声表面波加速度计SEU

声表面波加速度计

SurfaceAcousticWaveAccelerometer132627Name:lbn1，引言2，特点3，国内外研究概况4，主要结构5，工作原理6，主要误差源7，应用前景

声表面波器件展示

引言

1885年，瑞利(LordRayleigh)在历史上首先开始了对沿均匀各向同性半无穷大弹性固体中弹性波的理论研究，并在理论上发现和说明了集中在介质表面附近的弹性波，提出了表面波的概念。而现代声学技术的诞生和发展则要得益于叉指换能器(IDT)技术的发展，因为在出现IDT之前，瑞利的固体表面波理论基本上处于纯理论状态。然而，1965年，美国物理学家怀特(R.W.White)和沃尔特默(F.W.Voltmer)在研究压电介质表面波时发现：IDT能够在压电介质上产生表面波，而表面波的传播又会影响压电介质的电场分布。声表面波器件展示特点

1，声表面波特点： 声表面波是沿介质表面传播的，这一特点使得SAW器件在设计、制作、信号提取和加工处理等方面都十分简单方便。特别是由于SAW的传播速度远小于电磁波的传播速度(小5个数量级)，这不仅使得SAW信号在传播过程中能够得到从容的处理，而且使得SAW器件比同样功能的电子器件体积小、重量轻。特点

2，声表面波传感技术特点：

一，高精度、高敏感和高灵敏度；

二，可直接与微处理器相连，接口简单； SAW传感器能够直接把被测物理量转换为抗干扰能力比较强的准数字频率量，不需要A/D转换就可同数字微处理器组成自适应实时处理系统。

三，结构工艺性好，便于大批量生产； SAW传感器是平面结构，设计灵活方便，其平面设计使其易于实现集成化和批量生产。

四，体积小、重量轻、功耗低；

五，稳定性、可靠性高； 集成制造技术和工艺保证了SAW传感器中的关键部件——SAW谐振器或延迟线这类敏感元件工作性能的稳定性、重复性和可靠性。

六，声表面波技术能实现电子器件的超小型化；

七，声表面波便于变换处理和采样。国内外研究概况 国外是上世纪70年代末开始研究声表面波加速度计的。

1981年，法国研制出了第一台延迟线型SAW加速度计样机。

1988年底，法国Thomson-CSF研究中心研发出的SAW加速度计的分辨率基本上能达到惯性导航级的要求；

美国Rockwell国家重点实验室在80年代中期研制出的SAW加速度计，在重复性、温度漂移和频率稳定度上都能达到很高的水平。

1998年西北工业大学在国防基金的资助下，自行研制出了SAW加速度计样机。 虽然SAW加速度传感器的理论框架已经建立，但还有不少实际工程问题有待解决。例如，在传感器重量、尺度上，以及在传感器的测量范围和测量准确度上还有许多需要改进的地方。主要结构

1，压电效应

2，叉指换能器主要结构1，压电介质： 现代声表面波器件的基片材料大多都采用压电晶体，使用叉指换能器在压电晶体上激发声表面波，声表面波在传播和接受的过程中，压电晶体起到非常重要的作用。

正压电效应：一些电介质物体，在沿一定方向对其施加压力或拉力而使之形变时，在它们的表面上产生电荷，当外力去掉时，它们又重新回到不带电的状态，这种现象称为正压电效应，或简称压电效应；

逆压电效应：在电介质的极化方向施加电场，电介质会在一定方向上产生机械形变或机械压力，当外电场去除后，形变或应力随之消失，此现象称为逆压电效应。压电材料就是具有压电效应的物体。在一定温度范围内，压电材料的压电性质一直存在，但温度超过这个范围之后，压电性质完全消失，所以温度也是影响声表面波器件的一个重要因素。

主要结构1，压电效应：主要结构2，叉指换能器(IDT)： 当换能器的两端加上高频电压时，相邻指条间就有电位差，从而在压电基片的表面及表面附近空间，形成高频电场，在指条下面的压电基片内部，也形成高频电场。高频电场的作用，能使基片表面层内产生声表面波。 IDT作为发射换能器是利用逆压电效应来激励SAW的，而在接收端则利用正压电效应把声波重新转换为电信号。在发射IDT上施加适当频率的交流电信号后，压电基片内即会出现电场。由于基片的逆压电效应，该电场使指条电极间材料的质点发生位移。这种周期性的应变就产生沿IDT两侧表面传播出去的SAW，其频率等于所施加电信号的频率，两侧信号中无用一侧的波可用一种高损耗介质吸收，另一侧的SAW传播至接收IDT，借助于正压电效应可以将SAW转换为电信号输出。主要结构2，叉指换能器：工作原理悬臂梁敏感元件静电力模型工作原理 加速度a作用在悬臂梁自由端的敏感质量m上，产生集中作用力F=ma，石英悬臂梁在F作用下，上下两个表面产生的应变分别为：

纵向形变 横向形变工作原理 SAW加速度计敏感元件是SAW谐振器(SurfaceAcousticWaveResonatorSAWR)。SAWR由IDT及SAW反射器构成。 SAWR的谐振频率f为

是SAW传播速度， 为SAW波长。工作原理悬臂梁上SAWR有效谐振腔的平均应变为：工作原理

加速度惯性力F加载SAWR基片会改变SAWR的叉指中心距d,引起SAW速度Vs和SAWR谐振频率f的变化。

工作原理 集中载荷F作用于石英梁上SAWR所导致的谐振频率及其变化量分别为：工作原理

工作原理 为了补偿或抑制温度等其他共模干扰，将悬臂梁上、下表面SAWR输出频率混频，滤波取出差频信号，有 通过检测上面这个，并利用和a的关系，即可测量出当前的加速度了。主要误差源 一方面，加速度计本身结构不完善；

另一方面，与加速度计工作环境和工作条件有关。

在影响SAW加速度计精度的各种环境因素中，温度影响不容忽略，它是SAW加速度计误差的主要来源。 温度变化分为外环境温度变化和SAW加速度计工作发热导致自身温度变化。 具体地说，温度变化对SAW加速度计的内部结构参数、力敏元件的应力分布状态和材料密度、结构尺寸都有影响。

主要误差源 SAW加速度计受温度影响的主要因素有四部分：

(1)温度变化对压电材料的影响；

(2)温度变化对SAW谐振器的影响；

(3)温度变化对SAW振荡电路的影响；

(4)温度变化对声速也会有影响。应用前景1，至今战略导弹上广泛使用的加速度计还是基于机械摆和陀螺原理的液浮、气浮两大类加速度计。这些传统仪表有转动部分，体积大、成本高、可靠性差，而声表面波加速度计消除了转动部分，实现了固态化、高精度、高灵敏度 (),体积和重量很小，是现有加速度计的有力竞争者。注：传统上说的高精度为高达应用前景应用前景2，导航与火箭的遥测系统的精度直接影响弹箭的控制过程，而传感器本身的精度对遥测系统的精度起决定性作用。声表面波加速度计高精度的特点最能满足这一要求。更为重要的是由于声表面波加速度计宽频带输出、抗干扰能力强，利于进行计算机处理，实现扩频多址数据传输。如果用声表面波加速度计代替模拟量输出的加速度计，