一種用于液體多參數(shù)傳感的樂甫波器件結(jié)構(gòu)及檢測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種聲波器件，尤其涉及一種用于液體多參數(shù)傳感的樂甫波器件結(jié)構(gòu)及檢測(cè)方法，屬于新型傳感器領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]液體傳感器主要用于對(duì)液體本身特征參數(shù)的檢測(cè)，通常包括密度、粘度兩種機(jī)械參數(shù)和介電常數(shù)、電導(dǎo)率兩種電學(xué)參數(shù)的測(cè)量(在某些特殊的情況下，還需要測(cè)量液體的體積彈性模量)。液體檢測(cè)不僅關(guān)注液體某單個(gè)特定的特征參數(shù)，還希望能夠并行檢測(cè)液體的多個(gè)特征參數(shù)。在科學(xué)技術(shù)尤其是信息科學(xué)技術(shù)日新月異發(fā)展的今天，無線傳感技術(shù)成為傳感器領(lǐng)域的發(fā)展趨勢(shì)和研宄熱點(diǎn)。在液體檢測(cè)領(lǐng)域，無線傳感也是大勢(shì)所趨。對(duì)于諸如生物醫(yī)學(xué)、食品安全、環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域的批量液體試樣檢測(cè)，具有無線功能的液體傳感器更是大受青睞。
[0003]聲波傳感器是一種新型諧振式傳感器。聲波傳感器以壓電材料作為敏感器件，利用壓電效應(yīng)，通過叉指換能器在壓電基片上激發(fā)出彈性波，主要根據(jù)聲波的傳播特性隨被測(cè)對(duì)象變化來實(shí)現(xiàn)檢測(cè)功能。在閱讀器和天線的配合下，聲波傳感器在無線傳感的同時(shí)也不需要電源。聲波傳感器最引人注目的便是其無線功能和無源本質(zhì)。
[0004]通常來說，聲波傳感器可分為聲表面波傳感器、聲板波傳感器、樂甫波傳感器三種類型。其中，樂甫波傳感器最適于液相檢測(cè)。并且，由于樂甫波器件只存在水平剪切方向的振動(dòng)位移，與沿傳播方向存在振動(dòng)位移的聲表面波和聲板波器件相比，液體的體積彈性模量不影響樂甫波的傳播特性，在測(cè)量液體密度、粘度、介電常數(shù)、電導(dǎo)率時(shí)，消除了液體體積彈性模量對(duì)測(cè)量結(jié)果的耦合影響。
[0005]聲波傳感器用于液體檢測(cè)時(shí)，與溫度、壓力、氣體等待測(cè)對(duì)象相比，液體的出現(xiàn)會(huì)導(dǎo)致聲波信號(hào)的明顯衰減。這在有源有線的測(cè)試方法中不會(huì)造成太大影響，但在用于無線傳感時(shí)需要采取各種有效的方法來增強(qiáng)信號(hào)強(qiáng)度。通常的樂甫波器件是在聲表面波器件結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，在壓電基片上再濺射一層非壓電薄膜作為波導(dǎo)層。由于波導(dǎo)層的非壓電特性，導(dǎo)致機(jī)電耦合系數(shù)減小，激發(fā)出的樂甫波信號(hào)也明顯較微弱，很難用于無源無線液體檢測(cè)。
[0006]發(fā)明專利《聲板波虛擬陣列傳感器系統(tǒng)及基于該系統(tǒng)的液體檢測(cè)方法》(公開號(hào):101806776A，公開日:2010-08_18)。該發(fā)明專利基于聲板波自身的頻散特性，對(duì)于同一個(gè)聲板波器件，可通過改變激發(fā)頻率得到多個(gè)聲板波模態(tài)，各個(gè)模態(tài)敏感液體時(shí)具有各不相同的頻移和衰減，從而可將每個(gè)模態(tài)看作一個(gè)單獨(dú)的虛擬器件，由此提出了通過聲板波虛擬陣列器件來并行敏感液體多特征參數(shù)的思路。雖然采用虛擬陣列器件的思想來并行檢測(cè)液體特征參數(shù)時(shí)，所需實(shí)際器件數(shù)量大大減小。