王 俊 李媛媛

(上海工程技術(shù)大學(xué)電子電氣工程學(xué)院)

柔性陣列式聲表面波微力傳感器的研究

王 俊 李媛媛

(上海工程技術(shù)大學(xué)電子電氣工程學(xué)院)

主要研究柔性陣列式聲表面波微力傳感器，進(jìn)行兩個(gè)金屬或者非金屬物體以及其間若干局部彈性介質(zhì)接觸面(厚度在1～5mm)間接觸微壓力(0.0～0.2N)的檢測(cè)，根據(jù)基片結(jié)構(gòu)所受應(yīng)力變化使用有限元分析法進(jìn)行受力分析，同時(shí)設(shè)計(jì)柔性陣列式傳感器基片，確定邊界條件，建立其線性回歸數(shù)學(xué)模型并進(jìn)行曲線擬合。該器件能夠在特殊測(cè)量環(huán)境下滿足力敏原件自由彎曲的特性，并且能夠在惡劣環(huán)境下進(jìn)行無(wú)源無(wú)線通信，在測(cè)量壓力時(shí)具有抗干擾能力強(qiáng)、精度高且分辨率高的特性，可廣泛應(yīng)用于接觸式測(cè)量、無(wú)損檢測(cè)、機(jī)器人及生物力學(xué)等領(lǐng)域。

傳感器 接觸微壓力 柔性陣列式 聲表面波 有限元分析 無(wú)源無(wú)線

傳感器已廣泛應(yīng)用于工業(yè)、國(guó)防、航天、航空、及農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等領(lǐng)域[1,2]。近年來(lái)，在一些特殊工業(yè)和微機(jī)電測(cè)量環(huán)境中，要求測(cè)量?jī)蓚€(gè)金屬或非金屬物體以及其間若干局部彈性介質(zhì)[3]接觸面(厚度在1～5mm)間的接觸微壓力(0.0～0.2N)的大小。研究的一般原則是將力敏感元件[4]串入力系結(jié)構(gòu)，通過(guò)傳感器的測(cè)量得到特殊環(huán)境下所需的數(shù)據(jù)參數(shù)[5,6]。然而，力敏元件的介入會(huì)導(dǎo)致所測(cè)系統(tǒng)環(huán)境改變，這種現(xiàn)象幾乎所有類型的傳感器都存在，原因是：復(fù)雜環(huán)境產(chǎn)生的介入誤差的影響較大，復(fù)雜表面形狀的測(cè)量難度較大，為特殊環(huán)境下測(cè)量設(shè)備的能量提供難度較大。因此開(kāi)展對(duì)柔性陣列式[7，8]聲表面波微力傳感器(Surface Acoustic Wave，SAW)的研究具有重要意義。

1 微間隙接觸壓力敏感技術(shù)

測(cè)量?jī)晌矬w接觸面間接觸壓力的基本原則是將力敏感元件串入到力系結(jié)構(gòu)中，如圖1所示。但力敏元件的介入會(huì)改變所測(cè)系統(tǒng)的環(huán)境，為了減小介入誤差的影響，要求相應(yīng)的力敏元件越薄越小越好。除此之外，一些特殊的測(cè)量環(huán)境還要求力敏感元件能自由彎曲，如人體壓力分布測(cè)量等。

圖1 復(fù)雜接觸面間接觸壓力示意圖

接觸壓力監(jiān)測(cè)器件雖種類繁多，但主要利用材料的壓電和壓阻效應(yīng)實(shí)現(xiàn)[9]，并且都有不足之處。壓電式接觸壓力敏感器件對(duì)測(cè)量電路有苛刻的要求，目前的應(yīng)用范圍還受到一定的限制[10,11]。電容式壓力傳感器靈敏度高，但由于自身的電容較小，易受到電路寄生電容干擾[12]。此外，新出現(xiàn)的利用新型材料研制的壓力傳感器由于存在靈敏范圍小、不可重復(fù)測(cè)量等缺點(diǎn)，還處于研究階段。

通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，聲表面波器件[13,14]可實(shí)現(xiàn)無(wú)源無(wú)線工作方式[15]，模擬電子學(xué)的各種功能，能使電子器件實(shí)現(xiàn)超小型化和多功能化[16～18]，通過(guò)加工工藝制作能滿足微間隙壓力監(jiān)測(cè)的結(jié)構(gòu)和功能要求。

