声表面波温度传感器声学所设计出新型声表面波温度传感器件

发布时间：2024-10-06 12:10:42

声学所设计出新型声表面波温度传感器件

高温环境引起的热辐射损耗会导致传感器器件有较大的声波衰减，因此在这种环境下工作的传感器应具有足够大的品质因数（Q）且损耗较低。传统的有线有源传感器不能用于高温环境下的温度测量，而基于声表面波（surface acoustic wave，SAW）的无线无源温度传感器为此提供了良好的解决方案。

中国科学院声学研究所超声技术中心博士生李学玲及其导师王文等，采用短脉冲法提取精确的反射系数，并用典型的耦合模 (coupling of modes，COM)模型，对LGS/Pt结构声表面波温度传感器件进行优化设计，仿真和试验证明该器件具有良好的高温传感性能。相关研究成果在线发表在Sensors上。

研究人员基于不同Pt膜厚与波长比的LGS/Pt器件的结构开展实验研究。科研人员采用最小二乘法对实验数据进行拟合，得出反射系数计算公式，利用有限元方法提取Pt/LGS的其他COM参数，通过典型的COM模型对Pt/LGS结构的单端口谐振器进行模拟，并确定了具有较大Q值的最佳设计参数。

研究人员利用光刻技术研制400MHz单端口声表面波谐振器，用网络分析仪对其测量得到较高的Q值，测量结果与模拟结果吻合良好。在50～650℃的温度范围里，测试所制备的传感器件的高温特性，测试结果显示其具有良好的稳定性和线性TCF（～25 ppm/°C.），证明该器件具有较好的高温传感性能。

研究表明，声表面波高温传感技术可用于极端高温环境下的高灵敏度温度监测和预警。

研究工作得到国家自然科学基金联合重点基金项目等的资助。

图1.用于提取反射系数的声表面波装置的结构（上）和反射系数测量实验装置（下）（图/中科院声学所）

图2.反射系数测量与高温传感器响应（图/中科院声学所）

科研人员研制出高精度无线无源声表面波温度传感系统

在精密化学、生物医药、精细化工等领域中，温度控制精度对产品质量有重要影响，而高精度的温度检测是温度控制的前提。目前，常用的无线测温系统必须内置电池或电源电路供电，且存在抗干扰能力差、电路复杂、功耗大等问题。为此，研发一种体积小、节能、便携且高精度的无线无源温度检测系统迫在眉睫。

中国科学院声学研究所超声学实验室王文研究团队利用耦合模理论优化设计了高信噪比的SAW无源温度传感器，并结合研制的基于步进调频技术的收发模块构建出无线无源声表面波温度传感系统。研究创新性地提出了自适应最小均方和移动平均算法处理方法，有效提高了系统信噪比水平，从而大幅提升了传感系统的测量精度，实现了-30~100摄氏度范围内±0.2摄氏度的精度水平。该技术在精密制造领域有广阔的应用前景。

相关研究成果在线发表在Applied Sciences上。研究工作得到国家重点研发计划和国家自然科学基金联合重点项目的资助。