專利名稱：采用三層應(yīng)力傳遞模型的無(wú)源無(wú)線聲表面波應(yīng)力傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于三層應(yīng)力傳遞模型的表面波應(yīng)力傳感器。此傳感器可實(shí)現(xiàn)無(wú)源無(wú)線，具有體積小，重量輕，使用方便等優(yōu)點(diǎn)，特別適合一些輻射，高溫，空間狹小，運(yùn)動(dòng)等難以實(shí)現(xiàn)應(yīng)力測(cè)量的場(chǎng)合，可廣泛應(yīng)用于航空、航天、武器、汽車、醫(yī)療、消費(fèi)電子等領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
基于聲表面技術(shù)的應(yīng)力傳感器是電子學(xué)、聲學(xué)、微電子和天線技術(shù)相結(jié)合的成果， 和其他傳感器相比，聲表面波氣體傳感器有很多優(yōu)良的特性，具有適應(yīng)惡劣環(huán)境、無(wú)線無(wú)源、體積小、重量輕、精度高、抗干擾力強(qiáng)、批量生產(chǎn)、成本低等優(yōu)點(diǎn)。聲表面波應(yīng)力傳感器的工作原理是叉指換能器通過(guò)天線接收來(lái)自無(wú)線查詢單元的電磁波，電信號(hào)通過(guò)換能器轉(zhuǎn)換成沿壓電襯底表面?zhèn)鞑サ穆暠砻娌?，聲表面波向兩端傳播并被反射柵反射，反射回的聲表面波通過(guò)叉指換能器重新轉(zhuǎn)換成電磁波信號(hào)，通過(guò)無(wú)線天線發(fā)送回?zé)o線查詢單元。被天線傳回的響應(yīng)信號(hào)內(nèi)容包含了其中被測(cè)物理量的信息。被檢測(cè)的應(yīng)力作用于壓電襯底上，使得襯底沿長(zhǎng)度方向發(fā)生形變，同時(shí)壓電襯底上的聲表面波傳播性能發(fā)生改變，從而改變聲表面波諧振器的諧振頻率變化，通過(guò)檢測(cè)聲表面波諧振器的諧振頻率的變化，就可以得到被測(cè)應(yīng)力的變化。當(dāng)被用于測(cè)量力學(xué)量時(shí)，聲表面波諧振器通常粘貼于被測(cè)物理表面。聲表面波諧振器的頻率隨施加應(yīng)力的變化而變化。在多數(shù)研究中，由于諧振器體積很小，通常認(rèn)為諧振器測(cè)得的應(yīng)變量的變化，即所測(cè)得的被測(cè)物體表面的應(yīng)力的變化。工作的重點(diǎn)往往在SAW 檢測(cè)基本原理分析和研究，而膠粘劑在應(yīng)變傳遞中的作用，以及從被測(cè)物體向諧振器應(yīng)變量傳遞規(guī)律沒(méi)有被考慮。作為傳感元件，粘貼式聲表面波應(yīng)變傳感器本身并未受到外力的作用，結(jié)構(gòu)材料的變形通過(guò)粘接劑傳遞到傳感器，使其產(chǎn)生伸長(zhǎng)或縮短，進(jìn)而導(dǎo)致SAW波速發(fā)生變化并且諧振器沿長(zhǎng)度方向產(chǎn)生應(yīng)變。由于膠接層與石英相比，物理特性存在著較大的差異，結(jié)構(gòu)的應(yīng)變和應(yīng)變傳感器所測(cè)得的應(yīng)變不一致。粘貼式SAW應(yīng)變傳感器與主體結(jié)構(gòu)材料之間的應(yīng)力和變形傳遞能力和效率，是發(fā)揮SAW傳感優(yōu)勢(shì)的關(guān)鍵所在。因此，利用聲表面波傳感器對(duì)結(jié)構(gòu)基體的應(yīng)變進(jìn)行準(zhǔn)確測(cè)量，必須首先明確聲表面波傳感器和結(jié)構(gòu)基體之間的應(yīng)變傳遞關(guān)系。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種實(shí)現(xiàn)應(yīng)力測(cè)量的聲表面波傳感器。涉及的三層應(yīng)力傳遞模型，解決了聲表面波應(yīng)力傳感器使用時(shí)應(yīng)力傳遞的基本問(wèn)題，對(duì)于傳感器的貼裝和封裝的設(shè)計(jì)提供了一種新的思路。