本發明屬于聲表面波傳感器的設計領域,涉及一種利用兩個聲表面波諧振器構建應變傳感器的設計方法，具體為一種基于硅酸鎵鑭的雙聲表面波應變傳感器及其設計方法。
背景技術：
聲表面波(Surface Acoustic Wave，SAW)是指在物體表面產生并沿著其自由表面或界面傳播的一種彈性波，SAW器件是通過SAW來傳播和處理信號的一種器件。SAW器件主要由壓電基片和叉指換能器(Interdigital transducer，IDT)組成。壓電材料是指受到壓力作用在其兩端面會出現電荷的一大類單晶或多晶的固體材料，它是聲表面波器件進行能量轉化和信號傳遞的重要載體。
IDT是SAW器件的核心部分，它可以直接接收和激勵SAW，當電信號輸入到輸入IDT端時，壓電基片可以通過逆壓電效應將電能轉化為機械能，并以SAW的形式在基片表面傳播；當輸出IDT端接收到SAW信號時，壓電基片又可以通過壓電效應將SAW的機械能轉變成電信號輸出，SAW器件就是通過IDT的脈沖響應或頻率響應來實現延遲、濾波和傳感等功能。
硅酸鎵鑭(LGS)晶體是一種橙色透明的新型壓電晶體，具有比石英大2到3倍的機電耦合系數，與石英相當的溫度穩定性，適合制作溫度穩定性好的聲表面波器件。另外LGS晶體的聲表面波傳播速度低，適合器件的小型化。LGS晶體從室溫到熔點(1470℃)都沒有相變，這樣LGS晶體更適合制作高溫下應用的聲表面波器件。又由于LGS晶體結構的對稱性，使得在其關于歐拉角為(0°，138.5°，90°)對稱的兩個切向上制成的聲表面波諧振器具有相同的溫度頻率特性。
SAW應變傳感器是利用SAW器件來檢測應變變化的傳感器。按照SAW應變傳感器構造類型的不同，可以將其分為延遲型SAW應變傳感器和諧振型SAW應變傳感器。以諧振型SAW應變傳感器為例，當器件周圍溫度發生變化以及器件受到應變的影響時，SAW諧振器的諧振頻率便會隨之改變，于是如何排除溫度的影響而得到應變的大小成為構建SAW應變傳感器的難題。
傳統的基于SAW諧振器的應變傳感器是在壓電基片上制作一個SAW諧振器，在某一個特定的溫度下，通過測試其諧振頻率和應變的關系，來獲得器件所受到的應變大小。然而在應用SAW應變傳感器實驗的過程中，我們發現其諧振頻率受溫度的波動影響是是非常大的，由于溫度和應變同時影響諧振頻率，使得傳感器對應變大小的測量不準確。
技術實現要素：
本發明的目的在于針對聲表面波應變傳感器的諧振頻率同時受到溫度和應變的雙重影響從而導致傳感器對于應變的測試不準確的問題，提出了一種雙聲表面波應變傳感器及其設計方法。
本發明采用的技術方案為：
該雙聲表面波應變傳感器，包括第一SAW諧振器、第二SAW諧振器和一塊硅酸鎵鑭(LGS)壓電基片,兩個SAW諧振器制作在該壓電基片上，并互為2X°夾角(80<X<90，0<X<10),以并聯的方式(如圖1)進行電路連接。
其設計方法具體如下：
器件圖形的設計:在一塊硅酸鉀鑭壓電基片的歐拉角為(0°，138.5°，90+X°)的切向上制作第一SAW諧振器，并在該壓電基片的歐拉角為(0°，138.5°，90-X°)的切向上制作第二SAW諧振器(兩個SAW諧振器的主體結構(IDT和反射柵)之間不相互接觸),使得兩個SAW諧振器互為夾角(2X°)，再將兩個SAW諧振器以并聯的方式(如圖1)進行電路連接。
本發明利用硅酸鉀鑭晶體結構的對稱性的理論,通過將兩個相同結構大小的SAW諧振器設計集成于同一塊硅酸鉀鑭壓電基片的兩個特殊切向上，利用兩個特殊切向位置的諧振器具有相同的溫度特性以及不同的應變特性的特點使得該雙SAW應變傳感器能夠排除溫度對于諧振頻率的影響，從而實現傳感器對應變的測量(基片所能承受溫度范圍內)，顯著提高傳感器應變測量的準確性和精確性。兩個SAW諧振器的諧振頻率分別為fr1和fr2，第一SAW諧振器的諧振頻率隨溫度和應變的變化的關系式近似為
Δf1/f01＝a1(ΔT)+b1(ΔT)2+ε*S1---------(1)，
第二SAW諧振器的諧振頻率隨溫度和應變的變化的關系式近似為
Δf2/f02＝a2(ΔT)+b2(ΔT)2+ε*S2---------(2)，
其中，ε為應變大小，f0x為室溫時第X個SAW諧振器的諧振頻率，ax為第X個SAW諧振器為一階溫度頻率系數，bx為室溫時第X個SAW諧振器的二階溫度頻率系數，SX為第X個SAW諧振器的應變系數，Δf1為頻率變化量(Δf1＝fr1-f01),T為溫度變化量(ΔT＝T-T0，T0為室溫)，由于兩個諧振器擺放位置的特殊性，所以它們的溫度特性是一樣，于是可得a1＝a2，b1＝b2，而f01和f02以及應變系數S1和S2可以事先標定(S1和S2可通過傳感器應變性能的測試測量得到)，將(1)式減去(2)式，得ε＝(Δf1/f01-Δf2/f02)*(S1-S2)，從而只需通過測試得到Δf1和Δf2，即計算得到應變ε。
本發明通過在同一塊LGS基片上的關于歐拉角為(0°,138.5°,90°)對稱的兩個切向上分別制作一個聲表面波諧振器，利用兩個諧振器溫度頻率特性相同的特點，從而制成雙SAW應變傳感器，旨在消除SAW應變傳感器在應變測試的過程中溫度對于它的影響。
綜上所述,本發明所設計的雙SAW應變傳感器能將應變從溫度的影響中分離出來,極大地減小了溫度對于應變測試所造成的影響，可以在任何溫度變化的范圍內(基片能承受的溫度)，實現對應變的準確測量。
附圖說明
圖1、本發明的結構示意圖。
具體實施方案
下面結合附圖和實施例對本發明做進一步的詳細說明。
步驟1、雙SAW溫度傳感器的制備:取X＝85，采用微電子光刻工藝將圖形制作在LGS壓電基片上,再采用電子束蒸發技術在此壓電基片上生長Au電極,Au的厚度為100納米，然后通過去光阻液剝去剩下的膠，從而制成圖1所示的雙SAW應變傳感器。
步驟2、應變的測試：將步驟1制成的器件在25℃進行應變測試,分別得到兩個SAW諧振器應變頻率關系，以此得到兩個諧振器的應變系數S1、S2的值，并測得室溫下(即25℃)的諧振頻率f01和f02，在得到這些參數之后，通過測得兩個器件的諧振頻率，則由公式ε＝(Δf1/f01-Δf2/f02)*(S1-S2)得到一個ε值，從而實現對應變的測量。