声表面波质量传感器_章安良

声表面波质量传感器*

章安良1,朱大中2(1.宁波大学信息科学与工程学院,浙江宁波315211;2.浙江大学信息科学与电子工程系,浙江杭州310027)

摘 要:在128bY切割X传播方向上的LiNbO3基片上设计并研制了新型声表面波(SAW)质量传感器。它将输入叉指换能器激发的SAW中心对称分成两路并由各自的输出叉指换能器检测输出。由于环境温度对SAW延迟线振荡器的振荡频率影响较大,传感器的输出不仅决定于质量沉积区所沉积的质量,还决定于测量时所处的环境温度。为此,在SAW质量传感器测量时,同时监测传感器的输入信息质量沉积区的质量和环境温度及其输出频率信息,采用多传感器信息融合技术进行融合处理,质量传感器的温度灵敏度分别从As0.2=0.8007/e,As0.6=0.2488/e提高到A.s0.2=1.71@10-2/e,A-s0.6=3.28@10-3/e。关键词:声表面波;延迟线振荡器;信息融合;交叉灵敏度中图分类号:TN722 文献标识码:A 文章编号:1000-9787(2005)01-0060-03

AcousticsurfacewavemasssensorZHANGAn-liang1,ZHUDa-zhong2(1.CollofInfoSciandEngin,NingboUniversity,Ningbo315211,China;2.DeptofInfoSciandElctEngin,ZhejiangUniversity,Hangzhou310027,China)

Abstract:AnewtypeSAWdevicedevelopedon128bYcutXLiNbO3isreported.SAWexcitedbyinputinterdigitaltransducerisdividedcentrosymmetricallyintotwopathsdetectedbytheiroutputinterdigitaltransducer.Asoscillatingfrequencyofacousticsurfacewavedelaylineoscillatorisinfluencedbytemperature,outputfrequencyofthesensorisnotonlydeterminedbydepositedmass,butalsodeterminedbytemperature.Inordertoimprovethemeasurementaccuracy,massofdepositingarea,temperatureandoutputfrequenciesofthesensoraremeasuredanddisposedbypolyinformationfusiontechnology.Coefficientofitstemperaturesensitivityisimprovedfrom0.8007/e,0.2488/eto1.71@10-2/e,3.28@10-3/erespectively.Keywords:SAW(acousticsurfacewave);delaylineoscillator;informationfusion;crosssensitivity

0 引 言压电晶体表面上传播的瑞利波速度随其表面所沉积质量而变化,这一特性使得声表面波(SAW)广泛用于物理和化学传感器中[1,2]。但通常传感器都存在交叉灵敏度,传感器的输出值不仅仅决定于一个参量,当其他参量变化时输出值也要发生变化,如,SAW气体传感器,其输出值不仅受晶体表面所吸附微量物质的影响,同时,环境温度对SAW气体传感器的影响较大,所以,常采用差分结构来补偿环境温度的影响[3],但该方法需要采用高性能混频器和滤波器等测试电路,且存在测量盲区。本文采用信息融合技术消除环境温度对SAW质量传感器的影响。SAW质量传感器等效温度灵敏度系数分别从As0.2=0.8007/e,As0.6=0.2488/e提高到A.s0.2=1.71@10-2/e,A-s0.6=3.28@10-3/e。1 SAW质量传感器及其测量系统SAW质量传感器的结构如图1所示。

图1 SAW质量传感器结构图Fig1 StructurediagramofSAWmasssensor 图中,A为器件的输入叉指换能器,B1,B2为双声路耦合器,C1,C2为质量沉积区,D1,D2为输出叉指换能器。WA和WB分别为耦合器的两通道宽度,L为质量沉积区的长度。输入换能器的指对数为26,孔径为3200Lm,周期为32Lm,输出换能器的指对数为39,孔径为2550Lm,周期为

