柔性阵列式声表面波微力传感器的研究

王 俊 李媛媛

(上海工程技术大学电子电气工程学院)

柔性阵列式声表面波微力传感器的研究

王 俊 李媛媛

(上海工程技术大学电子电气工程学院)

主要研究柔性阵列式声表面波微力传感器，进行两个金属或者非金属物体以及其间若干局部弹性介质接触面(厚度在1～5mm)间接触微压力(0.0～0.2N)的检测，根据基片结构所受应力变化使用有限元分析法进行受力分析，同时设计柔性阵列式传感器基片，确定边界条件，建立其线性回归数学模型并进行曲线拟合。该器件能够在特殊测量环境下满足力敏原件自由弯曲的特性，并且能够在恶劣环境下进行无源无线通信，在测量压力时具有抗干扰能力强、精度高且分辨率高的特性，可广泛应用于接触式测量、无损检测、机器人及生物力学等领域。

传感器 接触微压力 柔性阵列式 声表面波 有限元分析 无源无线

传感器已广泛应用于工业、国防、航天、航空、及农业生产等领域[1,2]。近年来，在一些特殊工业和微机电测量环境中，要求测量两个金属或非金属物体以及其间若干局部弹性介质[3]接触面(厚度在1～5mm)间的接触微压力(0.0～0.2N)的大小。研究的一般原则是将力敏感元件[4]串入力系结构，通过传感器的测量得到特殊环境下所需的数据参数[5,6]。然而，力敏元件的介入会导致所测系统环境改变，这种现象几乎所有类型的传感器都存在，原因是：复杂环境产生的介入误差的影响较大，复杂表面形状的测量难度较大，为特殊环境下测量设备的能量提供难度较大。因此开展对柔性阵列式[7，8]声表面波微力传感器(Surface Acoustic Wave，SAW)的研究具有重要意义。

1 微间隙接触压力敏感技术

测量两物体接触面间接触压力的基本原则是将力敏感元件串入到力系结构中，如图1所示。但力敏元件的介入会改变所测系统的环境，为了减小介入误差的影响，要求相应的力敏元件越薄越小越好。除此之外，一些特殊的测量环境还要求力敏感元件能自由弯曲，如人体压力分布测量等。

图1 复杂接触面间接触压力示意图

接触压力监测器件虽种类繁多，但主要利用材料的压电和压阻效应实现[9]，并且都有不足之处。压电式接触压力敏感器件对测量电路有苛刻的要求，目前的应用范围还受到一定的限制[10,11]。电容式压力传感器灵敏度高，但由于自身的电容较小，易受到电路寄生电容干扰[12]。此外，新出现的利用新型材料研制的压力传感器由于存在灵敏范围小、不可重复测量等缺点，还处于研究阶段。

通过研究发现，声表面波器件[13,14]可实现无源无线工作方式[15]，模拟电子学的各种功能，能使电子器件实现超小型化和多功能化[16～18]，通过加工工艺制作能满足微间隙压力监测的结构和功能要求。

2 微间隙接触压力监测的SAW传感技术方案

微间隙压力监测系统包括传感器端和查询端，如图2所示。计算机控制矢量函数发生器产生一定频段内的电磁波，通过与矢量信号发生器相连的发射天线将信号发射出去，激励一定距离外的传感器端的SAW传感器，与频谱分析仪相连的接收天线接收传感器端的反馈信号并输入频谱分析仪，利用计算机分析接收信号的频率，进一步分析传感器监测部位的压力变化。

图2 微间隙压力监测系统示意图

3 SAW微力传感器的设计

声表面波压力传感器的设计[19]包括基片受力形式、基片尺寸及材料的选择等方面。

基于微间隙压力监测的声表面波传感器，设计21mm×5mm×4mm、25mm×5mm×4mm、29mm×5mm×4mm不同长度的结构，如图3所示。

图3 中空结构基片图

理想的声表面波压电材料必须具有粗糙度尽可能小的表面，尽可能高的机电耦合系数，较小的传播损耗，较小的温度系数，具有可复制性、一致性和较低成本。S-T石英与LiNbO3是现在最常使用的SAW基片材料，参数比较见表1。可见LiNbO3具有更好的机电耦合系数，经以上分析，选用LiNbO3作为SAW压电材料。

