SCI论文（www.lunwensci.com）
摘要：高端装备的内部性能参数，如应变等的实时监测，对评估装备在各状态、各阶段的性能变化尤为重要。基于高端装备的应变无源无线监测需求，根据待测表面的曲面特性，设计了面向曲面应变传感的SAW传感芯片，并通过有限元方法对设计参数进行了仿真分析和优化设计，采用特殊结构设计以增加曲面应变监测效果及提升应变芯片灵敏度。采用MEMS加工方法制作了应变芯片样品，并使用矢量网络分析仪测量了芯片的工作频率。测试结果表明，所设计的应变传感芯片中心频率与仿真结果接近。最后搭建应变测试平台进行实验研究，结果表明，所设计的应变芯片灵敏度达到1 500 Hz/με,并且在模拟曲面构建应用场景的实验装置中表现出良好的适用性，上述研究为SAW器件在曲面构件应变监测上的应用提供了参考。
关键词：声表面波；应变传感；曲面应变；MEMS技术；谐振频率
Design of SAW Strain Sensing Unit for Curved Surface Strain Monitoring Chen Rui，Zhang Yongbin，Xiao Hongyang，Wang Junyang，Xu Jingning
（Institute of Machinery Manufacturing Technology,China Academy of Engineering Physics,Mianyang,Sichuan 621000,China）
Abstract:Real time monitoring of the internal performance parameters of high-tech equipment,such as strain,is particularly important for evaluating the performance changes of equipment in various states and stages.Based on the demand for strain passive wireless monitoring of high-end equipment,a SAW sensing chip for surface strain sensing is designed based on the surface characteristics of the tested surface.The design parameters are simulated and optimized using finite element method,and a special structural design is adopted to increase the effect of surface strain monitoring and improve the sensitivity of the strain chip.Special structural design is adopted to increase the effect of surface strain monitoring and improve the sensitivity of the strain chip.Some strain chip samples is fabricated using MEMS processing method,and the working frequency of the chip is measured using a vector network analyzer.The test results indicate that the center frequency of the designed strain sensing chip is close to the simulation results.Finally,a strain testing platform is built for experimental research,and the test results showed that the sensitivity of the designed strain chip reached 1500 Hz/με,and it has shown good applicability in experimental devices that simulate surface construction application scenarios.The above research provides a reference for the application of SAW devices in strain monitoring of curved components.
