专利名称：采用三层应力传递模型的无源无线声表面波应力传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种基于三层应力传递模型的表面波应力传感器。此传感器可实现无源无线，具有体积小，重量轻，使用方便等优点，特别适合一些辐射，高温，空间狭小，运动等难以实现应力测量的场合，可广泛应用于航空、航天、武器、汽车、医疗、消费电子等领域。
背景技术：
基于声表面技术的应力传感器是电子学、声学、微电子和天线技术相结合的成果， 和其他传感器相比，声表面波气体传感器有很多优良的特性，具有适应恶劣环境、无线无源、体积小、重量轻、精度高、抗干扰力强、批量生产、成本低等优点。声表面波应力传感器的工作原理是叉指换能器通过天线接收来自无线查询单元的电磁波，电信号通过换能器转换成沿压电衬底表面传播的声表面波，声表面波向两端传播并被反射栅反射，反射回的声表面波通过叉指换能器重新转换成电磁波信号，通过无线天线发送回无线查询单元。被天线传回的响应信号内容包含了其中被测物理量的信息。被检测的应力作用于压电衬底上，使得衬底沿长度方向发生形变，同时压电衬底上的声表面波传播性能发生改变，从而改变声表面波谐振器的谐振频率变化，通过检测声表面波谐振器的谐振频率的变化，就可以得到被测应力的变化。当被用于测量力学量时，声表面波谐振器通常粘贴于被测物理表面。声表面波谐振器的频率随施加应力的变化而变化。在多数研究中，由于谐振器体积很小，通常认为谐振器测得的应变量的变化，即所测得的被测物体表面的应力的变化。工作的重点往往在SAW 检测基本原理分析和研究，而胶粘剂在应变传递中的作用，以及从被测物体向谐振器应变量传递规律没有被考虑。作为传感元件，粘贴式声表面波应变传感器本身并未受到外力的作用，结构材料的变形通过粘接剂传递到传感器，使其产生伸长或缩短，进而导致SAW波速发生变化并且谐振器沿长度方向产生应变。由于胶接层与石英相比，物理特性存在着较大的差异，结构的应变和应变传感器所测得的应变不一致。粘贴式SAW应变传感器与主体结构材料之间的应力和变形传递能力和效率，是发挥SAW传感优势的关键所在。因此，利用声表面波传感器对结构基体的应变进行准确测量，必须首先明确声表面波传感器和结构基体之间的应变传递关系。
发明内容
本发明的目的是提供一种实现应力测量的声表面波传感器。涉及的三层应力传递模型，解决了声表面波应力传感器使用时应力传递的基本问题，对于传感器的贴装和封装的设计提供了一种新的思路。本发明的目的是这样实现的一种单端口声表面波谐振器。以铝材料为叉指换能器和反射栅电极，以石英为压电衬底材料。声表面波谐振器被用作应力测量时，通常被粘贴于被测物体表面，胶粘层选用环氧粘合剂。环氧粘合剂具有优良的粘结强度，耐水和化学药品，电绝缘性好，固化收缩小， 可使谐振器的蠕变、零漂小。结构材料通过胶粘层把应变传递到SAW谐振器的过程中，部分能量损失在胶粘层中，因此的测量结果与结构实际应变存在偏差。主体结构与传感器不能同步变形，从而产生
测量误差。针对表面贴装式声表面波传感器应力检测中的测量误差问题，建立了表面式传感器力学模型，采用剪滞力方法，分析粘贴式声表面波传感器的应变传递规律，得到影响SAW 传感器测量结果的因素。影响传感器应变传递的主要因素是传感器的长度、胶粘层的厚度、 弹性模量、SAff石英基体厚度等。本发明提出的三层传递模型，很好的解决了声表面波传感器应力测量时测量不准确的问题，分析了测量误差的来源，对声表面波应力传感器的粘装及封装方式具有重要意义。
四
