基于声表面波（SAW）技术的高温应变传感器的研究.pdf

中文摘要 摘 要 声表面波（SAW ）传感器具有微型化、轻质化、灵敏度高，温度稳定性好， 平面结构工艺便于大批量生产，可以通过天线设计来实现无源激励以及无线传输 等优点，因此在安全工程、环境监测、航空航天等领域被较为广泛地应用。本文 就高温复杂环境下金属结构件的健康监测所面临的传感灵敏度不高，系统稳定性 较差等问题，展开声表面波（SAW ）应变传感器的研究，具有十分重要的科学意 义和实用价值。 论文针对高温环境下（存在温漂，最高环境温度可达250℃ ）的金属结构件实 时高灵敏度（高于50Hz/με ）应变监测的需求，基于SAW 原理提出了两种以41° YX 铌酸锂压电单晶为衬底的谐振器，介绍了 SAW 传感器的工作原理，分析比较了 SAW 器件类型及其应用场合，结合 SAW 理论确定了该谐振器的主要结构参数， 成功研制出原理样片，针对声表面波应变传感器在金属结构件高温应变测试中存 在的传感精度问题，探索了黏贴式应变传感器器件的应变传递迟滞机制，制定了 实验测试方案，并搭建温度、应变测试平台，完成了原理样机的性能测试与分析。 实验结果表明，SAW 谐振器叉指换能器（IDT ）的结构设计可以在不影响器件温 度稳定性的前提下，提高器件的应变灵敏度，应变灵敏度可达214.29 Hz/με ，提升 程度约为 19%。并针对基于铌酸锂衬底器件的频率温度耦合系数（TCF ）较大且无 法在温漂环境下维持稳定传感性能这一问题，论文进一步提出了一种基于氮化铝 （AlN ）衬底的SAW 谐振器，借助 Comsol 等仿真软件设计了该谐振器的结构， 通过设计MEMS 工艺流程，制备出了耐高温应变传感器芯片，TCF 由铌酸锂SAW 应变传感器方案的-83 ppm/℃改善了近60%达到-27.9 ppm/℃ 。最后就AlN 压电敏 感薄膜的改性进行了讨论，为下一代应变传感器的研发提供了技术储备。 论文的主要工作包括：阐述该研究的背景和意义，进行了大量的文献调研， 分析并确定应用环境条件；针对高耐热、高应变灵敏度、高温度稳定性的金属结 构件监测传感器的需求，提出了基于SAW 原理的应变传感器结构，建立了应用环 境下的应变传感灵敏度预测理论模型，制备了传感器的原理样片，并确定实验测 试方法，搭建温度、应变测试平台，完成温度稳定性测试以及应变传感实验，结 果表明：本论文研发的SAW 应变传感器芯片能够满足应用环境需求。 关键词：高温；应变传感器；形变监测；应变传递迟滞；温度补偿 I 英文摘要 ABSTRACT Being more widely used in safety engineering, environmental monitoring, aerospace and other fields, the surface acoustic wave (SAW) sensor is miniaturized, lightweight, high sensitivity, good temperature stability, and its planar structure process is convenient for mass production. In this paper, the research on the surface acoustic wave (SAW) strain sensor is of momentously scientific and practical value for the health monitoring of metal structural parts under high temperature and complex environment rather than being with low sensitivity and poor