基于压电弯曲板波与频率双峰谐振检测技术的MEMS温度传感器研究

《IEEE Sensors Letters》：Piezoelectric Flexural Plate Wave MEMS Temperature Sensor coupled to a Frequency Doublet Resonance Detection Circuit

　　

摘要：

本文介绍了一种压电弯曲板波（FPW）MEMS 温度传感器，该传感器与一个实现了频率双峰谐振检测（FDRD）技术的定制模拟前端电路相耦合。该 MEMS 器件由一个由硅和氮化铝层制成的 6 × 6 毫米复合膜片组成，金属互指换能器（IDT）激发第一反对称兰姆波模态（A0）下的 FPW。温度变化会影响 FPW 的传播速度，进而影响谐振，从而实现单端口温度传感。FDRD 方法使用由两个频率可变且间隔为固定间隙 Δf 的正弦波形成的扫频频率双峰来激发 IDT，并评估这两个频率下的电导差 ΔG。当双峰中心频率与谐振频率重合时，ΔG 发生零交叉，从而允许检测该谐振。该传感器在 PID 控温热箱中进行了表征，温度范围为 25 至 50°C，同时对于不同的 Δf 值，将双峰中心频率从 12.1 扫频至 12.2 MHz，并检测了谐振频率。测得的谐振频率显示与温度呈线性依赖关系，当 Δf = 5 kHz 时，灵敏度为 -425 Hz/°C。对于不同的 Δf 获得了相似的结果，证实了所提出的 MEMS 温度传感器可以在研究的温度范围内成功地与 FDRD 电路耦合。