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Y型和S型组合双声路SAW质量传感器研究

章安良  
【摘要】: 本论文在128°旋转Y切割—X传播方向的LiNiO_3基片上研制了结构新型的Y型和S型双声路声表面波质量沉积效应传感器件。它们各自具有一个输入IDT和两个输出IDT。输入IDT激发的SAW经过耦合器按轴对称(Y型)和中心对称(S型)分成两路,分别由输出IDT检测输出。在Y型和S型SAW质量沉积效应传感器件的传播路径上都有一个由光刻工艺精确定位的质量沉积区。由于环境温度对SAW传感器性能影响显著,所以本论文研究的Y型和S型声表面波质量传感器件都具有两支声路,一支声路作为参考声路,另一支声路作为测量声路,以补偿环境温度的影响。 本论文阐述了叉指换能器的6函数模型、等效电路模型和P矩阵表示方法;耦合器能量转移的原理、能量转移效率;组合声路的频率响应。 介绍了SAW传感器的基本原理、主要结构类型和国内外的发展状况,并阐述了SAW传感器在物理和化学领域中的应用。同时,介绍了SAW传感器常用的压电材料。 详细介绍了Y型和S型双声路SAW质量传感器件的设计原理,包括IDT的设计、耦合器的设计和质量沉积区的设计。所研究的Y型和S型双声路SAW质量传感器件的工作频率为122MHz,带宽为2.75 MHz,插入损耗约为14dB。并应用Matlab对Y型和S型双声路SAW质量传感器件的频率响应特性进行了仿真。同时,对Y型和S型双声路SAW质量传感器件的工艺研制作了概括性地描述。 介绍了测量系统的设计并研制了Y型和S型双声路SAW质量传感器测量系统。延迟线振荡器由宽带放大器、可调衰减器和声表面波质量传感器件构成。延迟线振荡器输出信号经滤波后与109MHz的本机晶体振荡器输出信号相混频,通过低通滤波取其差频,并经整形后由数字信号处理电路处理。数字信号处理电路采用高精度、具有温度补偿的时钟芯片作为基准时钟,采用高频可逆计数器对整形后的脉冲信号进行正向或逆向计数,采用高性能的多路选择器控制两路SAW信号的定时选择。最后,显示其温度补偿后由于质量沉积效应所引起的振荡频率漂移量。应用标准信号源验证了测量系统的精确性,频率跟踪特性误差在50Hz以内。该测量系统显示直观,精度高,是双声路声表面波质量传感器理想的测量系统。 本文对Y型和S型双声路SAW质量传感器件传输特性进行详细测试分析,在非振 浙江大学博士学位论文 荡模式下测试了Y型和S型双声路SAw器件的频域特性和时域特性;应用P矩阵法推 导了Y型、S型及“一”字型双声路声表面波质量传感器件的传输特性;应用P矩阵 法具体分析计算了Y型和S型双声路声表面波质量传感器件一次时延信号、三次渡越 反射信号和五次渡越反射信号,并与对应参数的“一”字型器件三次渡越反射和五次 渡越反射进行对比。结果表明,在正常工作模式下,Y型和S型双声路声表醚质量 传感器件的三次渡越反射信号和五次渡越反射信号比“一”字型双声路声表醚质量 传感器件的三次渡越反射信号和五次渡越反射信号分别小12dB、16.67dB和n_.sdB· 17.3dB。在中心频率处的插入损耗实验值(约为14dB)与P矩阵法推导出的稗论值 份火 (约为16dB)相近。 本文对Y型和s型双声路SAW质量传感器件的传感特性进行详细测试分析,在Y 厂书 型和s型双声路声表面波器件的质量沉积区中滴定含有微量NaCI溶质的乙醉和水的 混合溶液,以测试器件的质量沉积效应灵敏度,它们分别约为29 67pPm.cm丫梦g(Y 型)和3一15ppm.emZ/协g(S型),与理论值38.93ppm.emZ/“g相近, 拼 处于国内外同 型和S型双声路声表面波器件的频率一温度特性几,其单声 双声路相对温度系数约为10一12Hz/℃,处于国内外同 类研究先进水平。测试了Y型和S型双声路声 路温度系数约为9 KHZ/’C,双声路相对温度勇 类研究先进水平。测量系统延迟线振荡器的Q 值高达4870,优于国内外所报道测量 系统的Q值。一… 目前,声表面波传感器的研究日益成熟和深入,声表面波传感器的类型日草多样, 一扮 应用范围也愈益广泛,它的测量精度和灵敏度也不断提高。


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