温度补偿的延迟线型SAW应变传感器

杨小杨，黄 飞，彭 斌，何 鹏，朱加良(. 电子科技大学 电子科学与工程学院，四川 成都 673；.中国核动力研究设计院,四川 成都 603)

0 引言

声表面波(SAW)是一种沿着衬底表面传播的弹性波，其传播特性会受外界因素(如温度、力等)的影响。因此，基于SAW的传感器可监测环境温度、湿度、压力和应变。与传统传感器相比，SAW传感器具有耐高温、抗辐射、便于无线测试及信号处理简单的特点，可应用于一些恶劣的测试环境。根据监测物理量的不同， SAW传感器分为温度传感器、湿度传感器和应变传感器等。SAW应变传感器在汽车工业[1]、航空工业[2]及桥梁铁路监测等领域已得到广泛应用。SAW应变传感器分为谐振器型和延迟线型，谐振器型传感器的谐振频率f0受应变影响而发生变化，延迟线型传感器的延迟时间t0受应变影响而发生变化。与谐振器型应变传感器相比，延迟线可对传感器进行编码，更利于多点分布式应变测量。

由于SAW器件对温度变化的响应很灵敏[3]，因此，在温度波动的环境中，SAW传感器输出信号(包含温度和应变响应)将导致应变测试结果与实际结果偏差较大。实际应用中，SAW应变传感器需要排除温度的影响而得到可靠的应变信号。针对此问题，中国科学院声学研究所提出了一种外接负载的差分结构SAW 应变传感器设计方法，测试灵敏度可达0.019 6 (°)/με[4]。

本文采用直接式差分结构SAW应变传感器设计方法。首先设计并制作了SAW延迟线，研究了其对应变的响应特性，然后针对温度对器件应变特性的影响，研究了差分结构对温度和应变的响应特性。

1 实验和方法

本文设计的SAW应变传感器结构采用反射型SAW延迟线，如图1所示。衬底材料选择厚0.5 mm、128°Y-X切向的LiNbO3。叉指换能器(IDT)的叉指宽度和指间距均为3 μm，器件尺寸为8 mm×12 mm×0.5 mm。本文设计了IDT对数分别为10对、20对、30对的SAW延迟线(记为SAW1、SAW2、SAW3)，其他参数相同。反射栅1与IDT的距离l1=1 152 μm，反射栅2与IDT的距离l2=6 720 μm。采用光刻剥离工艺在衬底上制备图形化的薄膜电极，首先沉积厚20 nm的Ti作为粘附层，然后沉积厚100 nm的Au薄膜。

图1 反射型SAW延迟线结构示意图

采用矢量网络分析仪(VNA,Agilent N5234A)测试SAW延迟线的时域特性，采用悬臂梁结构测试不同应变下SAW延迟线的响应特性。首先将SAW延迟线粘在一个厚3 mm、长宽分别为100 mm和30 mm的TC4钛合金板表面上，然后将合金板一端固定构成悬臂梁，另一端施加力，从而对器件施加一定大小的应变。测试前先用标准应变片对悬臂梁的应变大小和挠度进行标定。为了测试不同温度下的应变特性，将悬臂梁固定在高温炉内(见图2)，然后在不同温度和应变下测试器件的响应。

图2 应变测试装置示意图

2 结果和讨论

图3为3组不同IDT对数SAW延迟线的时域响应特性测试结果。由图可看出，3个SAW器件在0.621 9 μs和3.440 7 μs处均有2个较强的反射峰。器件基底材料LiNbO3声速为3 840 m/s，因此，理论上反射栅1的反射信号应出现在0.6 μs，反射栅2的反射信号应出现在3.4 μs。对比理论计算值和实验数据可得，图3中0.621 9 μs的反射峰是反射栅1的反射信号，3.440 7 μs的反射峰是反射栅2的反射信号。此外，在1.385 7 μs处还出现了1个较小的反射峰，这是由于SAW延迟线基片的左边缘反射导致的，一般可在基片边缘涂覆吸声材料进行消除。

图3 SAW应变传感器的时域响应

对比3个器件的测试结果发现，3个器件的时域峰宽不同，其中，SAW1的峰宽最大，SAW3的峰宽最小，这表明IDT对数越多，时域峰宽越大。这是由于时域上的反射峰起点基本一致，终点和IDT对数有关。IDT对数越多，脉冲宽度越大[5]，时域上反射峰就越宽。

为了用SAW延迟线的时域特性来表征应变，本文把反射栅1、2反射信号的时间差定义为绝对延迟时间t，即：

(1)

