一种拓宽声表面波无线温度传感器测温范围的设计方法

本发明属于声表面波传感器件的设计领域。具体为设计两个谐振频率具有特定关系的谐振器，通过两个声表面波谐振器串联，并确定一个截止频率来区分两个谐振器，构建出一种拓宽声表面波无线温度传感器测温范围的设计方法。

背景技术：

1、传感器是一种能感受被检测量，并能按照一定的规律转化可测输出信号的检测设备，温度传感器就是能将温度转化成电信号的一类传感器，如热电偶能将被测介质的温度变化转化为可测的电压变化，热敏电阻能将温度转化为电阻变化，但大多常用传感器是有线传感器，需要占据大量空间，且维护复杂。saw温度传感器是通过声表面波来传播和处理信号的器件，它可以实现无线无源工作，灵活性高，在不易布线以及需要移动的地方都能适用。saw传感器是通过在压电材料上制作叉指换能器来实现，一般分为两种：延迟线结构和谐振器结构，其中谐振器结构通常有较大的q值，有利于无线测试，本发明采用的是谐振器结构。saw温度传感器能实现无线无源工作，通常需要通过相连的天线来接收与传输信号，这就要求天线工作频率范围与saw传感器的谐振频率相匹配。然而，随着温度的升高，天线工作频率与saw传感器的谐振频率都会逐渐下降，且往往天线的工作频率下降速度大于saw传感器的谐振频率下降速度，当工作温度继续升高，使得saw传感器谐振频率不在天线工作频率范围时，saw无线传感器将难以实现无线信号传输。因此，要实现saw温度传感器与天线的工作频率随着温度变化同步下降，这就要求saw器件与天线有相同的频率温度系数。然而，这往往难以实现，通常是通过增加天线带宽来保证saw器件的谐振频率尽量工作在天线带宽内，以此来增加整个saw温度传感器的应用温度范围。但一方面天线带宽的增加会使得天线增益减小，进而减小saw温度传感器的无线测试距离，降低saw无线温度传感器性能。另一方面，当传感器工作温度范围较宽时，saw温度传感器的谐振频率依然会移出天线工作频率范围，导致失效。因此这种方法也无法有效解决该问题。针对这一问题，本发明提出了一种新的方案来拓宽声表面波无线温度传感器测温范围。

2、本发明的有益效果是:

3、1.本发明所设计的saw温度传感器工作温度范围增加，相当于两个saw谐振器叠加，根据需要还可以增加至三个或三个以上谐振器相连，可以有效地增加saw温度传感器工作范围。

4、2.本发明是在单个saw谐振器的基础上直接增加谐振器，不改变谐振器q值及相连天线的增益，无线测试距离比传统的增加天线带宽方案更远。

5、发明原理：

6、saw无线温度传感器与其相连的天线在升温过程下容易逐渐失配，这极大地限制了saw温度传感器的应用温度范围。为了解决这一问题，本发明提出了一种拓宽声表面波无线温度传感器测温范围的设计方法。如图1所示，天线在温度为t0时与saw谐振器1匹配良好，saw谐振器2的谐振频率不在天线工作频率带宽内，saw谐振器1可以正常工作，saw谐振器2信号无法向外界传输，随着温度升高，谐振器的谐振频率和天线的工作频率都在下降，但天线工作频率下降更快，当温度达到t2时，天线的工作频率移出了saw谐振器1的谐振频率范围，进入了saw谐振器2的谐振频率范围，天线与saw谐振器2匹配良好，saw谐振器2可以正常工作，saw谐振器1信号无法向外界传输。

7、具体设计方法为：在压电基片上设计一个由两个saw谐振器组成的声表面波温度传感器，两个saw谐振器分别编号1、2，采用串联方式连接在一起。这两个saw谐振器处于同一方向平行位置，此时两个saw谐振器的一阶、二阶温度系数相同。确定两个saw谐振器在压电基片上的位置后，通过合理设计这两个saw谐振器在环境温度t0时的谐振频率即f01、f02以及确定一个区分两个谐振器的截止频率fc，就可以实现拓展saw无线温度传感器的测量温度范围的功能。

8、确定f01、f02以及截止频率fc的基本原理为：

9、(1)首先需要确定天线工作频率随温度的变化关系式：

10、天线的相对谐振频率偏移随温度的变化可以简化写成：

11、

12、通常saw谐振器的谐振频率在天线的-10db带宽内即可正常工作，取天线-10db带宽的上下频率可表示为：

13、fh(t)＝fh+fh·(tcf1·δt+tcf2·δt2)

14、fl(t)＝fl+fl·(tcf1·δt+tcf2·δt2)

15、fh为室温下天线-10db带宽的上频率，fl为室温下天线-10db带宽的下频率，一阶、二阶温度系数近似相等。对于任意已标定天线，则fh、fl、tcf1、tcf2已知。

16、(2)f01、截止频率fc的设计：

17、两个saw谐振器的相对谐振频率偏移随温度的变化可以简化写成：

18、

19、fr1(t)＝f01+f01·(tcf11·δt+tcf21·δt2)