表1 两种材料相关参数比较

4 压电基片ANSYS仿真

为设计出性能更好的SAW压力传感器，通过ANSYS14.0软件分析，建立模型，划分网格，自由度约束，施加载荷，求解得到如图4～6所示的位移、应力和应变云图。

图4 20g载荷下21mm基片的位移云图

图5 20g载荷下25mm基片的应力云图

图6 20g载荷下29mm基片的应变云图

通过云图确定输入、输出叉指换能器(Interdigital Transducer，IDT)的位置，经仿真后得出，对于同一规格的压电基片，从0～20g每2g递增施加压力，对基片上应力应变最小处的位置没有影响，并且两边应力应变最小处是关于基片长度方向中线对称的。不同规格的压电基片，其应力应变最小处不同。测量模型IDT左右边距后，得到基片长度与双端IDT边距的关系见表2，其中L指压电基片的长度，L1指输入叉指换能器距离基片左端的距离，L2指输出叉指换能器右端的距离。

表2 基片长度与IDT边距关系仿真实验数据 mm

5 基片及其测试

在有限元分析的基础上设计制作的SAW传感器，根据不同的尺寸分别为21mm、25mm及29mm等，其中余弦平方函数和Morlet小波函数均有25mm的设计。

根据不同的基片长度，在实验室中分别用0～20g的砝码，在基片面上根据不同的微力使用不同的砝码值进行测量，并将每次按照不同砝码测量得到的频率数据记录下来，由于频率在测量过程中波动较大，需要稳定一段时间后读取数据，测得的数据越多，通过计算得到的频差压力转换公式就会越精确(图7～10)。

图7 21mm余弦平方函数基片0g受力测试结果

图8 25mm余弦平方函数基片5g受力测试结果

图9 25mm Morlet基片10g受力测试结果

图10 29mm余弦平方函数基片10g受力测试结果

根据网络分析仪在不同微力作用下所测得的频率信号，测得多组数据，进行多次数据平均后选择其中10组数据，通过对输入、输出采用相对变量的计算方式，能够将差动输出形式中的灵敏度提高一倍。实验操作重复进行，其中的4组见表3～6。

表3 频率与压力的第1组实验数据

表4 频率与压力的第2组实验数据

表5 频率与压力的第3组实验数据

表6 频率与压力的第4组实验数据

由实验数据，利用最小二乘法和Matlab求解拟合多项式，当测量的数据足够多，这种多项式的拟合结果就越精确。

对设计的声表面波传感器进行实际测试，根据不同尺寸、不同函数进行分析，并对测试数据进行多次平均，以减小差动输出并提高器件的灵敏度。根据测得的数据，分别应用最小二乘法和矩阵法进行解析，求解拟合次数并进行对比，根据结果得出声表面波微力传感器的频差与压力转换关系图。实测结果显示，SAW微力传感器对0～20kPa范围内的压力敏感且拟合度较好。通过Matlab编程，绘制如图11所示的声表面波压力传感器频差与压力的多项式拟合曲线。小圆圈表示的是频差与压力实验值之间的关系，而线段表示的是频差实验值与压力拟合值之间的关系，小圆圈分布在线段的周围，说明多项式得到了较好的拟合曲线。

图11 SAW传感器的频差与压力的关系

通过Matlab绘制声表面波压力传感器频差与压力的多项式拟合曲线，主程序如下：

x=[67.010,74.019,79.510,97.623,98.014,111.598,115.014,118.456,125.254,127.985,134.124];

y=[0,2,4,6,8,10,12,14,16,18,20];

p=polyfit(x,y,6);

>> Y=polyval(p,x);%计算x处的拟合值

>> plot(x,y,′ro′);

>> grid on;hold on

>> plot(x,Y);

>> legend(′观测数据点′,′拟合数据点′);

>> xlabel(′频差/kHz′);ylabel(′压力/kPa′);

6 结束语

笔者设计了一种新型结构的声表面波微力传感器，应用于测量两个金属或者非金属物体以及其间若干局部弹性介质接触面(厚度在1～5mm)间接触微压力值(0.0～0.2N)的测量，使用有限元分析方法对SAW传感器基片的受力进行分析，设计并制造SAW微力传感器，同时对器件进行调试与测试，为微间隙等特殊环境下物理量的测量提供新思路。

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ResearchonFlexibleArraySurfaceAcousticWaveSensor

WANG Jun, LI Yuan-yuan

(College of Electronic and Electrical Engineering, Shanghai University of Engineering Science)

TH812

A

1000-3932(2017)05-0466-07

上海工程技术大学研究生科研创新项目(E3-0903-16-01182)。

王俊(1993-)，硕士研究生，研究方向为智能传感器。

联系人:李媛媛(1979-)，副教授，研究方向为智能控制、智能传感器及其检测，liyuanyuanedu@163.com。

2016-10-17，

2017-04-17)