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基于石英的声表面波宽量程气压传感器研究

来源:SCI期刊网 分类:电子论文 时间:2021-09-23 08:06 热度:

摘 要:摘要:该文提出了一种面向航天航空飞行器宽量程压力检测的声表面波(SAW)传感器的设计方法。在Y切石英晶体上,利用半导体平面工艺设计并制作了单端对谐振型传感器,在此基础上,

  摘要:该文提出了一种面向航天航空飞行器宽量程压力检测的声表面波(SAW)传感器的设计方法。在Y切石英晶体上,利用半导体平面工艺设计并制作了单端对谐振型传感器,在此基础上,通过石英干法刻蚀工艺制备了压力参考腔,并构建了全石英封装的面压式传感结构。利用搭建的气压测试平台,对制备的SAW传感器性能进行测试,测试结果表明,传感器在0~3.6MPa量程内获得了1.36kHz/MPa的检测灵敏度,并表现出良好的线性度。

基于石英的声表面波宽量程气压传感器研究

  关键词:声表面波;气压传感器;单端对谐振器;宽量程;全石英封装

  0引言

  航空航天领域中气压参数的原位监测对于飞行器的运行健康保障具有重要意义。但上述领域中高温高压等复杂的应用环境对于气压传感器的安全性、可靠性及维护性等均提出了更高要求。与现役压力传感器相比,基于声表面波(SAW)技术的压力检测方法除小体积、高灵敏等特点外,还具有无源感知和无线信号传输的独特优势,因而在上述领域极具应用前景[1-2]。SAW是一种在压电晶体上光刻沉积金属叉指电极利用压电效应激励的表面声波。如果对压电晶体施加压力,晶体所产生的形变会导致其弹性常数、应变系数及介电常数等材料参数发生改变,进而导致SAW传播速度发生变化。通过测量SAW传感器的谐振频率相应变化量可实现气压传感。同时结合雷达技术,可实现对压力的无源感知和无线信号传输。近年来,国内外有较多研究组开展了相关性研究,2012年,ScottC.Moulzolf等为解决高温压力传感问题,利用耐高温的硅酸镓镧(LGS)压电晶体设计并制作了SAW高温压力传感器,在500℃内,压力灵敏度达203Hz/Pa[3]。西门子公司研制了压力检测精度为0.0015MPa的SAW压力传感器[4-6]。李红浪等研制了基于LGS的点压式SAW气压传感器,压力测试量程0~1MPa,测试灵敏度为619.6kHz/MPa[7]。谢立强等制备了一种嵌入式SAW压力传感器,非线性为1.02%,量程是0~500kPa[8]。显然,现有的SAW压力传感器设计量程均在1MPa左右,难以满足航空航天领域高气压的测试要求。

  为此,本文开展了一种基于SAW的宽量程气压传感器研究。设计并制作了具有高品质因数(Q)的单端对谐振型SAW传感器件,以具有良好温度稳定性的Y切石英材料作为压电基片。优化设计了全石英封装的面压式压力传感器结构,搭建了宽量程气压传感实验平台,初步实验结果显示,所研制的SAW气压传感器可实现0~3.6MPa的气压检测,并表现出较高检测灵敏度和良好的线性特性。

  1传感器设计与制备

  1.1SAW单端谐振器的设计与制备

  传感器采用如图1所示的单端对谐振器结构,周期为λ,孔径为W,反射栅与叉指换能器(IDT)的间距分别为L1、L2,相应结构设计参数如表1所示。基于标准半导体光刻工艺在Y切石英压电晶体上制备了中心频率为500MHz的SAW单端对谐振器,铝电极膜厚为1000nm。IDT和反射栅的指对数分别为60和100。制备的SAW单端对谐振器在光学显微镜下的结构如图2所示。用网络分析仪测试制备器件的S11-频率响应如图3(a)所示。其导纳Y11-频率响应如图3(b)所示。器件工作频率约为500MHz,Q值为9850。

