聲表面波加速度計(jì)SEU

聲表面波加速度計(jì)

SurfaceAcousticWaveAccelerometer132627Name:lbn1，引言2，特點(diǎn)3，國內(nèi)外研究概況4，主要結(jié)構(gòu)5，工作原理6，主要誤差源7，應(yīng)用前景

聲表面波器件展示

引言

1885年，瑞利(LordRayleigh)在歷史上首先開始了對沿均勻各向同性半無窮大彈性固體中彈性波的理論研究，并在理論上發(fā)現(xiàn)和說明了集中在介質(zhì)表面附近的彈性波，提出了表面波的概念。而現(xiàn)代聲學(xué)技術(shù)的誕生和發(fā)展則要得益于叉指換能器(IDT)技術(shù)的發(fā)展，因?yàn)樵诔霈F(xiàn)IDT之前，瑞利的固體表面波理論基本上處于純理論狀態(tài)。然而，1965年，美國物理學(xué)家懷特(R.W.White)和沃爾特默(F.W.Voltmer)在研究壓電介質(zhì)表面波時(shí)發(fā)現(xiàn)：IDT能夠在壓電介質(zhì)上產(chǎn)生表面波，而表面波的傳播又會影響壓電介質(zhì)的電場分布。聲表面波器件展示特點(diǎn)

1，聲表面波特點(diǎn)： 聲表面波是沿介質(zhì)表面?zhèn)鞑サ?，這一特點(diǎn)使得SAW器件在設(shè)計(jì)、制作、信號提取和加工處理等方面都十分簡單方便。特別是由于SAW的傳播速度遠(yuǎn)小于電磁波的傳播速度(小5個(gè)數(shù)量級)，這不僅使得SAW信號在傳播過程中能夠得到從容的處理，而且使得SAW器件比同樣功能的電子器件體積小、重量輕。特點(diǎn)

2，聲表面波傳感技術(shù)特點(diǎn)：

一，高精度、高敏感和高靈敏度；

二，可直接與微處理器相連，接口簡單； SAW傳感器能夠直接把被測物理量轉(zhuǎn)換為抗干擾能力比較強(qiáng)的準(zhǔn)數(shù)字頻率量，不需要A/D轉(zhuǎn)換就可同數(shù)字微處理器組成自適應(yīng)實(shí)時(shí)處理系統(tǒng)。

三，結(jié)構(gòu)工藝性好，便于大批量生產(chǎn)； SAW傳感器是平面結(jié)構(gòu)，設(shè)計(jì)靈活方便，其平面設(shè)計(jì)使其易于實(shí)現(xiàn)集成化和批量生產(chǎn)。

四，體積小、重量輕、功耗低；

五，穩(wěn)定性、可靠性高； 集成制造技術(shù)和工藝保證了SAW傳感器中的關(guān)鍵部件——SAW諧振器或延遲線這類敏感元件工作性能的穩(wěn)定性、重復(fù)性和可靠性。

六，聲表面波技術(shù)能實(shí)現(xiàn)電子器件的超小型化；

七，聲表面波便于變換處理和采樣。國內(nèi)外研究概況 國外是上世紀(jì)70年代末開始研究聲表面波加速度計(jì)的。

1981年，法國研制出了第一臺延遲線型SAW加速度計(jì)樣機(jī)。

1988年底，法國Thomson-CSF研究中心研發(fā)出的SAW加速度計(jì)的分辨率基本上能達(dá)到慣性導(dǎo)航級的要求；

美國Rockwell國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室在80年代中期研制出的SAW加速度計(jì)，在重復(fù)性、溫度漂移和頻率穩(wěn)定度上都能達(dá)到很高的水平。

1998年西北工業(yè)大學(xué)在國防基金的資助下，自行研制出了SAW加速度計(jì)樣機(jī)。 雖然SAW加速度傳感器的理論框架已經(jīng)建立，但還有不少實(shí)際工程問題有待解決。例如，在傳感器重量、尺度上，以及在傳感器的測量范圍和測量準(zhǔn)確度上還有許多需要改進(jìn)的地方。主要結(jié)構(gòu)

1，壓電效應(yīng)

2，叉指換能器主要結(jié)構(gòu)1，壓電介質(zhì)： 現(xiàn)代聲表面波器件的基片材料大多都采用壓電晶體，使用叉指換能器在壓電晶體上激發(fā)聲表面波，聲表面波在傳播和接受的過程中，壓電晶體起到非常重要的作用。

正壓電效應(yīng)：一些電介質(zhì)物體，在沿一定方向?qū)ζ涫┘訅毫蚶Χ怪巫儠r(shí)，在它們的表面上產(chǎn)生電荷，當(dāng)外力去掉時(shí)，它們又重新回到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)，或簡稱壓電效應(yīng)；

逆壓電效應(yīng)：在電介質(zhì)的極化方向施加電場，電介質(zhì)會在一定方向上產(chǎn)生機(jī)械形變或機(jī)械壓力，當(dāng)外電場去除后，形變或應(yīng)力隨之消失，此現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)。壓電材料就是具有壓電效應(yīng)的物體。在一定溫度范圍內(nèi)，壓電材料的壓電性質(zhì)一直存在，但溫度超過這個(gè)范圍之后，壓電性質(zhì)完全消失，所以溫度也是影響聲表面波器件的一個(gè)重要因素。

