基于纯模切型谐振器差分模式的无线无源温度传感器的制作方法

文档序号:25997697发布日期:2021-07-23 21:13阅读:73来源:国知局
基于纯模切型谐振器差分模式的无线无源温度传感器的制作方法

本公开涉及温度传感器技术领域,特别涉及一种基于纯模切型谐振器差分模式的无线无源温度传感器。



背景技术:

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术,并不必然构成现有技术。

无线无源温度传感系统基于声表面波测量原理,其实现中常采用谐振器型声表面波敏感元件,具有高q值(品质因数),远距离无线测量等优势,广泛应用于智能电网高低压开关柜内电缆接头、断路器接头、刀闸开关、高压电缆中间头、干式变压器、低压大电流等设备的温度监测中。

公开号为cn106225948a的中国专利,公开了一种双声表面波温度传感器及其设计方法。该专利为提高传感器谐振频率随温度变化的线性度,在同一块压电基片上选用了夹角为20°~160°的两个切型,并在其优选的切型上实现了声表面波谐振器的设计。公开号为cn101180524a的中国专利,公开了一种声表面波温度和扭矩传感器。为了实现温度传感器线性输出,该专利通过选用在y+34°切向石英公共基底上的、夹角为0°~30°的两个切型,实现了声表面波谐振器的设计,同时依据想要的温度测量范围和温度灵敏度,可以进一步确定所选的声波传播切型。

由上述温度传感器的实现方案可以发现,为了提高声表面波传感器谐振频率随温度变化的线性度,现有声表面波传感器常利用同一压电基片的各向异性,优选两个不同传播夹角,设计声表面波谐振器,即通过改变欧拉角(α,β,γ)中的声表面波传播方向角γ来实现线性补偿。这将导致:(1)无法保证同一压电基片表面两个声表面波传播切型均为纯模切型,即非纯模切型下的声表面波谐振器q值较低,造成整体敏感元件q值下降;(2)两个谐振器制备在同一压电基片上,曝光区域的面积大,工艺上难以保证两个谐振器的一致性,导致成品率降低。



技术实现要素:

为了解决现有技术的不足,本公开提供了一种基于纯模切型谐振器差分模式的无线无源温度传感器,采用不同声波传播的纯模切型下、两个独立的声表面波谐振器(简称纯模切型谐振器),保证了传感器敏感元件整体的高q值;利用两个谐振器中心频率的差分工作模式,保证了传感器的线性输出;同时,两个谐振器独立加工,传感器芯片面积小,提升了产品的成品率。

为了实现上述目的,本公开采用如下技术方案:

本公开第一方面提供了一种基于纯模切型谐振器差分模式的无线无源温度传感器。

一种基于纯模切型谐振器差分模式的无线无源温度传感器,包括:第一声表面波谐振器和第二声表面波谐振器,第一声表面波谐振器和第二声表面波谐振器的声表面波传播纯模切型不同,根据第一声表面波谐振器和第二声表面波谐振器的中心频率的差值与温度的关系进行温度测量。

进一步的,第一声表面波谐振器和第二声表面波谐振器,第一声表面波谐振器包括第一压电基片以及与第一压电基片接触连接的第一金属电极,第二声表面波谐振器包括第二压电基片以及与第二压电基片接触连接的第二金属电极。

更进一步的,第一压电基片和第二压电基片的材质采用压电石英、压电铌酸锂或压电钽酸锂。

更进一步的,第一压电基片和第二压电基片上谐振器设计选用压电石英、压电铌酸锂或压电钽酸锂材料的声表面波传播纯模切型。

更进一步的,第一金属电极设置在第一压电基片的抛光面上,第二金属电极设置在第二压电基片的抛光面上。

更进一步的,第一金属电极和第二金属电极的膜厚为叉指换能器电周期的0.1%~10%。

更进一步的,第一金属电极和第二金属电极的宽度为叉指换能器电周期的0.05~0.45。

更进一步的,第一金属电极和第二金属电极的叉指换能器和反射栅阵之间的间隙为叉指换能器电周期的0~5倍。

更进一步的,第一金属电极和第二金属电极的叉指换能器电周期是反射栅阵周期的0.9倍~1.1倍。

本公开第二方面提供了一种谐振器型无线无源温度传感器的工作方法。

一种谐振器型无线无源温度传感器的工作方法,利用本公开第一方面所述的基于纯模切型谐振器差分模式的无线无源温度传感器;

分别获取第一声表面波谐振器和第一声表面波谐振器的初始频率和温度变化后的谐振器频率;

根据得到的初始频率和温度变化后的谐振器频率,计算两个谐振器中心频率的差值与温度的关系,进而得到当前的温度值。

与现有技术相比,本公开的有益效果是:

1、本公开所述的基于纯模切型谐振器差分模式的无线无源温度传感器,采用了不同声波传播的纯模切型下、两个独立的声表面波谐振器,提升了传感器敏感元件整体的q值。

2、本公开所述的基于纯模切型谐振器差分模式的无线无源温度传感器,通过优选切型下频率-温度特性差分的工作模式,提升了传感器频率输出的线性度,可有效地提高传感器的抗外界干扰能力,保证温度传感器的精度。