Key words:surface acoustic wave;strain sensing;curved surface strain;MEMS technology;resonant frequency
0引言
高端装备是多学科、多材料、多特性、多组件的复杂复合体，在其制造、装配、运输、存储、试验、维护等众多环节中，其内部特性的参数是衡量其性能稳定性的重要指标，包括应用于曲面状态监测的应变。内部预设必要的传感系统以实时监测装备应变信息，对评估装备在各状态、各阶段的性能变化尤为重要。而传感系统除了技术指标要求外，还受到体积、质量、电源、线缆等的约束。为此，研制一种小型、无源、无线、长寿命的应变传感系统，以提升我国高端装备的实时应变监测能力，需求急迫。
声表面波（Surface Acoustic Wave，SAW）器件具有体积小，品质因数高，响应速度快，可大量生产以及无源和无线等特点[1]。随着航空航天[2]和核电组件及装备对应变的无源无线测量需求的不断增长，可被动和无线工作的声表面波传感器获得广阔的应用前景。
在曲面零件的变形过程中，应力应变的变化是非常复杂的，曲面构件的面外应变大小取决于曲率的变化量[3]，曲率越大，面外应变变化量越大。由于曲面构件拉深条件的影响因素很多，且难以用准确的数学表达式加以描述[4]，因大曲率构件表面应变的监测具有一定难度。针对曲面构件的应变检测，可以采用柔性压电基底或特殊芯片结构的方式达到更好的检测效果。国内外学者对柔性SAW应变传感器做了许多研究，如浙江大学的许红升等[5]围绕柔性单晶声表面波器件及其传感应用展开系统性研究，主要研究了两类器件：基于铌酸锂单晶薄膜的柔性多模SAW应变传感器，以及柔性多模LGS SAW应变传感器；浙江大学的Bin Feng等[6]设计了一种基于厚度为31μm的超薄AT-X石英板的SAW柔性应变传感器[4]，该传感器具有极高的应变灵敏度。美国的Ri⁃shikesh等[7]研究了一种用PVDF和PZT/CNT作为填料，通过增材制造技术制作IDT来制造SAW柔性薄膜传感器的技术，并将其用于应变检测。通过使用随波特性（如频率和相移）变化的输出信号响应来检测和测量应变。该研究为SAW柔性应变传感器的研究提供了参考。还有学者从应变分布规律出发设计合理的结构以提高SAW应变传感器应变灵敏度，如中国科学院大学的李鹏旭等[8]为了提高声表面波传感器应变灵敏度，提出了一种桥型声表面波应变传感器。根据受压弯曲构件中应变分布特点设计了桥型声表面波应变传感器。结果表明，桥型声表面波应变传感器的应变灵敏度较传统声表面波应变传感器有明显提高。
本文基于我国高端装备的应变无源无线监测需求，设计了基于声表面波原理的应变传感芯片，采用MEMS工艺制作了样件并验证了设计的可行性，所研制的小型无源无线应变传感芯片，有望嵌入我国的高端装备中，对其多个状态、阶段实现实时状态监测，评估其性能变化，有效确保装备安全。
1 SAW应变传感单元工作原理
SAW传感器主要有谐振型和延迟线型两种[9]。本文所设计的SAW应变传感芯片采用谐振型结构。单端口谐振器由位于中间的叉指换能器(IDT)和两边对称放置的反射栅组成，如图1所示。
SAW应变传感器系统工作原理如图2所示，阅读器通过天线向传感芯片发射射频信号，传感芯片上的天线接收信号并通过IDT将电信号转化为声表面波，声表面波沿压电晶体表面向两边传播，经两侧反射栅反射叠加再由IDT转换为电信号输出，阅读器读取到输出信号，并经过计算机上的监测软件将信号转换为应变数据。
2 SAW芯片设计与制备
2.1应变芯片设计
本设计的芯片选用谐振器型布局方式，结构如图1所示。根据ISM(Industrial Scientific and Medical Band)频段要求，应变传感器工作频率选择为433 MHz[10]。考虑传播损耗、老化率、加工性能、成本和电路匹配难度要素，本文选择应变灵敏度较高的ST-X切向的石英晶片作为应变传感器的压电基片材料[11-12]，通过调研，发现增加两个立柱的桥式SAW应变传感器相对一般结构的应变传感器灵敏度有显著提升，本文采用MEMS刻蚀工艺制作出桥型基底[13]，并在石英基片表面镀一层ZnO薄膜以提升基片的机电耦合系数[14]。应变传感芯片的总体设计如图3所示。
在传感芯片主要参数设计完成后，需在仿真软件中进行仿真分析。准确性高、可靠性强的仿真工具能够校正设计中的缺陷，有效地控制加工成本。声表面波谐振器设计完成后需要对其进行性能仿真，分析是否满足应变传感芯片的性能要求，指导后续的加工与测试。
