一种具有单调和线性输出特性的SAW温度传感器及其设计方法技术

一种具有单调和线性输出特性的SAW温度传感器及其设计方法，属于声表面波传感器技术领域。本发明专利技术通过在同一压电基片上设计两个除平行外位置任意的SAW谐振器并进行连接作为SAW温度传感器使用，在设计两个SAW谐振器的结构参数使得二者谐振频率满足TCF21f01＝TCF22f02，进而设计得到一种具有单调线性输出特性的SAW温度传感器。本发明专利技术提供的SAW温度传感器在测试时只需两个标定参数，并且其输出随温度变化呈现单调线性变化。相比传统SAW温度传感器，在实现全范围测温的同时明显简化了测试的标定过程，降低了计算复杂度。

【技术实现步骤摘要】
一种具有单调和线性输出特性的SAW温度传感器及其设计方法
本专利技术属于声表面波传感器
，具体涉及一种具有单调和线性输出特性的SAW温度传感器及其设计方法。
技术介绍
声表面波(SurfaceAcousticWave,简称SAW)是一种沿着固体表面传播的弹性波，SAW温度传感器是一种依赖于SAW的调制来感知温度的器件。SAW温度传感器具有体积小，重复性高和性能优良等特点，SAW温度传感器能够采用无线方式实现通信，并且自身无需外界供电，可依靠消耗自身储蓄的能量输出传感信号，具有无线无源传感的特性，尤其适用于不宜直接接触的恶劣环境下实现无线检测温度。SAW温度传感器是利用SAW器件(谐振器、延迟线或其组合器件)为敏感和转换元件，在输入端将电激励信号利用逆压电效应转换为机械波，然后在输出端利用正压电效应将SAW转换为电信号输出，这个过程中外界温度会对SAW传播特性产生影响进而反映在SAW器件的各项参数，以此来测量和监控温度。目前常见的SAW温度传感器主要有两种结构：延迟线型温度传感器和谐振型温度SAW传感器，每种结构又分为单端口和双端口两种。与延迟线型温度传感器通过温度引起的时间滞后或相位变化来反映温度值所不同，谐振型温度SAW传感器是利用SAW谐振器良好的频率选择性，通过测量温度改变后引起的频率变化来体现温度的变化。所述SAW谐振器指的是叉指换能器(IDT)及其两边一对对称的反射栅，它们共同形成了一组声学谐振腔，外部电信号经IDT由于逆压电效应会被转化成声信号，产生的SAW传统到两边的反射栅形成谐振，这就使得SAW谐振器只对特定频率的射频信号产生响应，这个特定的频率即为SAW谐振器的谐振频率。待声信号传回IDT后，特定频率的声信号由于压电效应而转换为电信号输出。由此我们可看出，当建立环境温度和谐振频率之间的对应关系后，SAW谐振器就可以作为温度传感器使用。SAW谐振器的谐振频率随温度的相对变化可以表示为下式：式中：fr和f0分别是实际温度T和参考温度T0时SAW谐振器的谐振频率，ΔT＝T-T0。TCF1、TCF2和TCF3分别是SAW谐振器谐振频率的一阶温度系数、二阶温度系数和三阶温度系数。现阶段研究发现，对于大部分压电材料而言，其谐振频率的相对变化Δfr/f0与温度变化ΔT呈二次函数关系。因此，在实际设计过程中必须保留TCF1和TCF2，而可以省略TCF3和高阶温度系数。但是，Δfr/f0与ΔT的二次函数关系导致一个谐振频率对应于两个温度点，这就使得传统的SAW温度传感器只能在二次函数的某个单调区间内工作，这样限制了SAW温度传感器的应用温度范围，同时也给温度的测试带来了不便。技术人员为了解决该问题，研究得到一种利用两个SAW谐振器并使得二者声表面波传播方向形成小于180于夹角而构成的SAW温度传感器。但是基于此构建的SAW温度传感器在测试过程中需要标定许多参数，同时需要复杂的计算才能获得温度，实际操作难度大。
技术实现思路
针对现有技术SAW温度传感器测试过程标定参数多、计算繁杂的问题，本专利技术提出了一种SAW温度传感器及其设计方法。本专利技术温度传感器在测试时只需两个标定参数，并且其输出随温度变化呈现单调线性变化，进而可用于全温度范围内的测试。为了解决上述问题，本专利技术采用如下技术方案：一种具有单调和线性输出特性的SAW温度传感器，所述SAW温度传感器包括压电基片以及设置在所述压电基片上的两个SAW谐振器，其特征在于，所述两个SAW谐振器之间互不接触通过电路连接，并且两个SAW谐振器的声表面波传播方向形成夹角α，0﹤α﹤180°；所述两个SAW谐振器的谐振频率比满足以下关系：式中：f01和f02分别是两个SAW谐振器在参考温度T0时的谐振频率，TCF21和TCF22分别为两个SAW谐振器的二阶频率温度系数。进一步地，所述电路连接的方式为串联或并联。