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摘要
声表面波(SAW)传感器因其灵敏度高、体积小、稳定性好等特性在日常生
活中有广泛的应用,其中对于SAW温度传感器的研究主要集中在低温度区间内,
然而随着社会需求的增长,对于一些特殊环境中的温度测量已然变得迫切:如对
航天发动机、电厂熔炉等存在高温、宽温区设备的健康监测。而SAW温度传感器
在宽温度区间内应用的主要受限于压电衬底材料的温度特性。本文就LGS、CTGS
两种压电衬底的SAW温度传感器展开了研究。
本文中首先研究了基于LGS的SAW温度传感器。在(0°,90°,80°)、(90°,
90°,36°)、(0°,138.5°,26.6°)三种切向的LGS衬底上制备了单端口SAW谐振
器,对应的谐振频率分别为194MHz、204MHz、224.8MHz。按照文中所提出的
双谐振器温度传感器设计方案,将(0º,90º,80º)和(0º,138.6º,26.6º)谐振器
串联形成温度传感器a,将(90º,90º,36º)和(0º,138.6º,26.6º)谐振器串联
形成温度传感器b。在室温~300℃对两种传感器进行温度特性测试,结果显示(0º,
90º,80º)和(90º,90º,36º)谐振器均表现出频率随着温度升高先增大再减小
的变化规律,温度转变点分别在178℃和195℃;(0º,138.6º,26.6º)谐振器的频
率和温度的关系则是单调递减,计算得温度转变点是18℃。同时根据拟合参数得
到对应传感器的温度输出表达式,证明了该方案的宽温度测试可行性。
针对LGS温度传感器双器件设计存在的问题,选择CTGS作为压电衬底进行
研究。在(0º,90º,ψ)切面上制备SAW谐振器并研究了12种切向的CTGS的
温度特性。结果显示12种切向谐振器在S11曲线、机电耦合系数、频率温度曲线
上均表现出关于ψ=0°对称的特征,很好的验证了CTGS结构对称性。通过室温
~400℃的温度测试,发现零频率温度系数切型出现在在ψ=38°附近,另外有5种
切向的谐振器频率-温度变化规律始终为单调递减,其中属(0°,90°,0°)切向的
温度转变点最低、机电耦合系数最高。所以,最终选择(0°,90°,0°)切向作为
宽温度范围温度传感器的压电衬底。
在(0°,90°,0°)切向CTGS上制备了不同结构参数的谐振器,用以优化传
感器的性能。通过对不同叉指对数、孔径、叉指间隙、金属膜厚的器件进行对比
实验确定了最终的参数。使用优化之后的器件进行了高低温测试,实验结果显示
在-100℃~400℃的范围内,传感器的频率-温度呈现出线性变化的规律,在此温度
区间通过线性拟合获得的温度灵敏度有146.84℃/MHz。相较于LGS,在此温度区
间内CTGS具有明显的优势。更宽温度范围(-100℃~1100℃)测试数据使用二次
函数拟合,提取出温度系数TCF、TCF,最终根据拟合参数确定了温度求解表达
12
式。经过与热电偶的温度测试对比验证了该SAW温度传感器的可行性。
关键词:温度传感器,宽温度测温,硅酸镓钽钙,硅酸鎵镧,声表面波
ABSTRACT
Surfaceacousticwave(SAW)sensorsareusedinmanyareasofdailylifedueto
theirhighsensitivity,smallsize,andgoodstability.Atpresent,theresearchonSAW
temperaturesensorsismainlyconcentratedinthelowtemperaturerange.However,with
thegrowthofsocialdemand,temperaturemeasurementinsomespecialenvironments
hasbecomeurgent:suchasaerospaceengines,powerplantfurnacesandoth
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