CN110307811A - 基于AlN压电薄膜的无线无源声表面波高温应变传感器 - Google Patents

基于AlN压电薄膜的无线无源声表面波高温应变传感器 Download PDF

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王文
范淑瑶
李学玲
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Abstract

本发明提供了一种基于AlN压电薄膜的无线无源声表面波高温应变传感器，涉及应变传感器技术领域，采用多层复合结构的单端对谐振器，并通过高温应变传感芯片与温度补偿芯片的频率差分计算，能够消除温度引起的干扰，实现温度补偿，在高温环境下实现无线无源测量；该传感器包括高温应变传感芯片、温度补偿芯片和传感器管座；所述高温应变传感芯片和所述温度补偿芯片设置在所述传感器管座上；所述高温应变传感芯片的SAW传播方向平行于所述传感器管座的长度方向；所述温度补偿芯片的SAW传播方向垂直于所述高温应变传感芯片的SAW传播方向。本发明提供的技术方案适用于高温环境应变传感器应用的过程中。

Description

基于AlN压电薄膜的无线无源声表面波高温应变传感器
【技术领域】
本发明涉及应变传感器技术领域，尤其涉及一种基于AlN压电薄膜的无线无源声表面波高温应变传感器。
【背景技术】
近年来随着国防工业的快速发展，航空航天、汽车、电力、核电以及石油石化等领域急需高温应变传感器。例如，航天飞行器的高温部件应变的准确在线监测对于保障装备精准作业及安全生产具有十分重要的现实意义。
电阻应变传感器是利用金属电阻丝受到外力作用产生应变会发生相应变化，通过测量传感器电阻变化，得到检测应变大小的目的。该类传感器由于体积小、结构简单、成本低，应用较为普遍，但是在信号信噪比较低时，传感误差较大。此外，电阻应变传感器在高温环境下易受到电磁辐射干扰，测量精度和稳定性较差。电阻式应变传感器采用电池供电的有源检测方式，而且在进行无线传感时，需要将输出信号进行数模转换。因此，电阻应变传感器难以在高温高压及无线无源等极端环境应用。
光纤应变传感器是利用外界因素作用于光纤后，调制光的相位、强度、频率等的参数将会发生变化，再利用干涉原理以及光信号检测变换***达到检测应变目的。该类传感器具有优异的测量性能，但其成本高、应用复杂，且容易受到非待测物理量的影响。普通光栅区在高温时易擦除，反射率会降低，涂覆层材料(丙烯酸酯)不能承受高温，容易发生炭化，从而使光栅失去传感能力。因此，一般情况下，光纤应变传感器很难在高温的环境下稳定工作。而且，光纤传感器的波长信息中既包含温度信息也包含应变信息，温度和应变交叉敏感也是光纤传感技术的一个关键难题。
声表面波传感器是利用声表面波器件作为敏感元件，将被测的物理量通过声表面波的速度或者频率反映出来，然后将声信号转换成电信号输出，达到传感目的。声表面波传感器具有体积小，功耗低，结构简单，响应快速，高精度，高灵敏度，具有良好的稳定性，制作成本低，易于集成，而且可实现无线无源测量的特点，特别适合于高温高压及无人值守等极端应用环境。无线无源声表面波传感技术原理是由射频收发模块(雷达)发射与声表面波传感器件同频的电磁波信号，通过天线由声表面波传感器件的叉指换能器接收并转换成沿压电晶体表面传播的声表面波，声表面波在传播过程中被反射器反射并被叉指换能器重新转换成电磁波信号，再经由天线被收发模块接收。在声表面波传播过程中如受到力、磁、温度等影响，即会直接影响声传播速度及幅度。通过解调接收信号即可获得相应传感信息。
因此，有必要研究一种基于AlN压电薄膜的无线无源声表面波高温应变传感器来应对现有技术的不足，以解决或减轻上述一个或多个问题。
【发明内容】
有鉴于此，本发明提供了一种基于AlN压电薄膜的无线无源声表面波高温应变传感器，采用多层复合结构的单端对谐振器，并通过高温应变传感芯片与温度补偿芯片的频率差分计算，能够消除温度引起的干扰，实现温度补偿，在高温环境下实现无线无源测量。
一方面，本发明提供一种基于AlN压电薄膜的无线无源声表面波高温应变传感器，其特征在于，所述传感器包括高温应变传感芯片、温度补偿芯片和传感器管座；所述高温应变传感芯片和所述温度补偿芯片设置在所述传感器管座上；
