一种声表面波电流传感器的制作方法

本实用新型涉及声学技术中的一种声表面波传感器，特别是涉及一种基于磁致伸缩效应的声表面波电流传感器。

背景技术：

随着城市的发展，电网网络规模不断扩大，网络元件的配置越来越复杂，电网资源的优化配置也得到进一步提升。然而，电网动态运行的复杂化与互联的紧密性加快了局部故障蔓延到整个网络的速度，更容易导致连锁故障的发生，进而引发大面积停电事故或安全事故。近年来，国内外相继发生了许多起由于局部故障而蔓延至大面积停电的事故，究其原因局部高压线绝缘子电流泄漏、线路用电负荷过大电流过载等是事故的主要原因。具有高灵敏度、低检测下限与良好稳定性能的电流传感器在智能电网线路检测、电力冶金中供电安全预警与救援、工业自动化中电源继保等领域具有重要意义。

现有技术中，应用于电流检测的传感技术主要有霍尔型与光纤型两种。但都存在一定的不足：霍尔电流传感器利用霍尔元件测量被测电流在铁芯气隙里的感应强度来判断被测电流大小的。霍尔元件由于自身的构造结构原因，体积大，能耗较高，温度特性较差。此外，其检测精度容易受到由于霍尔元件本身的不稳定导致的偏移电流以及温度漂移的影响；光纤型电流传感器输出灵敏度受外界温度、光纤本身的双折射及入射偏振面位置的影响极大，并且系统组成复杂，实际应用时组建通信网络需要铺设大量光纤路网，无论从传感元件自身还是从系统工程施工的角度都存在极大的困难。同时光学调制器和接收处理终端精密度高，技术难度较大，系统搭建成本很高。

技术实现要素：

考虑到现有技术存在的问题，实用新型的目的是解决上述的电流传感技术所存在的传感传感系统构成复杂、成本高、稳定性差、体积大、能耗较高等问题，利用声表面波技术与磁致伸缩效应结合实现一种新型的声表面波(即SAW)电流传感器，该传感器具有结构简单、成本低、抗干扰能力强、使用寿命长以及体积小等特点。

为实现上述发明目的，本申请提出了一种结合磁致伸缩效应的声表面波电流传感器，所述电流传感器(1)包括压电基片(12)、置于压电基片(12)表面的第一延迟线(11)和第二延迟线(13)、以及分布于第一延迟线(11)和第二延迟线(13)两端的吸声胶(115)。

进一步地，第一延迟线(11)包括两个叉指换能器，并且两个叉指换能器之间分布有磁致伸缩薄膜(16)。

优选地，第一延迟线(11)和第二延迟线(13)为平行设置，更优选地，并且第一延迟线(11)和第二延迟线(13)具有相同结构。更优选地，第二延迟线(13)用作传感器空白参考器件。

优选地，压电基片为切割方向与传播方向不同的LiNbO₃压电基片。

优选地，第一延迟线和第二延迟线中的叉指换能器电极采用铝材料。

优选地，第一延迟线和第二延迟线中的叉指换能器采用EWC/SPUDT结构，在叉指对(110)之间设置反射电极(111)。

优选地，第一延迟线的第一叉指换能器(14)和第二延迟线的第二叉指换能器(18)中的反射电极、与第一延迟线的第二叉指换能器(15)和第二延迟线的第一叉指换能器(17)中的反射电极相对于叉指对(110)相对设置。

优选地，第一延迟线和第二延迟线均采用控制电极宽度的单向单相换能器结构。

优选地，第一延迟线的第一叉指换能器和第二延迟线的第二叉指换能器采用梳状结构。

优选地，第一叉指换能器的梳齿之间填充电极宽度及边缘间距与第二叉指换能器的梳齿之间填充电极宽度及边缘间距相同。

根据本实用新型的声表面波传感器，传感器体积小，拆装灵活；并且对环境的适应能力好；制造和维护的成本都较低。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为根据本实用新型的声表面波电流传感器的结构示意图；

图2为根据本实用新型的声表面波电流传感器EWC/SPUDT结构示意图。

其中，在附图中：1.SAW电流传感器；11.第一延迟线；12.压电基片；13.第二延迟线；14.第一叉指换能器；15.第二叉指换能器；16.磁致伸缩薄膜；17.第一叉指换能器；18.第二叉指换能器；110.叉指对；111.反射电极；112.第一接地假指；113.梳齿；114.梳齿；115.吸声胶；116.第二接地假指。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型，但是本实用新型还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下做类似推广，因此本实用新型不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，本实用新型结合示意图进行详细描述，在详述本实用新型实施例时，为便于说明，表示装置结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本实用新型保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及高度的三维空间尺寸。

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步的详细说明。

如图1-2所示，示出了一种结合磁致伸缩效应的声表面波电流传感器，其包括：两组设置于同一绕Y旋转128o切割且沿X方向传播的LiNbO3压电基片上的采用EWC/SPUDT和梳状换能器的第一SAW延迟线11和第二延迟线13，设置于第一延迟线11和第二延迟线13的叉指换能器之间的磁致伸缩薄膜16，以及设置于第一延迟线11和第二延迟线13两端的吸声胶。

