声表面波微力传感器的研究

【摘要】：传感器技术是当代科技发展水平的重要标志之一，在发展经济和推动社会进步方面起着极其重要的作用，它与计算机技术、通信技术共同构成现代信息产业的三大支柱，其中压力传感器主要应用于测试表面力、液压、物体加速度等重要物理量。声表面波（SurfaceAcoustic Wave，SAW）压力传感器是声表面波器件的一个分支，其在进行压力测量时具有抗干扰能力强，精度高、分辨率高的特性，SAW微力传感器的主要原理是利用晶体材料的压电性能及声表面波基本理论，实现无源、无线传输的新功能，并且由于晶体在温度稳定性方面的优势又使得其调试过程变得简便。 本文将探讨由声表面波延迟线技术衍生出的微力传感器，基本的延迟线由光蚀在晶体材料基片上的输入和输出叉指换能器组成，当这种传感器被搭建在宽频放大器反馈回路内部时，即可构成具有高稳定性的振荡器，其频率与所受应力之间成函数关系，根据基片结构所受应力的变化，使用有限元分析法(Finite Element Methods, FEM)对声表面波传感器基片的受力进行分析，最终制作出声表面波微力传感器，并通过外围电路对该器件进行调试及测试。 具体研究内容及创新点如下： （1）研究了基于FEM进行SAW微力传感器的理论建模方法。根据弹性力学中的薄板问题，分析了基片的边界条件并进行单元划分，确定了SAW微力传感器基片的边界条件，对材料的弹性刚度矩阵进行计算，进而对基片的应力应变分析并确定叉指换能器的位置。 （2）设计了一种能够测量微力的声表面波传感器。设计基于余弦平方函数和小波函数的输入输出叉指换能器，基片采用延迟线结构，抗干扰能力强，能够测量0-20g范围内的微力，同时研究了声表面波微力传感器的物理实现问题，能够进行初步的检测。 （3）建立了微力传感器的线性回归数学模型，绘制频率与压力的拟合曲线。通过线性化该数学模型，利用矩阵法和最小二乘法求解，根据频率与压力的值求解拟合多项式，建立了微力传感器压力与频率差之间的线性关系，对微力传感器的应用具有一定的参考价值。 （4）确定了器件设计中的关键问题。包括器件的版图设计、悬臂梁结构的处理、测量范围的确定，以及外围电路的设计及测试，并计算器件的相对误差。