[发明专利]一种用于狭缝的声表面波传感器及其制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种特殊环境使用的传感器方案及其制作方法，尤其涉及一种用于狭缝的声表面波传感器及其制作方法。

背景技术

对于所述的狭缝环境，一方面，实时测量其接触表面上的压力有特别的价值，监测结果可作为外界规范操作的参考；另一方面，为了提高监测结果的可靠性，通常需要采用阵列式的监测方法，通常要求采用无源无线的方式，而这种无源无线的方式可以为极端环境下的监测提供技术支撑。如图1所示为一种狭缝环境，包括狭缝6和狭缝中间的弹性介质7，所述弹性介质7通常用于减小震动。狭缝间的作用力监测因其空间限制一直是测量技术的一个难点。

目前，应用于接触压力测量的传感器大致可分为压电式、压阻式、电容式、电感式及光学式五类，然而，这些均需要电源供电且基于有线方式工作。对于狭缝空间接触压力的监测来说，有源有线工作方式显得并不方便或者难以实现。与此相反，一种可以以无源无线方式工作的声表面波（SAW，Surface Acoustic Wave）传感技术，给狭缝空间等极端环境中物理量的测量提供了新的思路。

以下为SAW压力传感器的工作原理：

SAW器件通常由叉指换能器（IDT，interdigital transducer）、反射栅以及压电基底构成，SAW及IDT设置于压电基底上。IDT由若干金属薄膜电极构成，这些薄膜电极相互交叉布置，形状如双手手指交叉平放状，故取名为叉指电极。IDT的主要功能是激发出并且接收传播于压电基底表面的SAW，即实现电学信号与SAW之间相互转换，具体的说是当对IDT输入一定频率的电信号时，压电基底因为压电效应会在IDT输入的电信号的作用下产生一定频率的机械振动，这种机械振动会以包含SAW的形式传播出去，引起传播路径上的基底材料的振动，根据基底的压电效应的逆效应，可以通过在传播路径上设置IDT将这种SAW转换成的一定频率的电信号输出。反射栅由若干沉积在压电基底表面的金属薄膜电极构成，主要功能是使部分入射SAW反射回IDT。

当SAW器件的压电基底材料受到外力作用时，材料内部各点的应力发生变化，根据压电材料的非弹性行为，使材料的弹性常数及密度等属性随外界作用力的变化而变化，从而导致SAW的传播速度发生改变。同时，压电材料受到作用力后，使SAW谐振的结构尺寸会发生变化，从而SAW的波长也会改变，这种变化呈一种已知的对应关系。由于SAW传播速度和波长的变化对应着SAW谐振频率的变化，因此，可以通过测量IDT输入及接收频率的大小并通过计算得出外界作用力的大小。

以一种谐振型直接SAW传感器为例，SAW器件的同步频率f₀为

f0=υ0λ0=υ02p---(1)]]>

式中，υ₀为SAW传播速度，λ₀为SAW波长，p为相邻电极间的距离，对于均匀的IDT，p=2a，其中a为叉指电极的宽度。

由式1可知，谐振型直接SAW器件的频率f₀取决于SAW速度υ₀以及相邻电极间的距离p，改变其一即可实现器件输出信号频率的偏移，此即是谐振型直接SAW传感技术的基础。

对于谐振型直接SAW力敏器件来说，被测力学量作用于由压电基底构成的力敏结构，压电基底受力学量作用而产生应力、应变，其不仅使叉指电极宽度与其间间距变化，也使压电基底材料的材料常数等发生变化，最终传感器输出信号频率产生偏移Δf，即