3、本公开所述的基于纯模切型谐振器差分模式的无线无源温度传感器,其两个谐振器采用了不同的压电基片,工艺上独立加工,避免了现有两个谐振器制备在同一压电基片上所带来的曝光面积增加,可实现芯片的小尺寸,保证了谐振器成品率,提高了一致性。

本公开附加方面的优点将在下面的描述中部分给出,部分将从下面的描述中变得明显,或通过本公开的实践了解到。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解,本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开,并不构成对本公开的不当限定。

图1为本公开实施例提供的基于纯模切型谐振器差分模式的无线无源温度传感器的结构示意图。

图2为本公开实施例提供的纯模切型下谐振器相对频率变化示意图。

图3为本公开实施例提供的差分模式下谐振器差频变化示意图。

1、第一压电基片;2、第一金属电极;3、第二压电基片;4、第二金属电极。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

应该指出,以下详细说明都是示例性的,旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明,本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是,这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式,而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的,除非上下文另外明确指出,否则单数形式也意图包括复数形式,此外,还应当理解的是,当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时,其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在不冲突的情况下,本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例1:

如图1所示,本公开实施例1提供了一种基于纯模切型谐振器差分模式的无线无源温度传感器,包括两个独立的声表面波谐振器。

第一压电基片1,第一金属电极2构成纯模切型t1下的声表面波谐振器;第二压电基片3,第二金属电极4构成纯模切型t2下的声表面波谐振器;t1和t2声表面波谐振器选用了压电基片上不同的声表面波传播纯模切型。

t1声表面波谐振器的频率-温度系数为:

tcf1=a1·t2+b1·t+c1;

t2声表面波谐振器的频率-温度系数为:

tcf2=a2·t2+b2·t+c2;

其中,t为温度,a1、b1、c1、a2、b2、c2为系数;通过t1和t2谐振器中心频率的差频-温度系数实现温度传感器频率-温度特性的线性输出,差频-温度系数为:

δtcf=tcf1-tcf2=(b1-b2)·t+(c1-c2)。

如图1所示,所述t1和t2声表面波谐振器的第一压电基片1和第二压电基片3均选用压电石英材料。

所述t1声表面波谐振器的切型为y22°-x,其欧拉角(0°,112°,0°),t2声表面波谐振器的切型为y42°-x,其欧拉角(0°,132°,0°)。

所述t1声表面波谐振器第一压电基片1的抛光面设置有谐振器第一金属电极2,t2声表面波谐振器第二压电基片3的抛光面设置有谐振器第二金属电极4。

所述t1和t2声表面波谐振器的第一金属电极2和第二金属电极4均选用金属铝材料。

所述t1声表面波谐振器的金属电极膜厚是其叉指换能器电周期的1.9%,t2声表面波谐振器的金属电极膜厚是其叉指换能器电周期的1.9%。

所述t1声表面波谐振器的金属电极宽度为其叉指换能器电周期的0.25,t2声表面波谐振器的金属电极宽度为其叉指换能器电周期的0.25。

所述t1声表面波谐振器的叉指换能器和反射栅阵之间的间隙为叉指换能器电周期的0.25倍,t2声表面波谐振器的叉指换能器和反射栅阵之间的间隙为叉指换能器电周期的0.25倍。

所述t1声表面波谐振器的叉指换能器电周期是其反射栅阵周期的0.97倍,t2声表面波谐振器的叉指换能器电周期是其反射栅阵周期的0.97倍。

如图2所示,“x”号实线为y22°-x石英上声表面波谐振器的频率-温度变化曲线,“o”号实线为y42°-x石英上声表面波谐振器的频率-温度变化曲线。

如图3所示,号为y42°-x石英和y22°-x石英上声表面波谐振器中心频率的差值,实线为线性拟合结果。由此可见,差分后温度传感器的线性度得到了提升,r2为0.9967。

实施例2:

本公开实施例2提供了一种基于纯模切型谐振器差分模式的无线无源温度传感器的工作方法,利用本公开实施例1所述的基于纯模切型谐振器差分模式的无线无源温度传感器;

分别获取第一声表面波谐振器和第一声表面波谐振器的初始频率和温度变化后的谐振器频率;

根据得到的初始频率和温度变化后的谐振器频率,计算两个谐振器中心频率的差值与温度的关系,进而得到当前的温度值。

具体的:

其中,f0为谐振器的初始频率,f为温度变化后的谐振器频率,进一步推导可以得到:

即:

δtcf=(f1-f2)+γ(f01-f02)=(b1-b2)t+(c1-c2)

其中,f1-f2为两个谐振器变化频率的差值,γ(f01-f02)为固定常数×两个谐振器固定初始频率的差值,t为温度,b和c为系数,因此,通过谐振器频率差值的变化,即可获得此时的外界温度t。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已,并不用于限制本公开,对于本领域的技术人员来说,本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内,所作的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本公开的保护范围之内。

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