[发明专利]基于声表面波的微位置传感器

说明书

技术领域

本发明涉及，特别涉及一种基于声表面波的微位置传感器。

背景技术

声表面波(surface acoustic wave，SAW)是英国物理学家瑞利在19世纪80年代研究地震波的过程中偶尔发现的一种能量集中于地表面传播的声波。声表面波是一种在固体浅表面传播的弹性波，它存在若干模式，主要包括Rayleigh波、Love波、Lamb波、B2G波、漏剪切声表面波以及快速声表面波模式的准纵漏声表面波等。

1965年，美国怀特和沃尔特默发表题为“一种新型声表面波声——电转化器”的论文，取得了声表面波技术的关键性突破，首次采用叉指换能器IDT激发SAW，加速了声表面波技术的发展。SAW传感器是电子技术与材料科学相结合的产物，它由SAW振荡器、敏感的界面膜材料和振荡电路组成，SAW传感器的核心部件是SAW振荡器，由压电材料基片和沉积在基片上不同功能的叉指换能器所组成，有延迟线型(DL型)和谐振器型(R型)两种。

SAW传感器是继陶瓷、半导体等传感器的一支后起之秀。与传统传感器相比，它具有性能高、体积小、能承受极端工作条件(如高温、强电磁辐射)等优点。此外，SAW传感器可实现无源化，无须外部供电，这使得它比传统的传感器更能胜任无接触测量，例如：高速转子、快速移动物体以及密封物体内部等各种条件下的物理化学参数检测。由于叉指换能器可与射频辐射天线直接相连，达到收发射频信号的目的，所以能直接完成无线应用，大大简化了SAW传感器节点的结构。最简单的SAW传感器节点仅由声表面波压电编码传感单元芯片和直接相连的天线组成，成本低，适于推广应用。

由于声表面波声速比电磁波光速低许多，声表面波传播4mm距离，即可延时一微秒左右。一微秒延迟时间，足以避免近距(<100米)内射频多次反射杂波的干扰，大大提高了有效回波的信噪比，有利于增加反射延迟型SAW传感器的读写距离或减小读写器的射频辐射功率。

微位置传感器根据其传感原理主要分为压阻式、电容式、声表面波式。压阻式和电容式在微位置的测量过程中存在许多问题，例如体积大、灵敏度低、易受噪声影响。而声表面波是一种在压电基底表面传播的机械波，基于其原理制作的各类传感器因为其体积小、灵敏度高、测量精度高，并且为无源无线测量而广泛应用于旋转、强电磁场等极端环境之中。基于MEMS工艺制作的声表面波传感器经过特殊封装后还可以置入于被测物体的表面。 目前，基于SAW传感方式的微位置传感器还没有被报道过。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种利用声表面波的发射与接收原理制作而成的基于声表面波的微位置传感器，该传感器体积小、灵敏度高、测量精度高且不易受噪声影响，能够广泛地应用于旋转和强电磁场等极端环境之中，使用范围广。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：基于声表面波的微位置传感器，包括方型的压电基底，压电基底垂直方向上的两个侧面的内壁上相对应地设有第一声表面波发射器和第一声表面波接收器，压电基底水平方向上的两个侧面的内壁上相对应地设有第二声表面波发射器和第二声表面波接收器；所述的第一声表面波发射器、第一声表面波接收器、第二声表面波发射器和第二声表面波接收器分别位于压电基底的四个角的位置，压电基底的四个侧面的内壁上均设有反射栅。

进一步地，所述的第一声表面波发射器、第一声表面波接收器、第二声表面波发射器和第二声表面波接收器均是由铝膜制成的叉指换能器组成的。

进一步地，所述的反射栅为45°凹槽反射栅，该反射栅是利用MEMS制造工艺刻蚀在压电基底内壁上的。

进一步地，所述的压电基底采用单晶石英压电基底或多层基底。

本发明的有益效果是：

1、声表面波是一种在压电基底表面传播的机械波，利用声表面波的发射与接收原理制作而成的微位置传感器体积小、灵敏度高、测量精度高且不易受噪声影响；

2、该微位置传感器为无源无线测量，能够广泛地应用于旋转和强电磁场等极端环境之中，使用范围广；

3、采用45°凹槽反射栅，能够将声表面波发射到整个工作平面，从而对整个工作平面进行检测，不会差生遗漏，检测结果准确可靠。

附图说明

图1为本发明的微位置传感器结构示意图；

图2为本发明的工作平面上无试样点时，第一声表面波号接收器得到的信号波形图；

图3为本发明的工作平面上有试样点时，第一声表面波号接收器得到的信号波形图；