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的一種單端口聲表面波諧振器。以鋁材料為叉指換能器和反射柵電極，以石英為壓電襯底材料。聲表面波諧振器被用作應(yīng)力測(cè)量時(shí)，通常被粘貼于被測(cè)物體表面，膠粘層選用環(huán)氧粘合劑。環(huán)氧粘合劑具有優(yōu)良的粘結(jié)強(qiáng)度，耐水和化學(xué)藥品，電絕緣性好，固化收縮小， 可使諧振器的蠕變、零漂小。結(jié)構(gòu)材料通過(guò)膠粘層把應(yīng)變傳遞到SAW諧振器的過(guò)程中，部分能量損失在膠粘層中，因此的測(cè)量結(jié)果與結(jié)構(gòu)實(shí)際應(yīng)變存在偏差。主體結(jié)構(gòu)與傳感器不能同步變形，從而產(chǎn)生
測(cè)量誤差。針對(duì)表面貼裝式聲表面波傳感器應(yīng)力檢測(cè)中的測(cè)量誤差問(wèn)題，建立了表面式傳感器力學(xué)模型，采用剪滯力方法，分析粘貼式聲表面波傳感器的應(yīng)變傳遞規(guī)律，得到影響SAW 傳感器測(cè)量結(jié)果的因素。影響傳感器應(yīng)變傳遞的主要因素是傳感器的長(zhǎng)度、膠粘層的厚度、 彈性模量、SAff石英基體厚度等。本發(fā)明提出的三層傳遞模型，很好的解決了聲表面波傳感器應(yīng)力測(cè)量時(shí)測(cè)量不準(zhǔn)確的問(wèn)題，分析了測(cè)量誤差的來(lái)源，對(duì)聲表面波應(yīng)力傳感器的粘裝及封裝方式具有重要意義。
四

圖1粘貼式應(yīng)力傳感器三層結(jié)構(gòu)2應(yīng)力應(yīng)變單元體圖3沿長(zhǎng)度方向應(yīng)變及剪應(yīng)力傳遞圖4改變主體結(jié)構(gòu)厚度時(shí)應(yīng)變傳遞率隨參數(shù)的變化。圖5改變環(huán)氧膠粘材料厚度時(shí)應(yīng)變傳遞率隨參數(shù)的變化。圖6改變諧振器基體厚度時(shí)應(yīng)變傳遞率隨參數(shù)的變化。圖7改變環(huán)氧膠粘材料剪切模量時(shí)應(yīng)變傳遞率隨參數(shù)的變化。圖8改變諧振器長(zhǎng)度時(shí)應(yīng)變傳遞率隨參數(shù)的變化。
五具體實(shí)施例方式下面對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式
進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明圖1中，聲表面波諧振器1通過(guò)環(huán)氧粘結(jié)劑2粘貼于被測(cè)主體材料3表面。在外力作用下，主體結(jié)構(gòu)材料3兩端承受拉力，而傳感器層1和粘接層2的兩端和自由表面無(wú)外加應(yīng)力。傳感器層1和粘接層2的兩端不受應(yīng)力，但三層之間界面剪切應(yīng)力將結(jié)構(gòu)材料層 3的軸向應(yīng)力傳遞到粘接層2和傳感器層1，使SAW諧振器也承受軸向應(yīng)力。反映在的結(jié)構(gòu)中應(yīng)變傳遞的問(wèn)題，可以建立三層模型并用剪滯力理論來(lái)分析應(yīng)變傳遞的機(jī)理，分別為SAW諧振器基體、膠層和主體材料，如圖2。剪滯法應(yīng)用于本發(fā)明中需采用如下假設(shè)1)在界面上，層與層之間結(jié)合完好，沒(méi)有相對(duì)滑移；2)諧振器的變形是由基體通過(guò)膠粘層的剪切變形來(lái)傳遞的，諧振器和膠接層均不直接受力；3)諧振器、膠粘層和基體均為線彈性材料，不考慮其塑性變形；4)諧振器和膠粘層只有軸向位移，沒(méi)有徑向位移?；谏鲜黾僭O(shè)，建立剪滯力模型平衡方程
權(quán)利要求