收稿日期:2004-07-28*基金项目:国家自然科学基金资助项目(60176027);浙江省自然科学基金资助项目(600026)60 传感器技术(JournalofTransducerTechnology) 2005年第24卷第1期32Lm,器件的工作频率为122MHz。为使能量100%转移,耦合器的条数为108,节距为12Lm。质量沉积区的面积为2.5mm@2.65mm,器件的面积为12.4mm@10mm。SAW由加到叉指换能器上的射频信号激发,并由输出叉指换能器将SAW信号再转换成射频信号,在输入和输出叉指换能器的通路中对声路表面的任何扰动都会引起传播速度的变化,传播速度的变化可以从输出信号的相位的变化中检测出,也可以将SAW器件与外围电路构成振荡器由振荡频率变化检测出。由于输出频率量稳定性和线性较好,处理电路较简单,所以,采用传感器与外围放大电路构成SAW延迟线振荡器,以测量延迟线振荡器的振荡频率的方法来测量被测物质量。当在压电基片上沉积一层薄膜,薄膜的质量和弹性系数对SAW的传播特性产生影响。由扰动理论可以求出薄膜的质量和弹性系数对延迟线振荡器振荡频率的影响为$ff=-kfhk1Q-Lv20+k2Q+k3Q-4Lv20K+LK+2L,(1)式中 k为薄膜在声传播路径上的覆盖率;h为薄膜的厚度,m;k1,k2,k3分别为质点在3个坐标轴方向的归一化振动速度,m2s/kg;Q为薄膜的密度,kg/m3;L为薄膜的杨氏模量;K为剪切模量;v0为SAW在未受扰动时的波速,m/s。若忽略薄膜的弹性的影响,仅考虑薄膜的质量对SAW传播特性的影响,则称为质量沉积效应。此时,式(1)可以简化为$ff=-kfhQ[k1+k2+k3]=-kfRm[k1+k2+k3],(2)式中 Rm=hQ为表面质量沉积的面密度,kg/m2。由此可见,在声传播通路中,基片材料上的微量物质的变化引起延迟线振荡器振荡频率的漂移,振荡频率的漂移量与SAW传感器振荡中心频率的平方成正比;与所沉积的微量物质的面密度成线性关系。由于质量沉积区面积不变,振荡器的振荡频率漂移量也与质量沉积区所沉积的质量成线性关系。测量系统如图2所示。

图2 SAW质量传感器测量系统Fig2 MeasuringsystemofSAWmasssensor 测量系统的两输出量均为频率量,记为f1和f2。在不考虑环境温度的影响下,延迟线振荡器的振荡频率和质量沉积区中所沉积的质量成线性关系。而实际上,振荡频率输出量f1不仅决定于质量沉积区所沉积的微量物质质量m(Lg),还决定于环境温度t(e),所以,质量传感器存在对温度的交叉灵敏度,需进行数据融合以提高测量质量的精度,温度传感器输出频率f2是用来实现这一目的。2 信息的融合算法所研制的SAW传感器为两参量传感器,可得到2个参量的信息,2个信息的融合算法有多种,可根据不同的应用背景选择相应的融合算法,本文采用二维回归分析法进行两信息的融合。质量传感器的输出是频率f1,且存在温度灵敏度,温度传感器输出f2代表温度信息,所以,质量传感器检测的质量m可以较完备地表示为f1和f2的二元函数,即m=f(f1,f2),由二维坐标(f1k,f2k)决定的mk在一平面上,可以用二维回归方程来描述为m=A0+A1f1+A2f2+A3f21+A4f1f2+A5f22+E,(3)式中 A0~A5为常系数;E为高阶无穷小。只要确定二维回归方程的常系数,运用采集到传感器的输出值f1和f2,代入式(3)就可以计算传感器的质量m。为确定二维回归方程的系数,需要进行标定实验,在质量传感器的量程范围内确定n个质量标定点m1,m2,m3,,,mn,,在工作温度范围内确定q个温度标定点t1,t2,t3,,,tq。对应这些标定点的输入值读取相应的输出值f1k和f2k,在q个不同的温度状态对传感器进行静态标定,就可得到二维实验数据标定表。由二维回归方程计算得到的m(f1k,f2k)与标定值mk存在误差$k,其方差$2k为$2k=[mk-m(f1k,f2k)]2,k=1,2,,,q@n.共有q@n个标定点,它的均方误差Rl应最小,即Rl=1q@nEq@nk=1[mk-(A0+A1f1k+A2f2k+ A3f21k+A4f1kf2k+A5f22k]2=Rl(A0,A1,A2,A3,A4,A5)=min.要使均方误差最小,即要求9Rl9Ai=0,i=1,,,5.结合实验标定点的输入标准值mk,tk和传感器的输出值f1k,f2k就可以计算出方程的常系数A0~A5,二维回归方程也相应确定。3 信息融合技术在SAW质量传感器中的应用按图2的测量系统,测量了温度为21e,且SAW质量传感器的质量沉积区未滴定含微量物质溶液时振荡器输出频谱及温度为26.5e、质量沉积区上滴定了浓度为2@10-4g/ml的NaCl酒精和去离子水的混合溶液,并充分蒸发后,质量沉积区沉积的质量为0.6Lg时振荡器的输出频谱,61第1期 章安良等:声表面波质量传感器 如图3所示。

