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(guó)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(duì)沿均勻各向同性半無(wú)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(guó)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(huì)影響壓電介質(zhì)的電場(chǎng)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)鞑サ模@一特點(diǎn)使得SAW器件在設(shè)計(jì)、制作、信號(hào)提取和加工處理等方面都十分簡(jiǎn)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(jí))，這不僅使得SAW信號(hào)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(jiǎn)單； SAW傳感器能夠直接把被測(cè)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(guó)內(nèi)外研究概況 國(guó)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(guó)研制出了第一臺(tái)延遲線型SAW加速度計(jì)樣機(jī)。

1988年底，法國(guó)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(jí)的要求；

美國(guó)Rockwell國(guó)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(guó)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(cè)量范圍和測(cè)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(jiǎn)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(chǎng)，電介質(zhì)會(huì)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(chǎng)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(chǎng)，在指條下面的壓電基片內(nèi)部，也形成高頻電場(chǎng)。高頻電場(chǎng)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(lái)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(hào)。在發(fā)射IDT上施加適當(dāng)頻率的交流電信號(hào)后，壓電基片內(nèi)即會(huì)出現(xiàn)電場(chǎng)。由于基片的逆壓電效應(yīng)，該電場(chǎng)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(hào)的頻率，兩側(cè)信號(hào)中無(wú)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(hào)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(zhǎng)。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(huì)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(hào)，有 通過檢測(cè)上面這個(gè)，并利用和a的關(guān)系，即可測(cè)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(lái)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(duì)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(duì)壓電材料的影響；

(2)溫度變化對(duì)SAW諧振器的影響；

(3)溫度變化對(duì)SAW振蕩電路的影響；

(4)溫度變化對(duì)聲速也會(huì)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(dòng)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(dòng)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(jìng)爭(zhēng)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(cè)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(duì)遙測(cè)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)，