一种无线无源声表面波振动传感器的制作方法

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一种无线无源声表面波振动传感器的制造方法与工艺

本发明涉及声学技术中的一种声表面波传感器,尤其是涉及一种应用于测量振动的声表面波传感器。



背景技术:

机械振动是各种机器内部结构以及外围保护的诊断与监控的信息来源。基于振动的检测可以评判机械的技术条件、设计与制作质量以及可靠性等。机械设备在运行中会有振动现象,超过正常范围的振动会增加机械疲劳,影响零部件的寿命,甚至发生零部件断裂和设备损坏。因此对关键机械部件的振动进行检测,可以有效监控设备不良状态,及时维护,起到预先发现问题和处理问题的作用,这对于安全生产、延长设备使用寿命、节省成本具有重要意义。

传统的机械振动监测系统普遍采用有线测量的方式,存在布线复杂,电缆易于磨损,缺少灵活性,成本高,可维护性差等缺点,对于大量旋转和移动的部件或设备,有线测量方式难以有效完成监测任务。往复式空气压缩机是广泛应用于石油化工行业的一类动力机械,它以其价格低、热效率高、制造技术成熟、变工况以及多台压缩机联网适应性好等优点而被广泛使用。但与此同时,因为具有工况变化大、运动形式复杂以及运行环境多变等特点而呈现出故障发生率较高的一面。曲轴拉杆每秒钟进行3~5次往复运动,对运动状态目标的监测需要采取无线的方式;考虑到日常维护方便,传感器不能带有电池,因此最好的解决方案是采用无线无源传感技术。此外,无线无源传感技术在某些极端环境如高温高压等条件下的实际应用也极具潜力。

声表面波传感器以其独特优点如高精度,高灵敏度,体积小,重量轻,功耗低,具有良好的稳定性,能够快速响应,制作成本低,而且可实现无线无源测量方式,特别适合于高温高压及无人值守等极端应用环境,极具应用前景。无线无源声表面波传感技术原理是由射频收发模块(雷达)发射与声表面波传感器件同频的电磁波信号,通过天线由声表面波传感器件的叉指换能器接收并转换成沿压电晶体表面传播的声表面波,声表面波在传播过程中被反射器反射并被叉指换能器重新转换成电磁波信号,再经由天线被收发模块接收。在声表面波传播过程中如受到力、磁、温度等影响,即会直接影响声传播速度及幅度。通过解调接收信号即可获得相应传感信息。本发明即是设计一种梁式结构SAW反射型延迟线模式的新型无线无源声表面波振动传感器,以差分传感结构提升传感器温度稳定性,通过设置压电悬臂梁材料与其几何结构以及振子质量提高传感器的灵敏度。根据在振动过程中SAW的延时以及相位的变化,借助于雷达信号收发模块,由此实现无线无源的振动检测方式。



技术实现要素:

本发明设计一种无线无源声表面波(SAW)振动传感器。不同于传统的振动传感器,采用SAW技术设计振动传感器件,可实现传感器的无源检测,并结合雷达原理实现无线信号传输。而且,本发明所设计的振动传感器提供一种差分温度补偿方法;另外,为了更好的满足分辨率、灵敏度等具体指标要求,对这种梁式SAW振动传感器开展性能优化研究。即通过分析传感器的敏感机理,设定悬臂梁的材料与几何尺寸。为此,本发明提供的技术方案如下:

所述无线无源声表面波(SAW)振动传感器包括:天线,匹配电路,压电悬臂梁 ,由半导体工艺沉淀于压电悬臂梁上的反射型延迟线结构的声表面波(SAW)器件,以及位于悬臂梁自由端末端的质量振子和承载压电悬臂梁的固定基座;质量振子上下对应封装管座和封装管帽处均设置有缓冲材料。压电悬臂梁结构由与电路PCB板连接的封装管座承载。

所述的声表面波(SAW)器件,采用反射型延迟线结构,由叉指换能器、第一反射器和第二反射器构成。其中,第一反射器用于温度测量与差分温度补偿,第二反射器用于振动检测。第一反射器和第二反射器只是本发明的其中一个实施例,反射器的具体数目可根据实际需要设计。在设定反射器数目的时候,要求至少有一个反射器用于温度测量与差分温度补偿,以及至少有一个反射器用于振动测量。

所述叉指换能器、第一反射器和第二反射器,其电极数目按照以下规则设置:随着反射器与叉指换能器的距离增加而相应增加。为消除外围环境噪声干扰,第一反射器与叉指换能器时域间隔要求设置为1.1~1.3µs。用于温度测量与差分温度补偿的反射器要求放置于悬臂梁的非力敏区域上,所以所述用于温度测量与差分温度补偿第一反射器设置于压电悬臂梁的固定端范围内。而用于振动检测的第二反射器要求放置于压电悬臂梁的力敏区域范围内;进一步地,为了使第二反射器能获得最大响应效果,要求第二反射器放置于悬臂梁固定端与自由端交联区域范围内。