第一延迟线11和第二延迟线13制作在同一压电基片上，第二延迟线作为参考器件，通过差分结构以最大程度的消除外围环境特别是温度的影响，并实现检测灵敏度的倍增。

如前所述声表面波电流传感器利用了磁致伸缩效应。磁致伸缩效应基本原理是铁磁性材料和亚铁磁性材料随自身磁化状态改变的弹性形变现象。磁性材料在居里温度以下有磁畴结构，每个磁畴存在自发磁化，从而也存在自发应变。在外磁场的作用下，各个磁畴的自发磁化都旋转趋向外磁场方向，磁畴形变也趋向外磁场方向，这就产生了宏观的磁致伸缩应变。应变结果直接反映了外磁场，或电流产生磁场的变化，即可以间接体现电流大小。

将声表面波传感技术和磁致伸缩材料两种技术有机结合，配合信号处理单元以及相应数据处理算法构成一种新型的声表面波电流传感器，可以缩小电流传感器体积，降低工程、制造成本，在电力输电电流检测上将具有极大的优势。

如图1所示，制作一个新型结合磁致伸缩效应的声表面波电流传感器1，该电流传感器由两组制作在同一压电基片12的平行设置且具有相同结构的第一延迟线11和第二延迟线13、分布于第一延迟线11的磁致伸缩薄膜16、分布于第一延迟线11和第二延迟线13两端的吸声胶115组成。压电基片12采用绕Y旋转128°切割且沿X方向传播的LiNbO₃压电基片，其中X、Y方向是作为所用压电基片的固有性质的压电材料切割时的切割坐标。第一延迟线11和第二延迟线13的叉指换能器均采用铝电极，电极膜厚为1％～1.5％λx。磁致伸缩薄膜16采用铁钴材料，膜厚500nm。

作为一种优选实施方式，如图2所示，第一延迟线11和第二延迟线13均采用EWC/SPUDT结构，用以降低器件的插入损耗和实现单一振荡模式特点。结合图1可知，应用于第一延迟线11的第一叉指换能器14和第二延迟线13的第二叉指换能器18的EWC/SPUDT结构由叉指对110和分布于叉指对110之间的反射电极111构成。叉指对电极宽度为1/8λx，且电极之间边缘间距为1/8λx，反射电极111的宽度为1/4λx，且反射电极111与叉指对110的边缘距离为3/16λx。考虑到SAW电流传感器1采用绕Y向旋转128°切割且沿X方向传播的LiNbO3压电基片，且第一延迟线11和第二延迟线13的叉指换能器均采用铝电极，在第一延迟线11的第一叉指换能器14和第二延迟线13的第二叉指换能器18中，反射电极111置于叉指对110的右边。与之相反的是，应用于第一延迟线11的第二叉指换能器15和第二延迟线13的第一叉指换能器17的EWC/SPUDT结构中反射电极111置于叉指对110的左侧。

进一步地，第一延迟线11的第一叉指换能器14和第二延迟线13的第二叉指换能器18同时采用梳状结构，即叉指换能器被周期性的抽走部分叉指电极，分成了若干组(从3到5组不等)被称为梳齿113(114)的结构单元。针对第一延迟线11而言，梳齿113之间的中心间隔与第二叉指换能器16的长度相等，同时第一叉指换能器14和第二叉指换能器15之间的中心间距与第一叉指换能器14的长度相同；针对第二延迟线13而言，梳齿114之间的中心间隔与第一叉指换能器17的长度相等，同时第二叉指换能器18和第一叉指换能器17之间的中心间距与第二叉指换能器18的长度相同。同时，在第一延迟线11的第一叉指换能器14的梳齿113之间填充电极宽度及边缘间距均为1/8λx的接地假指112，同样，第二延迟线13的第二叉指换能器18的梳齿114之间也填充电极宽度及边缘间距均为1/8λx的接地假指116，以保持在声传播路径上声波速度的均一性。

根据前述描述的技术内容，制备了磁致伸缩效应的声表面波电流传感器的样品，其中，SAW电流传感器的工作频率为80MHz，基片材料采用绕Y旋转128°切割且沿X方向传播的LiNbO3压电基片，铝电极膜厚为200nm。第一延迟线的第一叉指换能器长度为130λx，并分为4组，每组包含梳齿和梳齿之间分布的接地假指，梳齿由EWC/SPUDT构成，其长度为10λx，假指为1/8λx；第一延迟线的第二叉指换能器的长度为40λx。第一叉指换能器与第二叉指换能器之间的中心距离为60λx。在两叉指换能器之间分布的磁致伸缩薄膜，膜厚450nm-550nm。此外，SAW陀螺仪的第二延迟线结构与第一延迟线相同，所不同的是第二延迟线与第一延迟线在同一压电基片上平行设置，且未加入磁致伸缩材料薄膜。这样，就获得了一种新型结合磁致伸缩效应的声表面波电流传感器，所制备样品大小为10mm×5mm。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。