但迄今為止，還無法僅用一個(gè)聲波器件來實(shí)現(xiàn)對(duì)液體密度、粘度、介電常數(shù)、電導(dǎo)率的同時(shí)并行敏感。采用多個(gè)器件進(jìn)行測(cè)量時(shí)，測(cè)量條件的一致性無法完全保證，從而存在著測(cè)量結(jié)果的不確定性，在無線測(cè)量時(shí)尤為如此。與此同時(shí)，多個(gè)器件測(cè)量還存在著測(cè)量方法的繁瑣性和后續(xù)信號(hào)處理的復(fù)雜性等問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供一種用于液體多參數(shù)傳感的樂甫波器件結(jié)構(gòu)及檢測(cè)方法，僅用一個(gè)樂甫波器件實(shí)現(xiàn)液體密度、粘度、介電常數(shù)和電導(dǎo)率的并行檢測(cè)，能夠消除液體的體積彈性模量對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，并且具有無源無線功能。
[0008]本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題采用以下技術(shù)方案:
一種用于液體多參數(shù)傳感的樂甫波器件結(jié)構(gòu)，所述樂甫波器件結(jié)構(gòu)包括壓電基片、壓電薄膜、第一反射柵、第二反射柵、叉指換能器、第一液體敏感區(qū)、第二液體敏感區(qū)；其中，叉指換能器沉積在壓電基片表面中部，第一反射柵、第二反射柵分別沉積在壓電基片表面的左右兩側(cè)，壓電薄膜濺射在壓電基片表面，第一液體敏感區(qū)設(shè)置于第一反射柵與叉指換能器之間，第二液體敏感區(qū)設(shè)置于第二反射柵與叉指換能器之間，在所述第一液體敏感區(qū)和第二液體敏感區(qū)上分別設(shè)置有一個(gè)用于負(fù)載液體試樣的液槽。
[0009]進(jìn)一步的，本發(fā)明的用于液體多參數(shù)傳感的樂甫波器件結(jié)構(gòu)，所述第一液體敏感區(qū)和第二液體敏感區(qū)為不同的界面電學(xué)結(jié)構(gòu)，其中第一液體敏感區(qū)是金屬化電學(xué)結(jié)構(gòu)的液體敏感區(qū)，第二液體敏感區(qū)是自由化電學(xué)結(jié)構(gòu)的液體敏感區(qū)。
[0010]進(jìn)一步的，本發(fā)明的用于液體多參數(shù)傳感的樂甫波器件結(jié)構(gòu)，所述第一液體敏感區(qū)的壓電薄膜表面鍍有一層金屬薄膜。
[0011]進(jìn)一步的，本發(fā)明的用于液體多參數(shù)傳感的樂甫波器件結(jié)構(gòu)，所述壓電基片為36° YX鉭酸鋰，所述壓電薄膜為氧化鋅薄膜。
[0012]進(jìn)一步的，本發(fā)明的用于液體多參數(shù)傳感的樂甫波器件結(jié)構(gòu)，第一反射柵、第二反射柵與叉指換能器的距離各不相同，以確保測(cè)試時(shí)兩個(gè)反射柵對(duì)應(yīng)的回波信號(hào)在時(shí)間上互不干涉。
[0013]進(jìn)一步的，本發(fā)明的用于液體多參數(shù)傳感的樂甫波器件結(jié)構(gòu)，設(shè)第一反射柵與叉指換能器的距離為L(zhǎng)1、第二反射柵與叉指換能器的距離為L(zhǎng)2，則LI與L2的差值應(yīng)大于樂甫波在外部閱讀器發(fā)射的射頻查詢脈沖持續(xù)時(shí)間內(nèi)傳播距離的一半。
[0014]本發(fā)明還提出一種基于上述用于液體多參數(shù)傳感的樂甫波器件結(jié)構(gòu)的檢測(cè)方法，包括如下步驟:
步驟A、將待測(cè)液體試樣分別放置于樂甫波器件結(jié)構(gòu)的第一液體敏感區(qū)、第二液體敏感區(qū)上的液槽內(nèi)，采用外部閱讀器發(fā)射射頻查詢脈沖電信號(hào)，該脈沖電信號(hào)被與樂甫波器件連接的天線接收后進(jìn)入叉指換能器，叉指換能器將該脈沖電信號(hào)轉(zhuǎn)換為第一路樂甫波信號(hào)和第二路樂甫波信號(hào)后分別向器件兩端傳播；