所述压电悬臂梁由固定基座固定,压电悬臂梁自由端末端上固定一个质量振子。

当无线无源声表面波(SAW)振动传感器受到振动时,梁自由端的质量振子则由于受到振动加速度引起压电悬臂梁沿施力方向产生一个位移,也就是使得悬臂梁发生弯曲变形并引起其表面应变分布变化,从而导致反射型延迟线声表面波(SAW)器件中SAW传播速度的变化,由此导致SAW的延时和相位发生相应的改变,通过解耦即可提取传感信息。

由于无线无源声表面波(SAW)振动传感器的灵敏度特性主要取决于悬臂梁的材料与几何尺寸,所以可通过利用有限元软件COMSOL对悬臂梁结构进行建模,计算压电基片的应力分布。综合考虑到压电梁厚度受工艺条件限制以及石英梁本身的最大允许应力限制,并通过分析无线无源声表面波(SAW)振动传感器的敏感机理,确定压电悬臂梁的材料与几何尺寸。一般的,所述的压电悬臂梁的厚度为0.2~0.45mm,宽度由制作于其表面的反射型延迟线声表面波(SAW)器件的声孔径决定,长度则由加速度动态范围决定。

另外为保护压电悬臂梁,在压电悬臂梁自由端末端质量振子对应封装管座和封装管帽处设置缓冲材料与,上下距离大于自由端末端最大振动位移。所选取的材料要求为软性材料,并且热膨胀系数小,如橡胶,硅胶,TPU,TPE,TPR等。

所述的匹配电路,要求保证声表面波(SAW)器件与天线之间的阻抗匹配,使天线获取最大的输入功率。

优选的,所述无线无源声表面波(SAW)振动传感器可采用433M,915M,2.4G等ISM频段或其他频段。

进一步优选的,采用890M作为无线无源声表面波(SAW)振动传感器的中心频率。

优选的,所述反射型延迟线声表面波(SAW)器件采用40M带宽。

优选的,所述的压电悬臂梁材料可选用铌酸锂,钽酸锂、镓酸锂、及锗酸锂等高压电系数材料。

进一步优选的,考虑到温度因素对振动测量造成的影响,要求选取压电系数高,温度系数线性度好,能易于实现温度补偿,所以所述的压电悬臂梁晶体材料选用41YX LiNbO3,128°YX LiNbO3,YZ LiNbO3,36° YX LiTaO3压电晶体做悬臂梁。

优选的,所述叉指电极材料可选择铝、铂、铜。

进一步优选的,采用铝。

优选的,所述的器件封装管帽可以使用金属封装或陶瓷封装形式。

进一步优选的,所述器件采用陶瓷封装。

优选的,所述封装管座可以使用金属直插式基座或陶瓷贴片式基座。

进一步优选的,所述封装管座采用金属直插式基座。

优选的,所述天线可以选取微带天线,缝隙天线,环形天线或者直立天线。

进一步优选的,所述天线采用微带天线。

由于声波传播衰减作用,延迟线结构的设计会影响传感器整体性能。通常延迟线较长的传播路径会导致源自各个反射器的反射峰均一性差,并且离源换能器越远,反射器能量损耗越大,反射信号信噪比越低,这将直接影响到时域有效信号的提取。因此,基于上述说明,可对反射型延迟线声表面波(SAW)器件作进一步优化。(此处说明是在对上述说明的一个补充扩展,依然是本发明的保护范围之内。以下描述可当做是本发明为解决上述问题的改进实施例。)

为补偿声波衰减的影响,获得均一损耗与信噪比的时域反射峰,基于反射型延迟线声表面波(SAW)器件的设计要求,可对反射型延迟线声表面波(SAW)器件的结构作进一步优化。如图5的(a)与(b)所示,优化方案的设计首先要求叉指换能器与用于温度补偿的第一反射器放置在压电悬臂梁的固定端范围内,检测第二反射器放置在压电悬臂梁的固定端与自由端交联区域范围内。如图5(a)所示,第一反射器与检测第二反射器,在严格遵守与叉指换能器的时域间隔的前提下,可分为上下两个通道。若不分为上下两通道,也可以如图5(b)所示,第一反射器可设置在与检测第二反射器相反的一侧。

附图说明

为了更清晰地说明本发明实施例的技术方案,下面将对实施例描述中所需要使用的附图做简单地介绍。

图1是无线无源声表面波(SAW)振动传感器的结构示意图。

图2是由半导体工艺沉积于压电悬臂梁(8)上的反射型延迟线声表面波(SAW)器件(9)以及置于自由端(16)末端的质量振子(11)。

图3是说明压电悬臂梁(8)的固定端(15)与自由端(16)。固定于基座(6)上的压电悬臂梁(8)部分为固定端(15)(即非力敏区域),余下部分为自由端(16)(即力敏区域)。

图4是匹配电路结构示意图。

图5(a)和(b)是对本发明提供的用于无线无源声表面波(SAW)振动传感器的反射型延迟线声表面波(SAW)器件(9)的改进示意图。

图面说明如下:

