基于单个Lamb波器件的压力和流速多参数测量装置和方法_2

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下面的说明体现,部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员所理解。
【附图说明】
[0036]图1为本发明基于单个Lamb波器件对流体压力和流速多参数测量的原理图;
[0037]图2为本发明的一个实例中基于单个Lamb波器件的压力和流速多参数测量装置的分解示意图;
[0038]图3为图2中所不的流道底座的不意图;
[0039]图4为图2中所不的流道上板底面的不意图;
[0040]图5为图2中所示的测试电路板的示意图;
[0041]图6为图2中所示的Lamb波传感器的放大示意图;
[0042]图7为图2中所示的弹性薄膜的示意图;
[0043]图8为本发明一个实例中当流道内流体分别为空气和去离子水时Lamb波传感器的频率响应图;
[0044]图9为流体压力与Lamb波传感器A。和S。模式下频率移动的关系图;
[0045]图10为流体流速与Lamb波传感器A。模式下频率移动的关系图。
[0046]图中:1、流道底座,2、流道上板,3、测试电路板,4、弹性探头,5、Lamb波传感器,6、弹性薄膜,7、螺孔,8、螺栓,9、螺母,11、第一凹槽,21、流体进出口,22、流道,23、流道接管,24、第二凹槽,31、外接接口,32、转换器,51、硅衬底层,52、地电极,53、氮化铝压电薄膜,54、叉指电极,55、引入电极,56、引出电极,57、地电极触点,58、绝缘材料,61、第一开口,62、第二开口,541、输入叉指电极,542、输出叉指电极。
【具体实施方式】
[0047]下面结合附图对本发明/发明做进一步的详细说明,以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
[0048]应当理解,本文所使用的诸如“具有”、“包含”以及“包括”术语并不配出一个或多个其它元件或其组合的存在或添加。
[0049]图1?图7示出了根据本发明的一种实现形式,其包括:
[0050]流道底座1,其具有第一凹槽11及置于所述第一凹槽内的Lamb波传感器5 ;
[0051]流道上板2,其覆盖于所述流道底座上,所述流道上板底面设有流体进出口 21及供所述流体流经所述Lamb波传感器表面的流道22,微尺度管道内待测试的流体经流道接管23流进流道内进行检测;
[0052]测试电路板3,其覆盖于所述流道上板上表面,其设有与外部测试仪器连接的外接接口 31 ;
[0053]弹性探头4,其一端与所述测试电路板电性连接,另一端穿过所述流道上板并继续延伸形成弹性触头;
[0054]其中,参照图1,所述Lamb波传感器从下以上依次设有硅衬底层51、地电极52、氮化铝压电薄膜53及叉指电极54,所述弹性触头分别与所述叉指电极和地电极电性连接,探头设计成弹性既可保证与传感器的充分接触,又可防止传感器受到的应力过大,损坏器件。
[0055]在这种技术方案中,兰姆波传感器由上下平面的金属电极和夹在它们之间的压电薄膜材料氮化铝组成,当电压施加在电极上时,压电材料氮化铝由于逆压电效应产生机械形变并在薄膜内激励出体声波,并在两电极平面之间来回反射形成机械谐振波,然后叉指电极通过正压电效应将传递来的机械振动转变成电信号输送出去;
[0056]参照图1,图中箭头A、B代表流体的流动方向,当有流体通过时,改变了机械谐振波传播的边界条件,原来沿薄膜表面传播的声表面波中的中低频A。模式和高频S。模式分别转换变成向流体介质内传播的消逝波和漏波,其中消逝波在流体介质内的穿透深度与流体介质的压力和流速有关,漏波的传播则基本不受流体性质的影响,因此当流体通过流道时,流体的压力,流速微小的变化都会改变界面处的机械和电学性能,影响消逝波的穿透深度,从而影响叉指电极最终输出的频率。