1.一種基于三層應(yīng)力傳遞模型的聲表面波應(yīng)力傳感器，其特征在于它包括壓電襯底、叉指換能器、反射柵、天線、膠粘劑。所述壓電襯底、叉指換能器和反射柵構(gòu)成聲表面波諧振器。所述膠粘劑將聲表面波諧振器粘貼于被測(cè)對(duì)象上。所述的三層模型分別針對(duì)被測(cè)對(duì)象層、膠粘層、諧振器層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聲表面波諧振器，其特征在于諧振器諧振頻率為434MHz，諧振器襯底材料選用石英壓電材料，諧振器包括叉指換能器以及帶狀的反射柵，反射柵平行取向，反射柵和叉指換能器為鋁金屬電極。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的膠粘層，其特征在于膠粘層所選膠粘劑為環(huán)氧膠粘劑，屬于熱固性粘合劑，在指定測(cè)量位置對(duì)SAW諧振器進(jìn)行粘貼后進(jìn)行高溫固化操作，溫度超過(guò) 120°C，保持?jǐn)?shù)小時(shí)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聲表面波應(yīng)力傳感器，其特征在于影響傳感器應(yīng)變傳遞的主要因素是聲表面波諧振器的長(zhǎng)度、膠粘層的厚度、彈性模量、SAff石英基體厚度。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高溫壓力傳感器，其特征在于該傳感器還包括封裝結(jié)構(gòu)，隔離粉塵等對(duì)諧振器性能的影響。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的小型天線，其特征在于天線為貼片天線或其它小型天線。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聲表面波應(yīng)力傳感器，其特征在于此傳感器可實(shí)現(xiàn)無(wú)源無(wú)線傳感，聲表面波壓力傳感器于天線相連接，無(wú)電源。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的聲表面波應(yīng)力傳感器，其特征在于此傳感器可測(cè)量拉應(yīng)力或壓應(yīng)力。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于三層應(yīng)力傳遞模型的表面波應(yīng)力傳感器。本發(fā)明的聲表面波應(yīng)力傳感器包括壓電襯底材料、叉指換能器、反向柵、小型天線、粘貼傳感器用的膠粘劑。其中膠粘劑將聲表面波諧振器粘貼在被測(cè)對(duì)象上。不同于傳統(tǒng)的聲表面波應(yīng)力傳感器，本發(fā)明建立了聲表面應(yīng)力傳感器的被測(cè)結(jié)構(gòu)基體-膠粘層-SAW諧振層的三層力學(xué)模型，推導(dǎo)了SAW傳感器的應(yīng)變傳遞公式和應(yīng)變傳遞系數(shù)，得到影響SAW傳感器測(cè)量結(jié)果的因素。影響傳感器應(yīng)變傳遞的主要因素是傳感器的長(zhǎng)度、膠粘層的厚度、彈性模量、SAW石英基體厚度等，膠層的厚度越薄、SAW諧振器的長(zhǎng)度越長(zhǎng)、材料的彈性模量越大，應(yīng)變傳感器的測(cè)量精度越好。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小、重量輕、使用方便，適合于惡劣環(huán)境下應(yīng)力無(wú)線遙測(cè)。
文檔編號(hào)G01L1/10GK102175358SQ201010574578
公開(kāi)日2011年9月7日 申請(qǐng)日期2010年12月6日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月6日
發(fā)明者劉婧, 周世圓, 孟凡武, 張運(yùn)濤, 徐春廣, 潘勤學(xué), 肖定國(guó), 趙新玉, 郝娟 申請(qǐng)人:北京理工大學(xué)