(1)天线 (2)匹配电路 (3)电路PCB板

(4)封装管帽 (5)封装管座 (6)固定基座

(7)下方缓冲材料 (8)压电悬臂梁 (9)反射型延迟线声表面波(SAW)器件

(10)自由端的质量振子 (11) 上方缓冲材料 (12)叉指换能器

(13)用于温度检测与补偿的第一反射器 (14)用于振动检测的第二反射器

(15)固定端(梁的非力敏区域) (16)自由端(梁的力敏区域)

(17)匹配电容 (18)匹配电感。

具体实施方式

下面将结合本发明的说明书附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述,显然,所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例,而非全部。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范畴。 本发明实施方式提供了一种无线无源声表面波(SAW)振动传感器,该无线无源声表面波(SAW)振动传感器采用声表面波反射型延迟线结构,具体的技术方案如下:

如图1所示,本实施例提供的一种无线无源声表面波(SAW)振动传感器包括:天线(1),匹配电路(2),压电悬臂梁(8) ,由半导体工艺沉淀于压电悬臂梁(8)上的反射型延迟线结构的声表面波(SAW)器件(9),以及位于悬臂梁(8)自由端(16)末端的质量振子(10)和悬臂梁固定基座(6);为了保护悬臂梁(8),压电悬臂梁(8)自由端(16)末端的质量振子(10)上下对应封装管座(5)和封装管帽(4)处各设置有缓冲材料(7)与(11)。

所述压电悬臂梁(8)由固定基座(6)固定,压电悬臂梁(8)的自由端(16)末端固定质量振子(10)。作为实施例,压电悬臂梁(8)选用YZ-LiNbO3,综合考虑到压电梁厚度受工艺条件限制以及石英梁本身的最大允许应力限制,并通过分析计算,压电悬臂梁(8)的长度为12毫米,宽度为2毫米,厚度为0.45毫米,自由端(16)末端的质量振子(10)为0.6g。用于应变检测的第二反射器(14)置于压电悬臂梁(8)的固定端(15)与自由端(16)交联处的最大应变敏感区,此时无线无源声表面波(SAW)振动传感器可获得较大的检测灵敏度。叉指换能器(12)与用于温度检测与补偿的第一反射器(13)则放置于悬臂梁(8)上的固定端(15)处。为了防止悬臂梁因振动幅度过大而受到损坏,在压电悬臂梁(8)自由端(16)末端的质量振子(10)上下对应的封装管座(5)和封装管帽(4)处设置软性缓冲材料(11)和(7)。上方软性材料(11)与质量振子(11)的距离,等于压电悬臂梁(8)到下方软性材料(7)距离,距离设为1毫米。固定基座(6)高为1.5mm。

如图2所示,采用半导体光刻技术,所述的反射型延迟线声表面波(SAW)器件(9)包括一个叉指换能器(12)和两个反射器(13~14)。反射型延迟线声表面波(SAW)器件(9)频率设为890M,叉指电极数目为20对。反射器(13~14)采用短路反射栅型,其电极数目从左到右依次是7对、8.5对。叉指换能器(12)与第一个第一反射器(13)(即用于温度检测与补偿的反射器)的距离是854λ(λ为对应声波长),第一个第一反射器(13)与第二个第二反射器(14)(即用于应变检测的反射器)的距离是66.75λ。叉指换能器(12)指条宽度为1.101微米,电极膜厚为300纳米,各个指条间距均为1.101微米,声孔径为1586.160微米。所述的两个反射器(13~14)指条宽度为1.101微米,电极膜厚为300纳米,各个指条间距均为1.101微米,指条长度均为440.600微米。最后叉指换能器(12)与外电路(即匹配电路(2))相连。

如图4所示,所述的匹配电路(2),由于本方案中具体参数设置的要求,此处并不需要放置匹配电容,因此仅串联一个9.1nH大小的匹配电感(18)即可。并且输入端阻抗输出匹配至50欧姆。

进一步说明,所述无线无源声表面波(SAW)振动传感器的工作原理描述如下:

根据压电效应,叉指换能器(12)把由天线(1)接收到的电磁波信号转换为声表面波信号,激发的声表面波沿着压电悬臂梁(8)传播,当经过反射器(13~14)时声表面波被反射回去。若无线无源声表面波(SAW)振动传感器受到振动时,自由端的质量振子(10)则由于加速度力,引起悬臂梁(8)沿施力方向产生一个位移,也就是使得悬臂梁发生弯曲变形,从而引起反射型延迟线声表面波(SAW)器件(9)内SAW传播速度发生变化,由此导致反射型延迟线声表面波(SAW)器件(9)的延时和相位发生相应的变化。发生变化的反射声表面波经过叉指换能器(12)时,由于逆压电效应,最终叉指换能器(12)把声波信号转换为电磁波信号输出,再由雷达收发模块接收并信号解调处理获得传感信息。

以上所述的具体实施方式,对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明,所应理解的是,以上所述仅为本发明的具体实施方式而已,并不用于限定本发明的保护范围,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

再多了解一些
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