本文采用多物理场仿真分析软件进行传感芯片的仿真。采用COM模型和P矩阵模型结合对传感芯片进行仿真。仿真分析步骤为：建立单个周期模型、添加材料、设置边界条件、网格划分、计算与分析。其中，计算与分析部分通过对待测构件在不同的外力干扰情况下对传感芯片造成的力学影响进行仿真，进而获取传感芯片的应变频率响应，进而通过结构仿真得到传感芯片的结构参数[15]。
为了对SAW应变传感芯片进行优化设计，特别考虑叉指换能器的金属电极膜厚的设计，不同的电极膜厚会影响器件工作频率[17]，在仿真软件中使用参数化扫描方法，对芯片电极膜厚进行分析，电极膜厚度设置扫描范围在[0.1，0.2]之间，步长为0.01，仿真结果表明，铝电极膜厚设置为0.15μm时芯片的导纳值最大，即在芯片产生谐振时，阻抗值最小，此时芯片的损耗最小，故选取0.15μm作为芯片叉指电极膜的厚度。
根据理论公式、设计经验及仿真分析得到的传感芯片参数如表1所示。
2.2 SAW应变芯片制备
谐振器的制作要保证设计尺寸的准确加工，尤其要确认金属指条宽度、金属膜厚的精度。本文所设计的SAW应变芯片采用MEMS光刻技术制作。采用MEMS光刻工艺制作SAW芯片的流程主要有以下几部分[18]：基片清洗与预处理、匀胶、前烘、光刻、显影、蒸发、剥离，如图5所示。
为了确认加工精度，使用电子显微镜对所加工的谐振器进行尺寸测量，确认加工结果与设计尺寸基本吻合，且制备的传感芯片叉指结构均匀，无短路断路出现。SAW应变芯片实物及显微测量如图6所示。
3 SAW应变传感芯片的测试
3.1谐振频率测试
传感芯片研制完成后，需要对其实际的中心频率进行测试验证，测试原理为将谐振器型表面波器件等效为一个双端口网络，而网络分析仪能够检测有源或无源的双端口和单端口网络的散射参数（S参数）[19]，其中，反射系数S11是保证谐振器性能的重要参数，它的幅值大小体现了谐振器的反射性能，曲线的尖锐程度体现了谐振器的品质因数，且通过S11曲线可以直观地观测器件的谐振频率。因此，传感芯片的谐振频率可通过网络分析仪获取。采用网络分析仪测试S11参数步骤如下：（1）网络分析仪的校准。（2）将粘好导线的应变芯片与特制的PCB连接，PCB上焊接了SMA接头用于连接网络分析仪。PCB上的导线与SMA接头采用焊锡连接。（3）以上操作完成后，调出网络分析仪的散射参数测试功能，测试芯片的S11参数。
本文采用网络分析仪Agilent E5061B对芯片的谐振频率进行测试。芯片测试前需要在其电极上键合引线，引线键合的质量，直接影响着传感芯片的稳定性和整个测试系统的可靠性。本文采用的键合方案为银浆料焊接，芯片引线键合采用银粉和导电胶混合粘合剂完成，粘结效果如图7（a）所示，采用网络分析仪测得的器件中心频率如图7（b）所示，测试结果为433 MHz，测试结果与仿真结果接近，验证了仿真分析方法的可行性，并为后续的应变测试及无源无线测试提供了基础。
3.2应变-频率测试
搭建传感芯片的应变测试系统，所用到的器件有：悬臂梁装置（产生应变）、电阻应变片、SAW应变芯片、动态应变仪（ST-3C）、网络分析仪（Agilent E5061B）、计算机及相应线缆。测试系统整体连接如图8所示。
应变片与应变仪的相连采用1/4桥接法[20]，在悬臂梁自由端施加挠度，传感器的谐振频率也随即跟着发生偏移，通过调节螺钉对悬臂梁施加不同应变，以100με为间隔，向悬臂梁自由端施加对应0~1 000με的挠度，通过网络分析仪读出对应的频率。测得室温下传感器的谐振频率偏移量与应变关系的曲线图，应变值从小到大，记录全量程10个点，再从大到小，记录10个点。经过线性拟合，得到如图9所示频率-应变曲线，可以计算出传感芯片的应变灵敏度，所测试芯片应变灵敏度为1 500 Hz/με。测试结果表面，采用特殊结构设计的SAW应变芯片具备良好的应变-频率关系及应变灵敏度。
3.3模拟曲面构建应用环境测试
为了验证所研制的应变芯片在实际曲面构件上的应用效果，建立了如图10所示的曲面应用环境进行实验测试，测试结果表明，所研制的芯片在曲面上贴合稳定且对曲面应变的响应十分灵敏，对具有一定曲率的曲面构件的应变信息监测具有很好的适用性。
4结束语
本文基于高端装备的应变无源无线监测需求，根据监测表面的曲面特性，设计了面向曲面应变传感的SAW传感芯片，并通过有限元仿真分析完成了基片切向、叉指电极宽度、电极膜厚度的优化设计，采用特殊结构设计以增加曲面应变监测效果及提升应变芯片灵敏度。并采用MEMS工艺制备了应变芯片样品，所设计的芯片的实际谐振频率与仿真分析结果接近，验证了设计方法的可行性。通过实验验证了所研制的特殊结构芯片在曲面应变监测应用中的优越性能及良好的适用性，为曲面构件应变信息的无源无线监测的实现提供了技术支撑。
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