谐振型无源无线SAW压力传感器结构研究

摘要

在传感器应用的许多特殊场合，如不宜连线和更换电池的环境，必须采用无源无线的传感方式进行测量。作为一种新型传感器，无源无线声表面波传感器具有独特的优势，可用于密闭、快速移动物体的非接触测量，并且还可用于易燃、易爆、强电磁干扰和低温等环境。因此，研究无源无线声表面波传感器在学术和工程应用上都具有十分重要的意义。 本文介绍了声表面波技术的发展历史和国内外研究现状，阐述了无源无线声表面波传感器的分类、特点和敏感机理，分析了谐振型无源无线声表面波传感器仪器系统的物理构成和测量原理。 本文选用单端口声表面波谐振器作为敏感元件，分析了其压力敏感机理。通过对常用支撑结构的力学分析与性能对比，选用简支梁作为压力传感器敏感变形机构。根据弹性力学原理，分析了简支梁的最大可承受载荷及上下表面的应变分布。在简支梁上下表面的最大应变区域，相对中心对称放置两个相同特性的声表面波谐振器，构成的差动式测量结构，具有较高的压力灵敏度，能有效进行温度补偿。 本文提出了传感器结构设计方案，设计了压力传递机构和校准机构，确定了敏感基片尺寸，讨论了器件制作、封装和引线等。 本文用有限元分析软件ANSYS对传感器敏感基片的受力应变进行了模拟仿真；对无源无线声表面波传感器和仪器系统进行了实验测试。并将理论计算值、仿真结果、实验结果进行了对比，分析结果表明：实验结果与理论计算值、仿真结果吻合。 测试结果表明：本文采用简支梁式结构设计的无源无线声表面波压力传感器能实现较高的量程，其值为0～0.6MPa；差动式测量结构具有较高的压力灵敏度，达到5.9×10-9(△f/f0))/Pa；同时，差动式测量结构能有效降低温度干扰。

目录

文摘

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1绪论

1.1引言

1.2课题研究目的和意义

1.3国内外研究现状

1.4课题主要研究内容

2 SAW技术与SAW器件

2.1 SAW技术原理

2.2 SAW器件构成

2.3 SAW器件常用基片材料

2.3.1 SAW基片材料简介

2.3.2石英晶体的特性

2.3.3石英晶体弹性常数的求解

2.4本章小结

3无源无线SAW传感器及仪器系统

3.1无源无线SAW传感器

3.1.1无源无线SAW延迟线型传感器

3.1.2无源无线SAW谐振型传感器

3.1.3无源无线SAW传感器的性能特点

3.2无源无线SAW传感器测量仪器系统

3.3本章小结

4谐振型无源无线SAW压力传感器敏感单元研究

4.1引言

4.2 SAW谐振器压力敏感机理

4.3敏感结构力学分析

4.3.1可变形固体基本假设

4.3.2弹性敏感元件的力学特性

4.3.3敏感结构对比与选择

4.4 SAW谐振器的位置分布设计

4.5本章小结

5无源无线SAW压力传感器结构设计与实现

5.1引言

5.2无源无线SAW压力传感器结构设计

5.2.1压力传感器工作原理

5.2.2机芯及校准机构设计

5.3基于有限元法的模拟与仿真

5.3.1仿真软件简介

5.3.2仿真结果与分析

5.4无源无线SAW压力传感器的加工、封装及引线工艺

5.4.1 SAW谐振器的制作工艺

5.4.2无源无线SAW压力传感器的封装与引线

5.5本章小结

6无源无线SAW压力传感器实验测试

6.1引言

6.2无源无线SAW压力传感器实验测试方案设计

6.2.1压力发生器工作原理

6.2.2无源无线SAW压力传感器实验方案

6.3 SAW谐振器静态特性测试

6.4恒温下压力实验与分析

6.4.1压力实验

6.4.2误差分析

6.5恒压下温度实验与分析

6.5.1谐振器1的温度实验

6.5.2谐振器2的温度实验

6.5.3温度实验结果分析

6.6本章小结

7结论

致谢

参考文献

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