所述高温应变传感芯片的SAW传播方向平行于所述传感器管座的长度方向；所述温度补偿芯片的SAW传播方向垂直于所述高温应变传感芯片的SAW传播方向。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述高温应变传感芯片和所述温度补偿芯片均为层状，且从下往上依次包括：支撑层基底、金属薄板、AlN压电薄膜、电极层和保护薄膜；所述电极层设置在所述AlN压电薄膜的上表面；所述保护薄膜用于保护所述电极层和所述AlN压电薄膜的裸露部分。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述电极层包括依次设置在所述AlN压电薄膜表面的第一短路栅反射器、叉指换能器和第二短路栅反射器。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述叉指换能器为双向结构，且至少包括两对第一叉指电极对；
每一对所述第一叉指电极对均包括两个第一电极，所述第一电极的宽度为1/4λx、电极膜厚为0.001λx-0.08λx、声孔径为80λx-250λx；
其中，λx为沿声波传播方向的声波波长。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述第一短路栅反射器和所述第二短路栅反射器分别至少包括两个第二电极；所述第二电极的宽度为1/4λx、间距为1/4λx、膜厚为0.001λx-0.08λx；
其中，λx为沿声波传播方向的声波波长。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述金属薄板的厚度为0.001λx-0.08λx；所述保护薄膜的厚度为0.002λx-0.09λx；
其中，λx为沿声波传播方向的声波波长。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述传感器工作时，所述高温应变传感芯片与所述温度补偿芯片进行差分计算，用于排除温度干扰、实现温度补偿。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述电极层的材质为耐高温的金属或合金材料；所述金属薄板的材质为耐高温的金属材料或合金材料；所述保护薄膜的材质为Al2O3或SiC；所述支撑层基底的材质为耐高温的金刚石、Al2O3和硅中的任意一种。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述电极层是通过半导体剥离工艺生长在所述AlN压电薄膜之上的。
如上所述的方面和任一可能的实现方式，进一步提供一种实现方式，所述电极层的材料为铂合金或铂钛合金。
与现有技术相比，本发明可以获得包括以下技术效果：本发明的应变传感器采用多层复合结构的单端对谐振器，其中通过高温应变传感芯片与温度补偿芯片的频率差分计算，可消除温度引起的干扰，实现温度补偿；该传感器体积小，可实现无线无源测量，具有高灵敏度以及良好的温度稳定性，因而在高温应变测量领域具有非常大的应用前景。
当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。
【附图说明】
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1是本发明一个实施例提供的基于AlN压电薄膜的无线无源声表面波高温应变传感器的总体结构示意图；
图2是图1所示的高温应变传感芯片和温度补偿芯片的剖视图；
图3是图1所示的高温应变传感芯片和温度补偿芯片的俯视图；
图4是图2和图3所示的叉指换能器的结构示意图；
图5是图2和图3所示的短路栅反射器的结构示意图。
其中，图中：
1、高温应变传感芯片；2、温度补偿芯片；3、传感器管座；11、支撑层基底；12、金属薄板；13、压电薄膜；14、电极层；15、保护薄膜；141、叉指换能器；142、第一短路栅反射器；143、第二短路栅反射器；141’、第一叉指电极对；142’、第二电极。
【具体实施方式】
为了更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明实施例进行详细描述。