  1.2SAW气压传感器的设计和制备

  敏感结构设计是SAW压力传感器设计的核心。本文研究传感器的敏感结构是表面制作有两个SAW谐振器的周边固支的石英膜片,要合理设计敏感膜的结构尺寸,就需要对敏感膜基片上的应力、应变进行精确分析。

  压力传感器能否经受长期的气压冲击,封装结构设计是传感器设计和研发成功的关键。已报道的SAW压力传感器结构如图5(a)所示[5],SAW器件在压力腔表面,气压直接作用于叉指电极表面,该封装结构易导致传感器插损变大,影响信号的测量,且IDT长期暴露在空气中易被黏污或吸附潮气,影响器件的稳定性,易造成传感器失效。图5(b)为本研究对面压式SAW压力传感器的优化设计结构,满足宽压力范围的测试要求的同时,将叉指电极密封在参考腔内部通过汇流条将信号引出。SAW器件的叉指电极与外界环境隔离,以保护电极免受外界环境中灰尘、潮气等影响。

  压力传感器参考腔和器件的压电材料采用相同的基片材料,保证有相同的热膨胀系数,防止在较高温度下因热膨胀不同而导致器件变形。两块基片选择相同切向的石英材料。其中一片采用干法刻蚀工艺刻蚀0.6mm×0.5mm的矩形,其外接圆半径小于3.01mm,符合上述压力敏感膜片尺寸设计,密封参考腔深度为300μm(见图6)。另一片上采用光刻工艺制备SAW器件,将参考腔和SAW器件用密封胶密封粘合到一起,通过汇流条引出信号,封装好的SAW气压传感器连接测试PCB,如图7所示。

  2传感实验与讨论

  图8为搭建的气压传感器测试实验平台,包括所研制的SAW气压传感器、手动气压泵、标准压力表、用于控温的恒温温箱、网络分析仪,计算机进行实时监测。设计制作了测试用的夹具如图9所示。夹具使用螺纹接口,方便与气压泵连接,另一头使用射频连接头连接射频线进行信号传输,并使用螺纹和橡胶圈保证密封。

  首先,在室温(25℃)对SAW气压传感器在常压和3.6MPa下进行传感实验,测得的S11如图10所示。由图可知,在压力变化后,器件的频率漂移了420kHz,但回波损耗和品质因数均无明显变化,这说明采用Al/Y切石英结构的传感器在高压环境下性能相对稳定。然后进行了0~3.6MPa的压力测试实验,压力泵以0.2MPa为间隔加压到3.6MPa,同步记录压力传感器的频率偏移,图10为随气压的改变器件相应的中心频率偏移。采用最小二乘法拟合测试数据,绘制了不同压力下谐振频率的拟合直线,如图11所示。

  由图11可知,谐振频率与气压之间呈负相关的线性关系,即当压力增加时,频率呈近似线性下降。通过拟合可得气压与中心频率的线性表达式:y=-0.139x+500.937。压力灵敏度为1360Hz/MPa,线性误差小于0.4%,传感器的线性度较好,测试数据的波动是由于粘接密封腔的胶带来的非线性。

  3结束语

  本文提出了一种全石英封装的气压传感器结构。在此基础上设计了气压测试方案,完成压力测试平台搭建,然后进行气压测试实验。实验结果表明,研究设计的气压传感器可以实现宽量程0~3.6MPa的压力测试,其具备较高的压力灵敏度为1360Hz/MPa及较好的线性度。——论文作者:李学玲1,2,王文1,范淑瑶1,2,程利娜1,高旭1,2,胡梵冰1,2

  相关期刊推荐:《压电与声光》(双月刊)创刊于1979年,是由信息产业部电子第26研究所主办并公开发行的专业性科技刊物。主要报道声表面波技术,声光与光纤技术,压电及其他功能器件,单晶、薄膜及其他功能材料,实验技术与测试方法,以及压电与声光技术等领域的科研成果、发明创造、科技述评,国外在压电、铁电、声电、声光、电光等方面的各种功能器件和陶瓷、单晶、薄膜材料等新技术、新产品、新动向等。

文章名称:基于石英的声表面波宽量程气压传感器研究

文章地址:http://www.sciqk.com/lwfw/dzlw/11904.html

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