式中vs为SAW传播速度。

将有应变延迟时间t(ε)和无应变时延迟时间t(0)之差定义为相对延迟时间Δt(ε)，即：

Δt(ε)=t(ε)-t(0)

(2)

式中ε为SAW延迟线应变大小。

图4为连续3次测得不同应变下SAW1延迟线的延迟时间。由图可看出，3次测试结果基本吻合，表明器件重复性较好，且具有较好的稳定性。同时，延迟时间和外加应变呈线性变化的趋势。对图4中测试数据进行线性拟合，得到其线性度为0.995 82，这表明所制备SAW延迟线的延迟时间随应变的增大而线性增大，这是由于应变增大，两个反射栅的间距增加，从而延迟时间增大。

图4 SAW1器件延迟时间和应变的关系

图5 SAW延迟线相对延迟时间和应变的关系

图5为SAW1～SAW3延迟线的相对延迟时间随应变的变化曲线。由图可知，3个SAW延迟线的延迟时间都随应变增大而线性增大，但其灵敏度不同。将实验数据进行线性拟合后可得SAW1的应变灵敏度为3.256 6 ps/με，SAW2的应变灵敏度为2.046 7 ps/με，SAW3的应变灵敏度为1.727 5 ps/με。这表明IDT对数越多，器件应变灵敏度越大。这种现象可能和器件的脉冲响应机理有关[5]，当IDT对数增加时，时域上的反射峰越宽(见图3)，外加应变时反射峰-峰值的位置变化也相对增大。故IDT越多，器件的应变灵敏度越大。因此，选择应变灵敏度最大的器件SAW1进行进一步的研究。

Donohoe等[6]研究发现，SAW谐振器的应变特性和应变方向与传播方向的夹角有关。为了探究本文SAW延迟线应变特性和夹角的关系，本文把SAW1器件以不同角度粘贴在悬臂梁上，如图6(a)所示。然后研究不同粘贴角度时SAW延迟线对应变的响应，测试结果如图6(b)所示。由图6(b)可看出，粘贴角度对SAW延迟线的应变特性影响较大。0°时相对延迟时间随应变的增大而增大，灵敏度(拟合直线斜率)最大；90°时相对延迟时间随应变的增大而减小。这是由于0°时，施加应变后，传播距离沿传播方向变大，延迟时间变大；90°时施加应变后，传播距离沿传播方向变小，延迟时间变小。

图6 不同粘贴角度下器件特性

由于LiNbO3基底的SAW器件对温度的响应灵敏度较高[7]，在温度变化的环境中，测试应变时必然会受到温度的影响。由图6(b)可发现，对于两个相同的SAW延迟线，受到的应变大小相同而方向不同时，其输出信号也不同，但其随温度变化相同[8]。基于上述特性，本文用2个相同的SAW1器件，以灵敏度相差最大的角度(即0°和90°，SAW1器件分别记为SAW1(0°)和SAW1(90°)器件)粘贴在同一悬臂梁上，研究不同温度下其相对延迟时间差与外加应变的关系如图7(a)所示。

图7 差分结构的SAW延迟线应变特性

图7(b)为SAW1(0°)和SAW1(90°)2个器件的相对延迟时间差。由图可以看出，在0～80 ℃的温度范围内，不同温度下两个器件的差分信号基本一致。这表明此差分结构可消除温度的影响，当温度变化时也可获得准确的应变信号。由图还可以看出，随着应变的增加，差分信号也线性增加。线性拟合后，其线性度为0.995 72，灵敏度为4.160 6×10-3ns/με。测试结果与拟合直线的最大偏差为2.7%，这表明此差分结构可获得较准确的应变信号。

3 结束语

本文采用128°Y-X切向的LiNbO3设计并制备了反射型延迟线结构的SAW应变传感器，探究了该SAW延迟线的应变特性，以及差分结构消除温度影响的方法。实验结果表明，SAW延迟线的IDT对数越多，时域上的反射峰越宽，SAW延迟线的应变灵敏度越高。SAW延迟线的应变灵敏度受应变与传播方向间夹角的影响，0°时相对延迟时间随应变的增大而增大，90°时相对延迟时间随应变的增大而减小。采用相互垂直排布的SAW延迟线构成差分结构，在0～80 ℃温度范围内，差分信号基本与温度无关，测试结果与拟合直线的最大相对误差仅为2.7%。本文研究的这种差分结构的SAW延迟线可应用在应变测试中，以降低温度对应变测试的影响。