声表面波温度传感器的应用和优点

声表面波温度传感器是利用声表面波的传输速度与温度有关的特性来实现的，这种传感器的温度敏感特性取决于压电晶体的切型及所采用的压电材料。基于延迟线SAW振荡器的温度传感器可达到10-6℃的分辨率，线性度及滞后特性都比较理想。敏感元件对表面质量负载的变化异常敏感，因此必须封装在密封外壳中。

声表面波器件响应速度快、工作频率高，这类温度传感器可实现远程无线温度检测。

利用声表面波器件本身的高频特性及基片的压电特性，可通过无线发射-接收技术，实现敏感器件本身的无源化。这种传感器的工作原理有些类似于无线电技术中的雷达。测量仪器发射访问脉冲信号，连接在声表面波敏感器件上的天线接收访问脉冲信号，并将其转换为器件表面的声表面波。经被测参数调制后的声表面波再转换为电信号，经天线发射出去。检测仪器接收到的回波信号中就包含了被测对象的信息。这类传感器的敏感元件本身是无源的，是一种真正的无源无线传感器，因此无须像通常的无线IC卡那样利用天线耦合得到所需电源。

无源无线声表面波传感器的敏感元件同样有2种形式：延迟线型及谐振器型，如图5-30所示。与有一对发射-接收IDT的延迟线型传感器不同，无源无线的延迟线型声表面波传感器一般只有一组与天线连接在一起的IDT，既作为发射IDT，也作为接收IDT。而延迟时间则是通过在器件上与IDT间隔一定距离制作声表面波反射栅的方式实现的。延迟时间通过提取回波信号的相位差实现。

图5-30　无源无线声表面波传感的2种形式

应用于温度检测时，这种无源无线声表面波传感器所采用的主要为延迟线型形式。(www.xing528.com)

图5-31　微型无源无线声表面波温度传感器

如图5-31所示，在陶瓷、玻璃或硅基片上制作一层铌酸锂（LiNbO3）薄膜，在薄膜上制作金属铝薄膜，然后采用平面光刻工艺制作一对连接到微波天线上的IDT以及一对反射栅。工作时，天线将接收到的频率调制电磁信号转换为电信号，通过IDT激励起声表面波。声表面波传播到反射栅处，发生反射回波，到达IDT后，再次转换为电磁波信号发射出去。由于2个反射栅的位置不同，因此反射回波的时间间隔与元件的温度有关。由于延迟时间的间隔很小，因此一般要通过相位检测的方式进行测量。假设两反射回波的延迟时间分别为τ1和τ2，访问信号调制频率（与IDT的谐振频率相等）为ω0，则两回波信号之间的相位差为：

式中：ΔT为温度变化量；α为压电材料决定的温度灵敏度系数，对于铌酸锂薄膜，α=9.4×10-5/K。访问信号调制频率为905MHz时，这种传感器在20～130℃时的敏感特性呈现很好的线性，检测灵敏度可达3.1/℃。当相位检测分辨率为1°时，温度分辨率为0.3℃。

这种温度传感器的检测精度并不是很高，其突出优势在于检测方式，在一些严格限制不能采用有线方式为传感器提供电源的场合非常适用。另外，这种传感器还可嵌入旋转或运动的部件，如飞机发动机、汽车轮胎、火车车轮等，实现运动部件的温度检测。虽然访问系统的工作频率较高，电路组成比较复杂，但器件本身容易采用微细加工工艺制作，成本低廉，是一种很有发展前途的传感器。