[发明专利]一种非线性自校正的谐振型声表面波温度传感器

说明书

一种非线性自校正的谐振型声表面波温度传感器，包括基片、叉指换能器、第一金属反射栅阵和第二金属反射栅阵。基片上声表面波在相速度传播方向上具有自然单向性，群速度传播方向和相速度传播方向存在能流角PFA，且|PFA|≤10°；叉指换能器、第一金属反射栅阵和第二金属反射栅阵的声孔径方向与相速度传播方向垂直，叉指换能器汇流条方向与能流角PFA方向平行；这样设计的谐振型声表面波温度传感器具有低频和高频两个谐振峰，本发明利用其低频和高频两个特征谐振峰，通过自差分方法，实现传感器的非线性自校正，且保持了单个器件的小体积，同时避免了现有单个谐振器单个谐振峰使用时，频率信号解调受无线通路影响的问题，实现了传感器使用过程中的免校准。

技术领域

本发明涉及一种非线性自校正的谐振型声表面波温度传感器，属于传感器设计领域。

背景技术

无线无源谐振型声表面波温度传感器是一种借助于无线读取系统和声表面波谐振器研制的无源传感器。这种传感器具有其独特的优越性即无需任何能量提供，可实现绝对无源，解决了有源传感器的功耗影响问题；另外由于无线传感，可应用于高压、剧毒、旋转等恶劣环境，无需信号传输线缆，解决了传统温度传感器无法实现的应用场景测量。

谐振型声表面波温度传感器利用在压电基片表面沉积金属叉指电极制备而成，基于器件测试频率随温度的变化关系，实现对外界温度的测量。然而，这种频率随温度的变化曲线常呈现二次抛物线型，导致全温区范围内会存在传感器输出频率随温度不单调，即存在同一谐振频率下对应两个温度点，造成测量错误。同时，非线性特性也给温度传感器的测量和标定带来了诸多不便。

为解决声表面波温度传感器的非线性校正问题，研究者提出了多种石英压电切型，可利用特定切型下的单个谐振器实现频率随温度的线性变化。然而，谐振器的单个谐振峰在无线解调时易受无线通路影响，导致器件谐振频率的解调数据差异，使其应用局限在固定安装场景且使用前需标定。另一方面，公开号为CN106225948A的中国专利，公开了一种双声表面波温度传感器，通过两个集成在同一压电基片上、夹角互为20°-160°的谐振器互连，利用两个器件的谐振峰差分，提高了全温区范围内谐振频率随温度变化的线性度。然而，该方法增加了谐振器数量，对制备工艺的一致性要求高，同时不可避免地增加了传感器的体积。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种非线性自校正的谐振型声表面波温度传感器。

本发明的技术解决方案是：

一种非线性自校正的谐振型声表面波温度传感器，包括基片、叉指换能器、第一金属反射栅阵和第二金属反射栅阵；基片上中心位置处设置有叉指换能器，叉指换能器的一侧设置有第一金属反射栅阵，另一侧设置有第二金属反射栅阵，叉指换能器和第一金属反射栅阵之间形成间隙，叉指换能器和第二金属反射栅阵之间形成间隙；所述叉指换能器两端汇流条处均连接输出引线；

基片上声表面波在相速度传播方向上具有自然单向性，基片上声表面波的群速度传播方向和相速度传播方向存在能流角PFA，且|PFA|≤10°；所述叉指换能器、第一金属反射栅阵和第二金属反射栅阵的声孔径方向与相速度传播方向垂直，叉指换能器汇流条方向与能流角PFA方向平行；

所述谐振型声表面波温度传感器具有低频和高频两个谐振峰：低频谐振峰的频率温度系数TCF1＝a1·T²+b1·T+c1；高频谐振峰的频率温度系数为TCF2＝a2·T²+b2·T+c2；T为温度，a1、a2、b1、b2、c1和c2为系数；

实际测温时，根据低频和高频两个谐振峰获得差值线性函数ΔTCF，ΔTCF＝TCF2-TCF1＝(b2-b1)·T+(c2-c1)，利用ΔTCF求解得到温度T。

通过理论或试验的方法，获得两个谐振峰频率随温度的变化关系，通过函数拟合获得a1、a2、b1、b2、c1和c2。