应当明确，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明实施例中使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本发明。在本发明实施例和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。
本发明设计一种基于AlN压电薄膜的无线无源声表面波高温应变传感器，传感器的高温应变传感芯片和温度补偿芯片均采用基于AlN压电薄膜的单端对谐振器，可实现低损耗、高Q值的高温应变测量。传感器采用SAW传播方向平行于传感器管座3长度方向的高温应变传感芯片作为传感单元；SAW传播方向垂直于高温应变传感芯片的温度补偿芯片作为参考单元，以达到温度差分补偿的目的。传感器通过天线接收来自于步进调频雷达发射的电磁波信号，并通过叉指换能器(IDT)转换成沿压电晶体表面传播的SAW，并经两侧反射器反射叠加回IDT，再重新转换成电磁波信号为雷达所接收。由于待测工件发生应变作用于SAW器件，直接引起SAW传播特性变化，相应时延的变化也同时导致了相位改变。通过对雷达所接收的传感信号进行相位解调即可获取应变信息。该种结构的声表面波高温应变传感器既提高了高温环境下应变传感器测量性能，而且实现了更高温度环境下的无线无源应变测量。
图1为本发明实施例提供的一种基于AlN压电薄膜的无线无源声表面波高温应变传感器的总体结构示意图。如图1所示，该传感器包括：高温应变传感芯片1、温度补偿芯片2和传感器管座3；其中：
高温应变传感芯片1放置于传感器管座3上，其SAW传播方向平行于传感器管座3长度方向；温度补偿芯片2放置于传感器管座3上，其SAW传播方向垂直于高温应变传感芯片1的SAW传播方向。
温度补偿芯片2为温度补偿参考器件，作为参考以差分方法用于最大程度抵消***测试环境尤其是环境温度对传感器性能的影响。上述无线无源的高温应变传感芯片1可采用433M，915M，2.4G等ISM频段或其他频段。
图2是图1所示的高温应变传感芯片和温度补偿芯片的剖视图；图3是图1所示的高温应变传感芯片和温度补偿芯片的俯视图。如图2所示，高温应变传感芯片1和温度补偿芯片2的结构相同，均为层状，从下往上依次包括：支撑层基底11、金属薄板12、压电薄膜13、电极层14和保护薄膜15；电极层14与压电薄膜13的上表面紧贴设置；保护薄膜15覆盖在电极层14的上表面和压电薄膜13的裸露部分(电极层14的表面积小于压电薄膜13的整体表面积)，用于保护电极层和压电薄膜。如图3所示，电极层14包括依次设置在压电薄膜13表面的第一短路栅反射器142、叉指换能器141和第二短路栅反射器143。
其中，支撑层基底11为耐高温的材料，以保证高温环境下检测效果；可采用金刚石Diamond、蓝宝石Al2O3、硅Si等；本申请采用金刚石Diamond，Diamond耐高温，具有较低质量密度、很高弹性模量和很好的散热机制。
覆盖在支撑层基底11上的金属薄板12为耐高温金属或合金材料，可以是铂Pt或铂合金等。金属薄板12通过溅射的方式生长在支撑层基底之上。适当选择金属薄板的厚度可改善高温应变传感器的反射系数以及机电耦合系数，本申请选择可耐1000℃的铂钛合金。金属薄板表面平整，厚度为0.001λx-0.08λx，λx为沿声波传播方向的声波波长。
以溅射方式生长和覆盖在金属薄板12上的压电薄膜13为耐高温的具有良好压电性能的压电材料，保证高温环境下检测效果；本申请采用AlN压电薄膜。AlN压电薄膜具有超高的应用温度(约为2200℃)，优异品质AlN薄膜材料在1150℃的环境下，仍然具有良好的压电特性。
覆盖在压电薄膜13上的电极层14采用半导体剥离工艺生长在压电薄膜13之上。其中：
单端对谐振器作为整个SAW高温应变传感器件的传感单元，第一短路栅反射器142和第二短路栅反射器143分别排布于叉指换能器141的左右两侧；当外部待测结构发生应变时，会引起单端对谐振器尺寸发生变化，从而引起SAW传播速度的变化；