2 微間隙接觸壓力監(jiān)測(cè)的SAW傳感技術(shù)方案

微間隙壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)包括傳感器端和查詢端，如圖2所示。計(jì)算機(jī)控制矢量函數(shù)發(fā)生器產(chǎn)生一定頻段內(nèi)的電磁波，通過(guò)與矢量信號(hào)發(fā)生器相連的發(fā)射天線將信號(hào)發(fā)射出去，激勵(lì)一定距離外的傳感器端的SAW傳感器，與頻譜分析儀相連的接收天線接收傳感器端的反饋信號(hào)并輸入頻譜分析儀，利用計(jì)算機(jī)分析接收信號(hào)的頻率，進(jìn)一步分析傳感器監(jiān)測(cè)部位的壓力變化。

圖2 微間隙壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)示意圖

3 SAW微力傳感器的設(shè)計(jì)

聲表面波壓力傳感器的設(shè)計(jì)[19]包括基片受力形式、基片尺寸及材料的選擇等方面。

基于微間隙壓力監(jiān)測(cè)的聲表面波傳感器，設(shè)計(jì)21mm×5mm×4mm、25mm×5mm×4mm、29mm×5mm×4mm不同長(zhǎng)度的結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 中空結(jié)構(gòu)基片圖

理想的聲表面波壓電材料必須具有粗糙度盡可能小的表面，盡可能高的機(jī)電耦合系數(shù)，較小的傳播損耗，較小的溫度系數(shù)，具有可復(fù)制性、一致性和較低成本。S-T石英與LiNbO3是現(xiàn)在最常使用的SAW基片材料，參數(shù)比較見(jiàn)表1?？梢?jiàn)LiNbO3具有更好的機(jī)電耦合系數(shù)，經(jīng)以上分析，選用LiNbO3作為SAW壓電材料。

表1 兩種材料相關(guān)參數(shù)比較

4 壓電基片ANSYS仿真

為設(shè)計(jì)出性能更好的SAW壓力傳感器，通過(guò)ANSYS14.0軟件分析，建立模型，劃分網(wǎng)格，自由度約束，施加載荷，求解得到如圖4～6所示的位移、應(yīng)力和應(yīng)變?cè)茍D。

圖4 20g載荷下21mm基片的位移云圖

圖5 20g載荷下25mm基片的應(yīng)力云圖

圖6 20g載荷下29mm基片的應(yīng)變?cè)茍D

通過(guò)云圖確定輸入、輸出叉指換能器(Interdigital Transducer，IDT)的位置，經(jīng)仿真后得出，對(duì)于同一規(guī)格的壓電基片，從0～20g每2g遞增施加壓力，對(duì)基片上應(yīng)力應(yīng)變最小處的位置沒(méi)有影響，并且兩邊應(yīng)力應(yīng)變最小處是關(guān)于基片長(zhǎng)度方向中線對(duì)稱的。不同規(guī)格的壓電基片，其應(yīng)力應(yīng)變最小處不同。測(cè)量模型IDT左右邊距后，得到基片長(zhǎng)度與雙端IDT邊距的關(guān)系見(jiàn)表2，其中L指壓電基片的長(zhǎng)度，L1指輸入叉指換能器距離基片左端的距離，L2指輸出叉指換能器右端的距離。

表2 基片長(zhǎng)度與IDT邊距關(guān)系仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) mm

5 基片及其測(cè)試

在有限元分析的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)制作的SAW傳感器，根據(jù)不同的尺寸分別為21mm、25mm及29mm等，其中余弦平方函數(shù)和Morlet小波函數(shù)均有25mm的設(shè)計(jì)。

根據(jù)不同的基片長(zhǎng)度，在實(shí)驗(yàn)室中分別用0～20g的砝碼，在基片面上根據(jù)不同的微力使用不同的砝碼值進(jìn)行測(cè)量，并將每次按照不同砝碼測(cè)量得到的頻率數(shù)據(jù)記錄下來(lái)，由于頻率在測(cè)量過(guò)程中波動(dòng)較大，需要穩(wěn)定一段時(shí)間后讀取數(shù)據(jù)，測(cè)得的數(shù)據(jù)越多，通過(guò)計(jì)算得到的頻差壓力轉(zhuǎn)換公式就會(huì)越精確(圖7～10)。