图3 振荡器输出频谱图Fig3 Diagramoffriquencyspectrumofoscillator SAW质量传感器在不同温度和不同质量时的实验标定 数据如表1所示。表1 SAW质量传感器实验标定数据Tab1 ExperimentdemarcationdataofSAWmasssensorm(Lg)21ef1(MHz)f2(MHz)22ef1(MHz)f2(MHz)26.5ef1(MHz)f2(MHz)32ef1(MHz)f2(MHz)0122.003122.00275 121.994121.99365 121.954583121.95233 121.902916121.9010.2121.99166122.0020863 121.97958121.992916 121.94375121.952083 121.8918121.90160.6121.9675122.003333 121.962083121.9935 121.9225121.9525 121.8705121.90083 根据所介绍的信息融合算法,可以计算得到二维回归方程的常系数为A0=0.0015,A1=-16.5852,A2=14.9438,A3=29.1081,A4=-42.2673,A5=-0.9761.二维回归方程就可以确定为m=0.0015-16.5852f1+14.9438f2+29.1081f21-42.2673f1f2-0.9761f22.(4)由测得SAW质量传感器的2个输出频率f1和f2,根据方程(4)就可以计算得到质量沉积区所沉积的质量。由表1的数据,可得数据融合前,传感器受温度的影响,由测量所得的输出频率信号值,根据式(2)计算得到的质量值被温度信号淹没,如表2所示。表2 数据融合前传感器质量标定值和理论计算值Tab2 DemarcationdataandtheoreticalvalueofSAWmasssensorbeforeinformationfusion标定/融合21e22e26.5e32e00 0.15810.85071.75850.20.19920.41151.04191.95370.60.62300.71891.41442.3280 表2中,质量计算值以122.003MHz作为参考频率。由表2可见,质量传感器的等效温度系数分别为As0.2=0.8007/e,As0.6=0.2488/e。经数据融合处理后,质量沉积区的质量融合处理值与标定值接近,如表3所示。表3 数据融合后传感器质量标定值和融合处理值Tab3 DemarcationdataandfusionvalueofSAWmasssensorafterinformationfusion标定/融合21e22e26.5e32e00.00730.00550.00870.00930.20.17400.24030.19430.20690.60.62560.56460.59410.6030 根据表3数据,可得经数据融合处理后传感器的等效温度灵敏度分别为A.s0.2=1.71@10-2/e,A.s0.6=3.28@10-3/e,与融合处理前传感器的温度稳定性有较大的提高。4 结 论本文研制的新型SAW器件采用了多条耦合器改变SAW的传播路径,有效地克服了体波的干扰,提高传感器的质量沉积等效灵敏度。通过信息融合技术对所监测到的传感器输入和输出信息进行融合处理,消除环境温度对SAW质量传感器测量质量的影响,等效温度灵敏度分别从As0.2=0.8007/e,As0.6=0.2488/e提高到A.s0.2=1.71@10-2/e,A-s0.6=3.28@10-3/e,温度稳定性有极大的提高,避免采用高性能混频器和滤波器等相关测试电路,降低测量系统的复杂性。同时,该器件可以作为温度传感器输出温度参量,实现多传感器功能,有利于实现测量系统的智能化和微型化。(下转第66页)62 传 感 器 技 术 第24卷