基于SAW器件的曲面狭缝间作用力监测传感器的研究与设计

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对于处在狭缝间的物体来说,实时测量其接触表面上的压力是非常重要的,监测结果一方面可作为外界规范操作的参考,另一方面可验证理论模型的结果。迄今,应用于接触压力测量的传感器大致可分为压电式、压阻式、电容式、电感式、光学式等五类,然而,其均需要电源供电且基于有线方式工作。对于狭缝空间接触压力监测来说,有源有线工作方式显得并不方便或者难以实现,而以无源无线方式工作的声表面波(Surface Acoustic Wave,SAW)传感技术,给狭缝空间等极端环境中物理量的测量提供了新的思路。本文基于无源无线SAW传感技术,提出狭缝间接触压力传感技术方案,根据SAW传感器的分析模型,设计出无源无线SAW接触压力传感器,主要内容有:1.对于间接SAW传感技术方案,重点研究了常用阻抗型接触压力传感器;对于直接SAW传感技术方案,研究了相应的力敏结构。然后,针对狭缝间接触压力监测问题,比较了上述方案并优选出直接SAW传感技术方案,相应的传感器为基于ZnO压电薄膜的直接谐振型SAW接触压力传感器。2.对基于ZnO压电薄膜多层结构基底的谐振型直接SAW接触压力传感器的微制作工艺进行了初步研究,其中包括单晶硅基底减薄、ZnO压电薄膜沉积、SAW谐振器制作以及传感器封装等。3.根据SAW传感器的分析模型,对基于ZnO压电薄膜多层结构基底的谐振型直接SAW接触压力传感器进行了分析与设计,包括ZnO压电薄膜多层结构基底中的声传播特性分析、温度和接触压力灵敏度分析以及单端SAW谐振器设计。
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