圖7 21mm余弦平方函數(shù)基片0g受力測(cè)試結(jié)果

圖8 25mm余弦平方函數(shù)基片5g受力測(cè)試結(jié)果

圖9 25mm Morlet基片10g受力測(cè)試結(jié)果

圖10 29mm余弦平方函數(shù)基片10g受力測(cè)試結(jié)果

根據(jù)網(wǎng)絡(luò)分析儀在不同微力作用下所測(cè)得的頻率信號(hào)，測(cè)得多組數(shù)據(jù)，進(jìn)行多次數(shù)據(jù)平均后選擇其中10組數(shù)據(jù)，通過(guò)對(duì)輸入、輸出采用相對(duì)變量的計(jì)算方式，能夠?qū)⒉顒?dòng)輸出形式中的靈敏度提高一倍。實(shí)驗(yàn)操作重復(fù)進(jìn)行，其中的4組見(jiàn)表3～6。

表3 頻率與壓力的第1組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表4 頻率與壓力的第2組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表5 頻率與壓力的第3組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

表6 頻率與壓力的第4組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，利用最小二乘法和Matlab求解擬合多項(xiàng)式，當(dāng)測(cè)量的數(shù)據(jù)足夠多，這種多項(xiàng)式的擬合結(jié)果就越精確。

對(duì)設(shè)計(jì)的聲表面波傳感器進(jìn)行實(shí)際測(cè)試，根據(jù)不同尺寸、不同函數(shù)進(jìn)行分析，并對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行多次平均，以減小差動(dòng)輸出并提高器件的靈敏度。根據(jù)測(cè)得的數(shù)據(jù)，分別應(yīng)用最小二乘法和矩陣法進(jìn)行解析，求解擬合次數(shù)并進(jìn)行對(duì)比，根據(jù)結(jié)果得出聲表面波微力傳感器的頻差與壓力轉(zhuǎn)換關(guān)系圖。實(shí)測(cè)結(jié)果顯示，SAW微力傳感器對(duì)0～20kPa范圍內(nèi)的壓力敏感且擬合度較好。通過(guò)Matlab編程，繪制如圖11所示的聲表面波壓力傳感器頻差與壓力的多項(xiàng)式擬合曲線。小圓圈表示的是頻差與壓力實(shí)驗(yàn)值之間的關(guān)系，而線段表示的是頻差實(shí)驗(yàn)值與壓力擬合值之間的關(guān)系，小圓圈分布在線段的周?chē)?，說(shuō)明多項(xiàng)式得到了較好的擬合曲線。

圖11 SAW傳感器的頻差與壓力的關(guān)系

通過(guò)Matlab繪制聲表面波壓力傳感器頻差與壓力的多項(xiàng)式擬合曲線，主程序如下：

x=[67.010,74.019,79.510,97.623,98.014,111.598,115.014,118.456,125.254,127.985,134.124];

y=[0,2,4,6,8,10,12,14,16,18,20];

p=polyfit(x,y,6);

>> Y=polyval(p,x);%計(jì)算x處的擬合值

>> plot(x,y,′ro′);

>> grid on;hold on

>> plot(x,Y);

>> legend(′觀測(cè)數(shù)據(jù)點(diǎn)′,′擬合數(shù)據(jù)點(diǎn)′);

>> xlabel(′頻差/kHz′);ylabel(′壓力/kPa′);

6 結(jié)束語(yǔ)

筆者設(shè)計(jì)了一種新型結(jié)構(gòu)的聲表面波微力傳感器，應(yīng)用于測(cè)量?jī)蓚€(gè)金屬或者非金屬物體以及其間若干局部彈性介質(zhì)接觸面(厚度在1～5mm)間接觸微壓力值(0.0～0.2N)的測(cè)量，使用有限元分析方法對(duì)SAW傳感器基片的受力進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)并制造SAW微力傳感器，同時(shí)對(duì)器件進(jìn)行調(diào)試與測(cè)試，為微間隙等特殊環(huán)境下物理量的測(cè)量提供新思路。

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ResearchonFlexibleArraySurfaceAcousticWaveSensor

WANG Jun, LI Yuan-yuan

(College of Electronic and Electrical Engineering, Shanghai University of Engineering Science)

TH812

A

1000-3932(2017)05-0466-07

上海工程技術(shù)大學(xué)研究生科研創(chuàng)新項(xiàng)目(E3-0903-16-01182)。

王俊(1993-)，碩士研究生，研究方向?yàn)橹悄軅鞲衅鳌?/p>

聯(lián)系人:李媛媛(1979-)，副教授，研究方向?yàn)橹悄芸刂?、智能傳感器及其檢測(cè)，liyuanyuanedu@163.com。

2016-10-17，

2017-04-17)