[0057]在另一实例中,参照图2和图7,还包括:弹性薄膜6,其设于所述流道上板与所述流道底座之间,以提高测试系统的密封性和稳定性,所述弹性薄膜上开设有与所述流道相应的第一开口 61及供所述弹性触头通过的第二开口 62,其中所述第二开口 62的开设面积小于所述Lamb波传感器的上表面积,以保证所述第二开口的边缘可压在所述传感器边缘上,用以进一步固定传感器。并且,这种方式只是一种较佳实例的说明,但并不局限于此。在实施本发明时,可以根据使用者的不同需求进行不同态样的实施。
[0058]上述方案中,参照图2,测试装置的一种装配方式为:所述流道底座、弹性薄膜、流道上板和测试电路板的四角均分别开设有位置对应的螺孔7,四个螺栓8分别在四个角上通过依次贯穿所述流道底座、弹性薄膜、流道上板和测试电路板后与螺母9进行配合以实现测量装置的可拆卸连接,以便于各组成构件的检修和替换。
[0059]上述方案中,参照图6,所述叉指电极包括输入叉指电极541和输出叉指电极542,所述氮化铝层上还分别沉积有2个引入电极55、2个引出电极56和2个地电极触点57,所述地电极触点与所述地电极之间的氮化铝层被腐蚀,以实现地电极触点与地电极之间的电性连接;
[0060]其中,输入叉指电极通过引入电极获得激励信号,通过逆压电效应使压电薄膜氮化铝内的质点发生弹性振动,在基片内传播形成了弹性机械波,输出叉指电极将传递来的形变经正压电效应转变成电信号输送出去;
[0061]其中,参照图1,所述叉指电极与流体接触的部分使用绝缘材料58进行包覆,以防止叉指电极被流体腐蚀或在测量液体的各参数时,由于液体导电而引起短路。
[0062]其中,所述引入电极、引出电极和地电极触点沉积的厚度小于300nm,以降低沉积过程中热应力的不良影响;
[0063]其中所述2个引入电极分别位于所述输入叉指电极的两侧,且与所述输入叉指电极电性连接;所述2个引出电极分别位于所述输出叉指电极的两侧,且与所述输出叉指电极电性连接;所述2个地电极触点位于所述引入电极和引出电极之间;
[0064]其中,所述弹性触头的个数为6个,分别与所述引入电极、引出电极和地电极触点相对应。
[0065]上述方案中,所述地电极的成份为钛和钼,以利于氮化铝薄膜在其上的溅射沉积时的生长,得到的氮化铝薄膜与钛和钼的结合强度高,薄膜组织结构均匀,所述硅衬底层的底部设有腐蚀槽,所述腐蚀槽位置处硅衬底层的厚度不超过10 μ m,以提高Lamb波传感器对氮化招薄膜振动的质量灵敏度。
[0066]上述方案中,所述弹性薄膜为柔韧性和耐磨性能优良的硅胶模或聚二甲基硅氧烷(PDMS)膜,所述弹性薄膜的厚度为0.2?1.4mm。
[0067]所述测试电路板上的其他零件是根据实际需要的输出进行配置的,在上述方案中测试电路板上还设有转换器32,以与所述传感器的电路相配置,所述测试电路板与弹性探针焊锡连接,所述流道上板底部与所述弹性探针相应的位置处还设有两个第二凹槽24,以便于弹性探针的伸缩。
[0068]上述方案中,所述流道底板上第一凹槽的四角为倒圆角设置,以便于Lamb波传感器的放取,第一凹槽的设计长度和宽度均比所述Lamb波传感器的设计长度和宽度尺寸超出40?140 μ m,以防止Lamb波传感器切割时的误差及第一凹槽加工时可能出现的工艺误差。
[0069]上述方案中,所述Lamb波传感器的厚度与所述第一凹槽的深度之间的差值为20?300 μ m,以保证当所述Lamb波传感器置于所述第一凹槽内时,所述Lamb波传感器高出所述第一凹槽20?300 μπι,从而使弹性薄膜对Lamb波传感器施加一定的作用力,提高Lamb波传感器在受到外力时的稳定性和平衡性。
[0070]本发明的目的还可进一步通过应用上述实例中的测量装置对流体压力和流速多参数进行测量的方法来实现,将测试装置与安捷伦公司的E5061B网络分析仪进行连接,参照图8,当流道内流体分别为空气和去离子水时,所述Lamb波器件经激励产生的Lamb波均有两种传播模式,分别为在10?1
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