聲表面波諧振器的高溫無線傳感特性研究.pdf

1、聲表面波傳感器具有精度高、響應快、無源激勵、無線傳輸等特點，在航空航天、環(huán)境監(jiān)測、軍事安全等領域具有良好的應用價值。本論文以高溫、復雜環(huán)境下金屬結構件的結構健康監(jiān)測為研究背景，通過無線測試技術，研究了聲表面波諧振器的溫度特性及防護層結構的影響，考察了其應用于高溫應變測試的傳感特性，并針對聲表面波應變傳感器在金屬結構件高溫應變測試中存在的問題，探索了與金屬件一體集成的聲表面?zhèn)鞲衅餮兄萍夹g。
　　為了滿足高溫無線測試的需求，本論文選用

2、歐拉角分別為（0°,138.5°,27°）和（0°,138.5°,117°）的硅酸鎵鑭（LGS）單晶為襯底材料，設計制備了單端口聲表面波諧振器，并通過采用無線測試技術，對所研制的聲表面波諧振器在20℃～600℃溫度區(qū)間的溫度特性進行了研究。測試結果表明：兩種不同切向的LGS聲表面波諧振器具有不同的溫度特性，基于切向為（0°,138.5°,27°）的LGS單晶的聲表面波諧振器具有單調的頻率-溫度特性，而基于切向為（0°,138.5°,11

3、7°）的LGS單晶的聲表面波諧振器具有非單調的頻率-溫度特性。
　　針對聲表面波諧振器在高溫環(huán)境下穩(wěn)定性差的問題，本論文對聲表面波器件的表面防護層結構進行了系統(tǒng)性研究。通過使用仿真和實驗相結合的方法，研究了AlN表面防護層結構對聲表面波器件性能的影響。研究結果表明，在有AlN防護層結構的器件中，隨著AlN防護層厚度的增加，器件中的聲波傳播速度增加，機電耦合系數增加，但是頻率溫度系數（TCF）下降。雖然AlN防護層結構使得聲表面波諧

4、振器的溫度敏感特性略微下降，但在高溫環(huán)境下，AlN防護層結構的引入使得聲表面波器件的Q值有明顯的提高，且在長時間測試后其Q值無明顯的減小，說明AlN防護層結構能夠大幅提升聲表面波器件在高溫環(huán)境下的性能。
　　在對聲表面波諧振器的頻率-溫度特性研究的基礎上，采用自行設計、搭建的高溫應變無線測試平臺，對切向分別為（0°,138.5°,117°）和（0°,138.5°,27°）的LGS聲表面波諧振器的頻率-應變特性進行了研究。測試溫度范

5、圍為20℃～500℃。通過數值計算的方法，分別提取了兩個聲表面波諧振器的應變敏感系數。研究結果表明，兩種聲表面波諧振器的應變敏感因子都隨著溫度升高而增加，但相對而言，采用（0°,138.5°,117°）切向的LGS單晶所研制的器件對應變更加敏感。論文中，對聲表面波諧振器的應變測試誤差進行了分析。結果表明，兩種不同切向的LGS聲表面波諧振器的應變相對線性度誤差均約小于2％，500℃下的熱滯誤差小于5%，所研制的聲表面波應變傳感器具有良好的

6、性能。
　　通常，聲表面波傳感器是通過使用膠粘結在被測工件表面。在對結構件進行高溫應變測試的過程中，粘結劑給聲表面波傳感器帶來的可靠性問題無法避免。為此，本論文還探索了將聲表面波傳感器直接制作在金屬結構件上的可行性，其主要技術方案是：采用薄膜技術將壓電材料直接沉積在金屬結構件表面，并基于這種結構研制聲表面波器件。為了與基于LGS單晶的聲表面波無線傳感器相區(qū)別，本論文將這種直接制作在金屬結構件表面的聲表面波無線傳感器稱之為：與金屬結

7、構一體集成的聲表面波無線傳感器。首先，本論文對金屬材料一體化集成的聲表面波諧振器的研制可行性進行了仿真驗真，然后根據仿真結果，采用中頻磁控反應濺射的方法，在TC4合金襯底上制備了高c軸取向性的AlN薄膜，并對所研制的表面聲波諧振器性能進行了測試。測試結果顯示：這種一體化集成的聲表面波諧振器的諧振頻率隨著溫度升高而降低，且其頻率-溫度特性與AlN薄膜的厚度有關，當AlN薄膜厚度從1.5μm增加至3.0μm時，其TCF絕對值從89.4ppm

8、/℃下降至66.2ppm/℃；隨著溫度的升高，這種一體化集成的聲表面波諧振器的機電耦合系數也將增大，當環(huán)境溫度從室溫增加至350℃時，其機電耦合系數增加約30%。此外，對與金屬結構一體化集成的聲表面波諧振器的應變特性進行了測試。測試結果表明，這種聲表面波器件具有良好的應變響應特性，在350℃條件下，其應變滯后誤差僅為1.12%，遠小于LGS聲表面波器件的應變滯后誤差。雖然，這只是初步研究結果，但已經表明：這種與金屬材料一體集成的聲表面波