一种具有单调和线性输出特性的SAW温度传感器的设计方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：在同一压电基片上依次制作两个SAW谐振器，所述两个SAW谐振器之间互不接触，并使得两个SAW谐振器的声表面波传播方向形成夹角α，0﹤α﹤180°；所述两个SAW谐振器的谐振频率比满足以下关系：式中：f01和f02分别是两个SAW谐振器在参考温度T0时的谐振频率，TCF21和TCF22分别为两个SAW谐振器的二阶频率温度系数；步骤2：将步骤1得到的两个SAW谐振器采用串联或并联的方式进行电路连接。本专利技术的原理具体如下：两个SAW谐振器的相对谐振频率偏移随温度的变化可表达为下式：Δfr1/f01＝TCF11ΔT+TCF21ΔT2(1)Δfr2/f02＝TCF12ΔT+TCF22ΔT2(2)式中：fr1和fr2分别是两个SAW谐振器在实际温度T时的谐振频率，Δfr＝fr-f0，TCF11和TCF12分别为两个SAW谐振器的一阶频率温度系数，TCF21和TCF22分别为两个SAW谐振器的二阶频率温度系数；由此可知：此时，虽然得到了温度变化量与谐振频率偏移的线性关系，但在测试时需要标定f01，TCF11，TCF21，f02，TCF12，TCF22这几个系数，并且当测得到谐振频率fr1和fr2后，仍然需要复杂的计算才可以得到温度。为此，我们通过进一步研究发现，当设计两个SAW谐振器在参考温度T0的谐振频率比满足TCF21f01＝TCF22f02时，公式(3)可表达为下式：其中：C＝K(f02-f01)从简化后的表达式可知，K和C都是与压电基片材料以及器件结构参数相关的两个系数。因此，当压电基片确定，即材料参数确定，且两个SAW谐振器的结构及其在压电基片上的摆放位置确定后，K和C都是常数。由此我们发现，两个SAW谐振器的谐振频率之差正比于温度。因此，结合本领域常识，当选择的压电基片材料和两个SAW谐振器的方向确定(即在压电基片上的位置确定)时，两个SAW谐振器的声速就能够确定，TCF21和TCF22也随之确定(TCF21和TCF22由压电基片的材料特性决定)，由TCF21f01＝TCF22f02可确定f01和f02的比值。假设将两个SAW谐振器分别记作SAW谐振器1和SAW谐振器2，通过设计SAW谐振器1的叉指换能器(IDT)，可以得到SAW谐振器1在参考温度T0时的谐振频率f01，从上面的分析可知f01和f02的比值确定，故SAW谐振器2在参考温度T0时的谐振频率f02确定，进而通过谐振频率f02可以确定SAW谐振器2的结构。由此设计出具有单调和线性输出特性的SAW温度传感器。相比传统使用两个SAW谐振器构成温度传感器获取温度数据，本专利技术简化了测试的标定过程，有效降低了计算的复杂度，进而实现了SAW传感器简单、方便地测温。相比现有技术，本专利技术的有益效果为：本专利技术通过在同一压电基片上设计两个除平行外位置任意的SAW谐振器并进行连接作为SAW温度传感器使用，在设计两个SAW谐振器的结构参数使得二者谐振频率比满足特殊关系，使得设计得到的SAW温度传感器具有单调和线性输出特性。本专利技术提供的SAW温度传感器在测试时只需两个标定参数，并且其输出随温度变化呈现单调线性变化。相比传统SAW温度传感器，在实现全范围测温的同时明显简化了测试的标定过程，降低了计算复杂度。附图说明图1为本专利技术并联结本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有单调和线性输出特性的SAW温度传感器，所述SAW温度传感器包括压电基片以及设置在所述压电基片上的两个SAW谐振器，其特征在于，所述两个SAW谐振器之间互不接触通过电路连接，并且两个SAW谐振器的声表面波传播方向形成夹角α，0﹤α﹤180波；所述两个SAW谐振器的谐振频率比满足以下关系：

【技术特征摘要】
1.一种具有单调和线性输出特性的SAW温度传感器，所述SAW温度传感器包括压电基片以及设置在所述压电基片上的两个SAW谐振器，其特征在于，所述两个SAW谐振器之间互不接触通过电路连接，并且两个SAW谐振器的声表面波传播方向形成夹角α，0﹤α﹤180波；所述两个SAW谐振器的谐振频率比满足以下关系：式中：f01和f02分别是两个SAW谐振器在参考温度T0时的谐振频率，TCF21和TCF22分别为两个SAW谐振器的二阶频率温度系数。2.根据权利要求1所述的SAW温度传感器，其特征在于，所述电路连接的方式...

【专利技术属性】
技术研发人员：彭斌，朱瑞浩，张万里，李凌，张文旭，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川,51