，物體B通過(guò)彈性介質(zhì)支撐。

經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，SAW微力傳感器的主要原理是利用聲表面波理論及晶體材料的壓電性能，實(shí)現(xiàn)壓力傳感器無(wú)源、無(wú)線傳輸功能。此外，通過(guò)改變SAW傳感器的傳統(tǒng)實(shí)基底結(jié)構(gòu)，對(duì)于壓力測(cè)量，本實(shí)用新型采用中空結(jié)構(gòu)基底的SAW傳感器。該機(jī)構(gòu)可分為上下兩層結(jié)構(gòu)，固定SAW壓力傳感器四個(gè)圓孔的位置，用于在兩個(gè)金屬或者非金屬物體以及其間若干局部彈性介質(zhì)接觸面(厚度在1-5mm)間接觸微壓力(0-0.2N)的測(cè)量，利用材料的壓電和壓阻效應(yīng)實(shí)現(xiàn)雙面壓力測(cè)量。SAW傳感器的設(shè)計(jì)采用有限元法根據(jù)不同的機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)行基片的有限元分析，對(duì)壓電基體的應(yīng)力和應(yīng)變進(jìn)行不同尺寸的分析計(jì)算，統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)并進(jìn)行線性化分析，計(jì)算基底機(jī)構(gòu)在不同長(zhǎng)度L下的測(cè)試數(shù)據(jù)，確定輸入叉指換能器和輸出叉指換能器的位置。

具體的，一種基于微間隙壓力監(jiān)測(cè)的聲表面波傳感器，如圖2和圖4所示，包括兩塊壓電材料基片1、兩塊壓電材料墊片2和兩組叉指換能器，兩塊壓電材料墊片2連接兩塊壓電材料基片1并形成中空的內(nèi)腔，兩組叉指換能器均設(shè)于內(nèi)腔中，且分別固定于兩塊壓電材料基片1上。

叉指換能器為延遲線型叉指換能器，每組叉指換能器至少包括一個(gè)輸入叉指換能器3和輸出叉指換能器4，且輸入叉指換能器3和輸出叉指換能器4分別固定于壓電材料基片1的兩端，輸入叉指換能器3通過(guò)逆壓電效應(yīng)將輸入的點(diǎn)信號(hào)轉(zhuǎn)變成聲信號(hào)，此聲信號(hào)沿基片表面?zhèn)鞑?，最終由輸出叉指換能器4將聲信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)輸出。

傳感器還包括金屬電極板5，該金屬電極板5與所有叉指換能器連接。至少一塊壓電材料基片1上設(shè)有固定用固定孔，固定孔共設(shè)有四個(gè)。

該中空結(jié)構(gòu)的SAW器件與傳統(tǒng)SAW器件相比較，中空結(jié)構(gòu)的SAW傳感器，可減小基底熱傳導(dǎo)性及電極直接接觸流場(chǎng)對(duì)流場(chǎng)的干擾，具有較強(qiáng)的抗干擾能力；在有效測(cè)量范圍內(nèi)具有良好的線性度；該類(lèi)器件在常溫條件下工作時(shí)，具有穩(wěn)定度高、功耗小等特點(diǎn)；同時(shí)，由于該類(lèi)器件采用半導(dǎo)體平面集成工藝制備，具有微型化、可集成化的優(yōu)點(diǎn)。

如圖3所示，微間隙壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括傳感器端和查詢(xún)端。傳感器端由微帶傳輸線G、小天線H、介質(zhì)基底I和SAW器件F組成。查詢(xún)端所需的組件包括接收天線E和發(fā)射天線D、矢量函數(shù)發(fā)生器7、計(jì)算機(jī)8和頻譜分析儀9。系統(tǒng)工作過(guò)程如下：計(jì)算機(jī)8控制矢量函數(shù)發(fā)生器7產(chǎn)生一定頻段內(nèi)的電磁波，通過(guò)與矢量信號(hào)發(fā)生器7相連接的發(fā)射天線D將信號(hào)發(fā)射出去，激勵(lì)一定距離外的傳感器端的SAW傳感器F，與頻譜分析儀9相連接的接收天線E接收傳感器端的反饋信號(hào)并輸入到頻譜分析儀9，利用計(jì)算機(jī)8分析接收到的信號(hào)頻率，進(jìn)一步分析傳感器監(jiān)測(cè)部位的壓力變化情況。