20、fr2(t)＝f02+f02·(tcf11·δt+tcf21·δt2)

21、fr1(t)和fr2(t)分别为saw谐振器1和saw谐振器2在温度为t时的谐振频率，f01和f02分别为saw谐振器1和saw谐振器2在环境温度t0时的谐振频率，因为saw谐振器1、2在压电基片上处于同一平行位置时，两者的频率温度系数相等，一阶、二阶温度系数都取tcf11、tcf21。

22、如图4所示，saw谐振器的谐振频率需在天线工作频率范围内才能正常工作，而随着温度的升高，天线的工作频率下降速度大于谐振器谐振频率下降速度，为了使得saw谐振器1的应用温度范围尽可能大，saw谐振器1的室温频率应等于天线工作频率范围的最小值，即-10db带宽的下频率，f01＝fl。

23、fc为区分saw谐振器1、2的截止频率，取值应为saw谐振器1能正常工作的谐振频率最小值，此时当温度继续升高，saw谐振器1的谐振频率持续减小，超出了天线的工作频率范围，saw谐振器1信号无法通过天线传输。因此fc取值为saw谐振器1与天线-10db带宽的上频率fh交界点的频率，fh(t1)＝fr1(t1)＝fc，t1为fc对应的当前环境温度。

24、(3)f02的设计：

25、saw谐振器2的作用是拓宽saw无线温度传感器的测温范围，因此saw谐振器2应在温度为t1时开始正常工作，即fr2(t1)＝fl(t1)，代入公式可以求得

26、

27、δt＝t1-t0，即可以确定f02的大小。确认f02的取值即可完成saw无线温度传感器的设计，实现拓展saw温度传感器的应用温度范围的目的。

28、此时，saw温度传感器工作时，根据测得的谐振频率fr与截止频率fc对比，就可以推出工作的谐振器编号，进而利用标定公式导出当前温度。当fr＞fc时，saw谐振器1工作，由标定公式fr1(t)＝f01+f01·(tcf11·δt+tcf21·δt2)可以得出当前温度；当fr＜fc时，saw谐振器2工作，由标定公式fr2(t)＝f02+f02·(tcf12·δt+tcf22·δt2)可以得出当前温度。saw温度传感器的应用温度范围由环境温度t0到截止频率fc对应的温度t1拓展到环境温度t0到频率fm对应的温度t2。

技术实现思路

0、
技术实现要素：

1、本发明是利用上述原理，在压电基底上制作两个互相平行串联的saw谐振器，根据saw谐振器的谐振频率与天线谐振频率的特定关系，找出截止频率，设计出宽温度范围的saw无线温度传感器。两个saw谐振器控制在平行方向位置，可以确保一阶、二阶温度系数相同，当saw谐振器1和saw谐振器2的在压电基片的位置确定时，两个saw谐振器的声速可以确定，tcf1和tcf2也确定(tcf1和tcf2由压电基片的材料特性决定)。只需要通过确定这两个saw谐振器在环境温度t0时的谐振频率即f01、f02以及确定一个区分两个谐振器的截止频率fc，就能设计出宽温度范围的saw无线温度传感器。

2、权利要求：

3、在压电材料上设计两个saw谐振器，两个谐振器需在同一平行位置，串联连接，确定截止频率fc＝fh(t)＝fr1(t)，saw谐振器1在室温下的谐振频率f01＝fl，再设计saw谐振器2，使得

4、

5、，就能拓宽saw无线温度传感器的测温范围，同时根据工作温度范围需要，设计增加saw谐振器数量，可以有效地增加saw温度传感器的应用温度范围。

6、下面以在ln压电基片上制作saw温度传感器及天线为例，对本发明进行说明。

7、具体实施例：

8、(1)saw温度传感器的制备工艺：采用微电子光刻工艺将图3所示的图形制作在ln压电基片上，saw的声速和频率温度系数是已知的，由图2可知，saw谐振器测得的一阶、二阶温度系数分别为-50ppm/℃和-0.06ppm/℃。

9、(2)基于ln压电基片的天线制备：在ln压电基片上采用微电子光刻工艺制作微带天线图形，测得的频率温度系数如图2所示，一阶、二阶温度系数分别为-100ppm/℃和-0.5ppm/℃。

10、(3)参数拟合：将制备的包含了两个谐振器的saw温度传感器和制备的微带天线在不同温度下进行标定测试，如图4所示，fh为天线-10db带宽的上频率，fl为天线-10db带宽的下频率，fr1、fr2分别为saw谐振器1和saw谐振器2的谐振频率随温度变化关系图，t1、t2分别为fr1、fr2与fh的交界点对应的温度，t0＝25℃，t1＝125℃，t2＝183℃。可以明显看出saw温度传感器的应用温度范围由环境温度t0至截止频率fc对应的125℃，拓展到环境温度t0至183℃，其中saw谐振器1工作温度范围为25℃到125℃，saw谐振器2工作温度范围为125℃到183℃。