主要結(jié)構(gòu)1，壓電效應(yīng)：主要結(jié)構(gòu)2，叉指換能器(IDT)： 當(dāng)換能器的兩端加上高頻電壓時(shí)，相鄰指條間就有電位差，從而在壓電基片的表面及表面附近空間，形成高頻電場，在指條下面的壓電基片內(nèi)部，也形成高頻電場。高頻電場的作用，能使基片表面層內(nèi)產(chǎn)生聲表面波。 IDT作為發(fā)射換能器是利用逆壓電效應(yīng)來激勵(lì)SAW的，而在接收端則利用正壓電效應(yīng)把聲波重新轉(zhuǎn)換為電信號。在發(fā)射IDT上施加適當(dāng)頻率的交流電信號后，壓電基片內(nèi)即會出現(xiàn)電場。由于基片的逆壓電效應(yīng)，該電場使指條電極間材料的質(zhì)點(diǎn)發(fā)生位移。這種周期性的應(yīng)變就產(chǎn)生沿IDT兩側(cè)表面?zhèn)鞑コ鋈サ腟AW，其頻率等于所施加電信號的頻率，兩側(cè)信號中無用一側(cè)的波可用一種高損耗介質(zhì)吸收，另一側(cè)的SAW傳播至接收IDT，借助于正壓電效應(yīng)可以將SAW轉(zhuǎn)換為電信號輸出。主要結(jié)構(gòu)2，叉指換能器：工作原理懸臂梁敏感元件靜電力模型工作原理 加速度a作用在懸臂梁自由端的敏感質(zhì)量m上，產(chǎn)生集中作用力F=ma，石英懸臂梁在F作用下，上下兩個(gè)表面產(chǎn)生的應(yīng)變分別為：

縱向形變 橫向形變工作原理 SAW加速度計(jì)敏感元件是SAW諧振器(SurfaceAcousticWaveResonatorSAWR)。SAWR由IDT及SAW反射器構(gòu)成。 SAWR的諧振頻率f為

是SAW傳播速度， 為SAW波長。工作原理懸臂梁上SAWR有效諧振腔的平均應(yīng)變?yōu)椋汗ぷ髟?/p>

加速度慣性力F加載SAWR基片會改變SAWR的叉指中心距d,引起SAW速度Vs和SAWR諧振頻率f的變化。

工作原理 集中載荷F作用于石英梁上SAWR所導(dǎo)致的諧振頻率及其變化量分別為：工作原理

工作原理 為了補(bǔ)償或抑制溫度等其他共模干擾，將懸臂梁上、下表面SAWR輸出頻率混頻，濾波取出差頻信號，有 通過檢測上面這個(gè)，并利用和a的關(guān)系，即可測量出當(dāng)前的加速度了。主要誤差源 一方面，加速度計(jì)本身結(jié)構(gòu)不完善；

另一方面，與加速度計(jì)工作環(huán)境和工作條件有關(guān)。

在影響SAW加速度計(jì)精度的各種環(huán)境因素中，溫度影響不容忽略，它是SAW加速度計(jì)誤差的主要來源。 溫度變化分為外環(huán)境溫度變化和SAW加速度計(jì)工作發(fā)熱導(dǎo)致自身溫度變化。 具體地說，溫度變化對SAW加速度計(jì)的內(nèi)部結(jié)構(gòu)參數(shù)、力敏元件的應(yīng)力分布狀態(tài)和材料密度、結(jié)構(gòu)尺寸都有影響。

主要誤差源 SAW加速度計(jì)受溫度影響的主要因素有四部分：

(1)溫度變化對壓電材料的影響；

(2)溫度變化對SAW諧振器的影響；

(3)溫度變化對SAW振蕩電路的影響；

(4)溫度變化對聲速也會有影響。應(yīng)用前景1，至今戰(zhàn)略導(dǎo)彈上廣泛使用的加速度計(jì)還是基于機(jī)械擺和陀螺原理的液浮、氣浮兩大類加速度計(jì)。這些傳統(tǒng)儀表有轉(zhuǎn)動部分，體積大、成本高、可靠性差，而聲表面波加速度計(jì)消除了轉(zhuǎn)動部分，實(shí)現(xiàn)了固態(tài)化、高精度、高靈敏度 (),體積和重量很小，是現(xiàn)有加速度計(jì)的有力競爭者。注：傳統(tǒng)上說的高精度為高達(dá)應(yīng)用前景應(yīng)用前景2，導(dǎo)航與火箭的遙測系統(tǒng)的精度直接影響彈箭的控制過程，而傳感器本身的精度對遙測系統(tǒng)的精度起決定性作用。聲表面波加速度計(jì)高精度的特點(diǎn)最能滿足這一要求。更為重要的是由于聲表面波加速度計(jì)寬頻帶輸出、抗干擾能力強(qiáng)，利于進(jìn)行計(jì)算機(jī)處理，實(shí)現(xiàn)擴(kuò)頻多址數(shù)據(jù)傳輸。如果用聲表面波加速度計(jì)代替模擬量輸出的加速度計(jì)，