基于铌酸锂的无线无源温度/压力集成声表面波传感器研究

摘要

飞行器在飞行过程中往往伴随着高温、高旋、高压等恶劣环境，尤其是高超音速飞行器表面、航空发动机以及燃气轮机等关键部位，局部温度甚至超过几千度，因此，在恶劣环境下温度、压力等参数的原位实时获取，对于飞行器的材料选型、结构设计以及防护措施等具有重要意义。目前，传统无线无源传感器由于结构单一以及传输距离短等缺点，限制了其在恶劣环境中多参数的测试能力。针对在航空航天器和发动机等高温和高转速等恶劣环境中对温度/压力双参数的实时现场测试要求，本文提出一种基于声表面波原理和铌酸锂压电材料的双参数敏感单元集成式新型无线无源传感器结构。本文的研究工作为： 1、研究了声表面波的传播机理及声表面波传感器的类型分类，介绍了声表面波传感器的基本结构构成，建立了传感器结构参数与传感器性能之间的对应关系。 2、分析了基于声表面波传感器的理论模型，探讨了传感器结构各参数对声表面波传感器性能的影响。利用COMSOL Multiphysics有限元仿真软件模拟金属电极材料对传感器谐振频率的影响。 3、通过分析声表面波传感器温度敏感原理和压力敏感原理，提出了一种基于铌酸锂的温度/压力双参数集成传感器结构，设计并制备了并联式谐振型双参传感器。 4、对制备的声表面波传感器分别进行了温度测试和高温压力测试。温度的测试范围为25℃~325℃，分别测得温度谐振器的温度灵敏度为1.34kHz/℃，压力谐振器的温度灵敏度为1.35kHz/℃；对传感器进行不同温度下的压力测试，测试范围为0~1000gf，测得最高压力敏感度为10.5kHz/100gf。

目录

第一章 绪 论

1.1 课题来源

1.2课题研究的目的及意义

1.3国内外研究现状

1.3.1声表面波温度传感器

1.3.2声表面波压力传感器

1.3.3 声表面波多参数传感器

1.4论文主要研究内容

1.5 论文创新点

第二章 声表面波传播理论研究

2.1 概述

2.2声表面波理论基础

2.3声表面波传感器基本结构

2.3.1声表面波传感器压电基底

2.3.2 声表面波传感器叉指换能器

2.3.3声表面波传感器反射栅

2.4声表面波传感器分类

2.4.1延迟线型声表面波传感器

2.4.2 谐振型声表面波传感器

2.5本章小结

第三章 基于铌酸锂基底的声表面波传感器的仿真分析

3.1 概述

3.2理论模型

3.2.1脉冲函数模型

3.2.2 P矩阵模型

3.2.3 COM模型

3.3声表面波传感器的有限元分析.

3.3.1声表面波传感器特征频率分析

3.3.2电极材料对器件影响分析

3.3.3声表面波传感器电极材料最佳厚度分析

3.4 本章小结

第四章 声表面波温度压力传感器设计及制备

4.1 概述

4.2 声表面波温度压力传感器敏感机理

4.3声表面波温度压力传感器的参数设计

4.4 声表面波温度压力传感器的制备工艺

4.4.1 前期压电基底预处理

4.4.2光刻工艺

4.4.3金属电极的制备

4.5本章小结

第五章 声表面波温度压力传感器的测试与分析

5.1 概述

5.2声表面波温度/压力传感器的温度测试及分析

5.3 声表面波温度/压力传感器的高温压力测试及分析

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 工作总结

6.2工作展望

参考文献

攻读硕士期间发表的论文及所取得的研究成果

致谢