步驟B、第一路樂甫波信號(hào)通過第一液體敏感區(qū)，遇到第一反射柵產(chǎn)生反射，反射信號(hào)再進(jìn)入叉指換能器被轉(zhuǎn)換為第一脈沖回波信號(hào)，經(jīng)天線發(fā)射回閱讀器，獲得所述第一脈沖回波信號(hào)的時(shí)延和幅值，并得到待測(cè)液體密度和液體粘度；
步驟C、第二路樂甫波信號(hào)通過第二液體敏感區(qū)，遇到第二反射柵產(chǎn)生反射，反射信號(hào)再進(jìn)入叉指換能器被轉(zhuǎn)換為第二脈沖回波信號(hào)，經(jīng)天線發(fā)射回閱讀器，獲得所述第二脈沖回波信號(hào)的時(shí)延和幅值，并得到待測(cè)液體介電常數(shù)和液體電導(dǎo)率。
[0015]本發(fā)明采用以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下技術(shù)效果:
1.僅用一個(gè)樂甫波器件實(shí)現(xiàn)液體密度、粘度、介電常數(shù)和電導(dǎo)率的并行檢測(cè)；
2.在測(cè)量時(shí)能消除液體的體積彈性模量對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響； 3.在閱讀器和天線的配合下，具有無源無線功能；
4.采用壓電薄膜作為波導(dǎo)層，與非壓電薄膜相比，機(jī)電耦合系數(shù)增大，激發(fā)出的樂甫波信號(hào)會(huì)明顯增強(qiáng)，更適于無源無線液體檢測(cè)；
5.充分利用了叉指換能器的聲電換能，接收到的回波信號(hào)也會(huì)明顯更強(qiáng)。
【附圖說明】
[0016]圖1是本發(fā)明的樂甫波器件結(jié)構(gòu)縱向剖面示意圖。
[0017]圖2是本發(fā)明的樂甫波器件結(jié)構(gòu)俯視剖面示意圖。
[0018]圖3是本發(fā)明的脈沖回波信號(hào)示意圖。
[0019]上述圖中的標(biāo)號(hào)名稱:1.壓電基片，2.叉指換能器，3.第一反射柵，4.第二反射柵，5.壓電薄膜，6.第一液體敏感區(qū)，7.第二液體敏感區(qū)，8.液體試樣，9.查詢脈沖，10.第一回波信號(hào)，11.第二回波信號(hào)。
【具體實(shí)施方式】
[0020]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明，本技術(shù)領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解的是，除非另外定義，這里使用的所有術(shù)語(包括技術(shù)術(shù)語和科學(xué)術(shù)語)具有與本發(fā)明所屬領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員的一般理解相同的意義。還應(yīng)該理解的是，諸如通用字典中定義的那些術(shù)語應(yīng)該被理解為具有與現(xiàn)有技術(shù)的上下文中的意義一致的意義，并且除非像這里一樣定義，不會(huì)用理想化或過于正式的含義來解釋。
[0021]如圖1、圖2所示，一種用于液體多參數(shù)傳感的樂甫波器件結(jié)構(gòu)。包括壓電基片1、叉指換能器2、第一反射柵3、第二反射柵4、壓電薄膜5、界面電學(xué)結(jié)構(gòu)是金屬化形式的第一液體敏感區(qū)6、界面電學(xué)結(jié)構(gòu)是自由化形式的第二液體敏感區(qū)7。其中壓電基片I所用材料為36° YX鉭酸鋰；叉指換能器2、第一反射柵3和第二反射柵4沉積在壓電基片I表面上，所用材料為鋁(第一反射柵、第二反射柵與叉指換能器的距離各不相同，其距離差應(yīng)大于樂甫波在閱讀器發(fā)射的射頻查詢脈沖持續(xù)時(shí)間內(nèi)傳播距離的一半，以確保測(cè)試時(shí)兩個(gè)反射柵對(duì)應(yīng)的回波信號(hào)在時(shí)間上互不干涉)；壓電薄膜5選用6?處于薄膜平面且與聲波傳播方向垂直的氧化鋅薄膜，濺射在壓電基片I