叉指换能器141采用双向结构，电极材料选用铂合金、铂钛合金；叉指换能器141至少包括两对第一叉指电极对141’，第一叉指电极对141’包括两个宽度为1/4λx，间距为1/4λx的第一电极，λx为沿声波传播方向的声波波长，如图4所示；若沿声波传播方向的声波波长λx为1468.8微米，本申请中选用的指条(即第一电极)宽度1/4λx，电极膜厚为0.001λx-0.08λx，声孔径为80λx-250λx；叉指换能器141的频率为中心频率，设为433M，叉指电极数目为30对-120对；
第一短路栅反射器142和第二短路栅反射器143分别至少包括两个宽度为1/4λx、间距为1/4λx的第二电极142’，λx为沿声波传播方向的声波波长，如图5所示；本申请中，第一短路栅反射器142和第二短路栅反射器143均包括包括20条-150条宽度为1/4λx、间距为1/4λx、膜厚为0.001λx-0.08λx的第二电极142’。一般情况下，第二电极的材质和第一电极相同，本申请都选用铂合金、铂钛合金。
在电极层14生长完成后，采用溅射的方式将保护薄膜15生长在电极层表面和裸露的压电薄膜的表面。保护薄膜15为耐高温的绝缘保护层，可选用Al2O3、SiC等；本申请采用Al2O3薄膜，其厚度为0.002λx-0.09λx，用于保护电极层和AlN压电薄膜的裸露部分，降低声能损耗和实现器件部分温度补偿。
该基于AlN压电薄膜的多层复合结构的无线无源声表面波高温应变传感器具体工作过程如下：
传感器通过天线接收来自于步进调频雷达发射的电磁波信号，并根据逆压电效应，叉指换能器141将电磁波信号转换成声表面波信号，声表面波沿压电薄膜13表面向两边传播，经两侧的短路栅反射器反射叠加，然后根据正压电效应，叉指换能器141将声表面波信号重新转换成电磁波信号为雷达所接收；由于待测工件发生应变作用于SAW器件，因此温度与形变直接引起SAW传播特性的变化，相应时延的变化也同时导致了相位改变；通过对雷达所接收的传感信号进行相位解调即可获取应变信息，从而实现无源的传感器件和无线的信号传输。
其中，高温应变传感芯片1与温度补偿芯片2完全相同，分别用于应变测量和温度补偿，高温应变传感芯片1在测量应变的同时也受温度的影响，而温度补偿芯片2仅测量温度变化带来的频率偏移，因此可通过差分的方式排除温度干扰。
具体地，用P矩阵分别表示叉指换能器和短路栅反射器，利用P矩阵的级联关系，推算出整个器件的导纳矩阵，
然后利用导纳矩阵解，整个单端对谐振器的反射系数S11可以表示为:
其中YG为源与负载导。然后基于快速傅立叶变化(FFT)，频率域S11将可以直接转换成时域信号。
本发明实施例提供的一种基于AlN压电薄膜的无线无源声表面波高温应变传感器采用单端对谐振器结构，其中通过高温应变传感芯片与温度补偿芯片的差分计算，可排除温度干扰，实现温度补偿。该传感器体积小，可实现无线无源测量，具有高灵敏度以及良好的温度稳定性，因而在高温应变测量领域具有非常大的应用前景。
以上对本申请实施例所提供的一种基于AlN压电薄膜的无线无源声表面波高温应变传感器，进行了详细介绍。以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本申请的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。
如在说明书及权利要求书当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求书并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求书当中所提及的“包含”、“包括”为一开放式用语，故应解释成“包含/包括但不限定于”。“大致”是指在可接收的误差范围内，本领域技术人员能够在一定误差范围内解决所述技术问题，基本达到所述技术效果。说明书后续描述为实施本申请的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本申请的一般原则为目的，并非用以限定本申请的范围。本申请的保护范围当视所附权利要求书所界定者为准。
还需要说明的是，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的商品或者***不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种商品或者***所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的商品或者***中还存在另外的相同要素。
