[实用新型]双谐振器声波拉伸应变传感器芯片

说明书

本实用新型提出了一种双谐振器声波拉伸应变传感器芯片，其包括第一谐振器和第二谐振器，第一谐振器和第二谐振器相互垂直放置且各自的声波传播方向不通过对方谐振器区域。可以选择从基底层背部进行深刻蚀，构成兰姆波器件；也可以选择在基底层背部不刻蚀，构成声表面波器件。由于两谐振器结构完全相同，故二者感受到的由温度引起的频率漂移相同。第一谐振器的声波传播方向与待测主应变方向垂直，第二谐振器的声波传播方向与待测主应变方向平行，二者感受到的由应变引起的频率漂移相反。本实用新型不仅能够消除温度对应变检测的干扰，还能增大应变灵敏度。

技术领域

本实用新型属于声波应变传感器技术领域，具体涉及一种应用于测量单轴拉伸应变量的双谐振器声波拉伸应变传感器芯片。

背景技术

声波应变传感器是一种利用声波物理特性测量应变的传感器。声表面波的本质是一种由机械振动引起的沿弹性固体表面传播的弹性波。当外界扰动(如压力、应变、温度等)作用于基片时，会引起基片的弹性模量变化，声表面波的波速改变；同时，外界扰动会引起谐振器的几何尺寸变化，声表面波的波长改变，波速和波长的共同变化导致谐振器的谐振频率偏移。

由于谐振器均感受测试环境的温度和应变，所以谐振器的谐振频率偏移为应变和温度两部分共同作用的结果。尤其在温度大幅波动的环境中，温度引起的频率漂移现象愈实用新型显，温度补偿就显得尤为重要。

中国专利CN 107289883提供了一种差分式谐振器型的无线无源声表面波应变传感器，该应变传感器包括一个参考器件和一个感知器件，虽然解决了由环境温度引起的对应变检测干扰的问题，但是其应变灵敏度并没有提高。

实用新型内容

本实用新型主要针对现有技术中存在的不足，提出了一种双谐振器声波拉伸应变传感器芯片，其包括结构完全相同的第一谐振器和第二谐振器，第一谐振器和第二谐振器相互垂直放置且各自的声波传播方向不通过对方谐振器区域，以确保声场互不影响；还包括压电层、底电极与基底层；在所述基底层上形成有所述底电极，在所述底电极上形成有所述压电层，在所述压电层上形成有第一谐振器和第二谐振器。

第一谐振器和第二谐振器均感受测试环境的温度和应变，故两个谐振器的谐振频率偏移均为应变和温度两部分共同作用的结果。由于第一谐振器和第二谐振器制作在同一压电层上，距离很近，而且结构完全一样，故二者感受到的由温度引起的频率漂移相同。对待测应变薄板进行单轴拉伸(本实用新型中为横向拉伸)，第一谐振器的声波传播方向与待测主应变方向垂直，其谐振频率随应变增大而增大；第二谐振器的声波传播方向与待测主应变方向平行，其谐振频率随应变增大而减小，二者感受到的由应变引起的频率漂移相反。

在测量拉伸应变时，监测两个谐振器的谐振频率，归一化后，将两个频率值作差，便能实现大温区范围内的应变量测量，还能增大应变灵敏度。

在本实用新型的一种优选实施方式中，谐振器和反射栅组成单端谐振器，具体地，单端谐振器的结构为两个反射栅之间放置一个叉指换能器；所述第一谐振器和所述第二谐振器设置于同一压电层上；所述第一谐振器包括：第一叉指换能器、第一反射栅和第二反射栅；所述第一反射栅和所述第二反射栅分布于所述第一叉指换能器两侧；所述第二谐振器包括：第二叉指换能器、第三反射栅和第四反射栅；所述第三反射栅和所述第四反射栅分布于所述第二叉指换能器两侧。

在本实用新型的另一种优选实施方式中，所述第一谐振器纵向设置于所述压电层上，所述第二谐振器横向设置于所述压电层上，两者相互垂直放置且分别置于一个直角的两条边上。

若第二谐振器的声波传播方向通过第一谐振器区域，如背景技术中对比文件中所示的关系，第二谐振器的声波传播到第一谐振器，并作用于第一谐振器上，使得第一谐振器的几何尺寸与压电薄膜的弹性模量发生改变，引起声波波长及波速的变化，从而导致第一谐振器的谐振频率偏移，影响应变检测的准确性。本实用新型中，第一谐振器和第二谐振器相互垂直放置且各自的声波传播方向不通过对方谐振器区域，有效保证了两者的声场互不影响，提高了检测的准确性。