图1粘贴式应力传感器三层结构2应力应变单元体图3沿长度方向应变及剪应力传递图4改变主体结构厚度时应变传递率随参数的变化。图5改变环氧胶粘材料厚度时应变传递率随参数的变化。图6改变谐振器基体厚度时应变传递率随参数的变化。图7改变环氧胶粘材料剪切模量时应变传递率随参数的变化。图8改变谐振器长度时应变传递率随参数的变化。
五具体实施例方式下面对本发明的具体实施方式
进行详细说明图1中，声表面波谐振器1通过环氧粘结剂2粘贴于被测主体材料3表面。在外力作用下，主体结构材料3两端承受拉力，而传感器层1和粘接层2的两端和自由表面无外加应力。传感器层1和粘接层2的两端不受应力，但三层之间界面剪切应力将结构材料层 3的轴向应力传递到粘接层2和传感器层1，使SAW谐振器也承受轴向应力。反映在的结构中应变传递的问题，可以建立三层模型并用剪滞力理论来分析应变传递的机理，分别为SAW谐振器基体、胶层和主体材料，如图2。剪滞法应用于本发明中需采用如下假设1)在界面上，层与层之间结合完好，没有相对滑移；2)谐振器的变形是由基体通过胶粘层的剪切变形来传递的，谐振器和胶接层均不直接受力；3)谐振器、胶粘层和基体均为线弹性材料，不考虑其塑性变形；4)谐振器和胶粘层只有轴向位移，没有径向位移。基于上述假设，建立剪滞力模型平衡方程
权利要求
1.一种基于三层应力传递模型的声表面波应力传感器，其特征在于它包括压电衬底、叉指换能器、反射栅、天线、胶粘剂。所述压电衬底、叉指换能器和反射栅构成声表面波谐振器。所述胶粘剂将声表面波谐振器粘贴于被测对象上。所述的三层模型分别针对被测对象层、胶粘层、谐振器层。
2.根据权利要求1所述的声表面波谐振器，其特征在于谐振器谐振频率为434MHz，谐振器衬底材料选用石英压电材料，谐振器包括叉指换能器以及带状的反射栅，反射栅平行取向，反射栅和叉指换能器为铝金属电极。
3.根据权利要求1所述的胶粘层，其特征在于胶粘层所选胶粘剂为环氧胶粘剂，属于热固性粘合剂，在指定测量位置对SAW谐振器进行粘贴后进行高温固化操作，温度超过 120°C，保持数小时。
4.根据权利要求1所述的声表面波应力传感器，其特征在于影响传感器应变传递的主要因素是声表面波谐振器的长度、胶粘层的厚度、弹性模量、SAff石英基体厚度。
5.根据权利要求1所述的高温压力传感器，其特征在于该传感器还包括封装结构，隔离粉尘等对谐振器性能的影响。
6.根据权利要求1所述的小型天线，其特征在于天线为贴片天线或其它小型天线。
7.根据权利要求1所述的声表面波应力传感器，其特征在于此传感器可实现无源无线传感，声表面波压力传感器于天线相连接，无电源。
8.根据权利要求1所述的声表面波应力传感器，其特征在于此传感器可测量拉应力或压应力。
全文摘要
本发明涉及一种基于三层应力传递模型的表面波应力传感器。本发明的声表面波应力传感器包括压电衬底材料、叉指换能器、反向栅、小型天线、粘贴传感器用的胶粘剂。其中胶粘剂将声表面波谐振器粘贴在被测对象上。不同于传统的声表面波应力传感器，本发明建立了声表面应力传感器的被测结构基体-胶粘层-SAW谐振层的三层力学模型，推导了SAW传感器的应变传递公式和应变传递系数，得到影响SAW传感器测量结果的因素。影响传感器应变传递的主要因素是传感器的长度、胶粘层的厚度、弹性模量、SAW石英基体厚度等，胶层的厚度越薄、SAW谐振器的长度越长、材料的弹性模量越大，应变传感器的测量精度越好。本发明结构简单、体积小、重量轻、使用方便，适合于恶劣环境下应力无线遥测。
文档编号G01L1/10GK102175358SQ201010574578
公开日2011年9月7日 申请日期2010年12月6日 优先权日2010年12月6日
发明者刘婧, 周世圆, 孟凡武, 张运涛, 徐春广, 潘勤学, 肖定国, 赵新玉, 郝娟 申请人:北京理工大学