应当理解，本文中使用的术语“和/或”仅仅是一种描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，A和/或B，可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。另外，本文中字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
上述说明示出并描述了本申请的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本申请并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述申请构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本申请的精神和范围，则都应在本申请所附权利要求书的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于AlN压电薄膜的无线无源声表面波高温应变传感器，其特征在于，所述传感器包括高温应变传感芯片、温度补偿芯片和传感器管座；所述高温应变传感芯片和所述温度补偿芯片设置在所述传感器管座上；
所述高温应变传感芯片的SAW传播方向平行于所述传感器管座的长度方向；所述温度补偿芯片的SAW传播方向垂直于所述高温应变传感芯片的SAW传播方向。
2.根据权利要求1所述的基于AlN压电薄膜的无线无源声表面波高温应变传感器，其特征在于，所述高温应变传感芯片和所述温度补偿芯片均为层状，且从下往上依次包括：支撑层基底、金属薄板、AlN压电薄膜、电极层和保护薄膜；所述电极层设置在所述AlN压电薄膜的上表面；所述保护薄膜用于保护所述电极层和所述AlN压电薄膜的裸露部分。
3.根据权利要求2所述的基于AlN压电薄膜的无线无源声表面波高温应变传感器，其特征在于，所述电极层包括依次设置在所述AlN压电薄膜表面的第一短路栅反射器、叉指换能器和第二短路栅反射器。
4.根据权利要求3所述的基于AlN压电薄膜的无线无源声表面波高温应变传感器，其特征在于，所述叉指换能器为双向结构，且至少包括两对第一叉指电极对；
每一对所述第一叉指电极对均包括两个第一电极，所述第一电极的宽度为1/4λx、电极膜厚为0.001λx-0.08λx、声孔径为80λx-250λx；
其中，λx为沿声波传播方向的声波波长。
5.根据权利要求3所述的基于AlN压电薄膜的无线无源声表面波高温应变传感器，其特征在于，所述第一短路栅反射器和所述第二短路栅反射器分别至少包括两个第二电极；所述第二电极的宽度为1/4λx、间距为1/4λx、膜厚为0.001λx-0.08λx；
其中，λx为沿声波传播方向的声波波长。
6.根据权利要求2-5任一所述的基于AlN压电薄膜的无线无源声表面波高温应变传感器，其特征在于，所述金属薄板的厚度为0.001λx-0.08λx；所述保护薄膜的厚度为0.002λx-0.09λx；
其中，λx为沿声波传播方向的声波波长。
7.根据权利要求2-5任一所述的基于AlN压电薄膜的无线无源声表面波高温应变传感器，其特征在于，所述传感器工作时，所述高温应变传感芯片与所述温度补偿芯片进行差分计算，用于排除温度干扰、实现温度补偿。
8.根据权利要求2-5任一所述的基于AlN压电薄膜的无线无源声表面波高温应变传感器，其特征在于，所述电极层的材质为耐高温的金属或合金材料；所述金属薄板的材质为耐高温的金属材料或合金材料；所述保护薄膜的材质为Al2O3或SiC；所述支撑层基底的材质为耐高温的金刚石、Al2O3和硅中的任意一种。
9.根据权利要求2-5任一所述的基于AlN压电薄膜的无线无源声表面波高温应变传感器，其特征在于，所述电极层是通过半导体剥离工艺生长在所述AlN压电薄膜之上的。
10.根据权利要求8所述的基于AlN压电薄膜的无线无源声表面波高温应变传感器，其特征在于，所述电极层的材料为铂合金或铂钛合金。
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