[发明专利]基于AlN压电薄膜的无线无源声表面波高温应变传感器

说明书

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。

【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系统达到检测应变目的。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。