一种声表面波传感器件设计方法及应用系统

本发明属于环境检测领域，具体涉及一种声表面波传感器件设计方法及应用系统。

背景技术：

1、声表面波（surface acoustic wave, saw）传感器以其独特的优势，如无线、无需外部电源供电等特性，成为了研究的热点。saw传感器通过在压电材料表面利用声波传输信号，实现温度等物理量的检测。它们通常采用叉指换能器（interdigital transducers，idts）来激发和检测声表面波，延迟线型和谐振器型结构是两种基本的形式。其中，谐振器型saw传感器因其高q值，被广泛应用于无线检测，由于温度的变化会影响saw在压电材料中的传播速度，进而改变传感器的谐振频率。如果传感器和配套的天线系统无法保持频率同步，可能会导致信号传输失败。因此，saw传感器的设计需要精细调整，以确保在整个工作温度范围内都能维持稳定的性能。传统的设计方法依赖于经验公式和试错法，这种方法不仅效率低下，而且难以保证设计的最优化。

2、随着微电子技术和材料科学的发展，saw传感器的设计开始引入有限元分析（finite element method，fem）和边界元方法（boundary element method， bem），这些数值分析方法能够对saw器件的电磁特性和力学行为进行精确仿真，从而指导传感器的设计。然而，fem/bem方法虽然精度高，但计算成本昂贵，尤其是在进行多参数优化时，需要大量的计算资源和时间。

技术实现思路

1、为了解决上述问题，本发明提供了一种基于多物理场耦合与分布式全局搜索的声表面波传感器件设计方法，根据goal函数得出端口器件网络的完整结构模型，并引入assmt函数评估符合条件的优化解，以此来进行机会抉择，最终得出声表面波传感器件的设计结果，呈现出精确、便捷和节约的优点，对声表面波传感器件设计具有较强的应用价值。

2、为了实现上述发明目的，本发明采用技术方案具体为：一种基于多物理场耦合与分布式全局搜索的声表面波传感器件设计方法，包括如下步骤：

3、s10、给定多物理场耦合参数，对指条信息集合，其中指条对数，重叠孔径，指条排列周期，膜厚，以及反射栅信息集合，其中反射栅周期 ，反射栅对数，将每一组saw器件结构信息归纳为同一列向量的解，其中。

4、s20、将耦合参数带入目标方程以求得端口网络的各个模块参数，连接各个模块参数形成完整的结构模型。

5、s30、分布式全局搜索提取结构模型中重要特征点作为优化目标，定义评估函数选择符合优化目标的解。

6、s40、根据评估值进行机会抉择，将全局搜索后的最优结果记录为最终输出参数。

7、进一步的，所述s20包括如下步骤：

8、s21、首先将耦合参数解代入关系式

9、=   (1)

10、其中为线性拟合参数，为一组渗透深度参数，为一组saw反射参数。定义采样频率为f(q)，为器件中心频率，q为采样点数。

11、         (2)

12、其中为idt器件长度组，为反射栅器件长度组。

13、s22、根据耦合参数解进行idt模块连接，idt的模型可由两个声物理场和一个电物理场组成，两个声物理场分别取=0与=处，假设声波从=0处传播至=处为正方向，则从=处传播至=0为声波传播的负方向，即可得关于声波传播方向的两个声物理场公式，其中的参数下标表示saw的传播方向。

14、     (3)

15、     (4)

16、令得

17、    (5)

18、将和用|c|来表示，并使用欧拉公式可将上式化简为

19、     (6)

20、s23、其中为频散关系，可由与表示为：

21、       (7)

22、即可用式(6)的goal函数来表示两处声物理场的idt的模型，与表示反射系数和激励效率。然后再将结构解带入静态电容，可得一组正相关式，单位周期静态电容组用于计算电物理场idt的goal函数。

23、     (8)

24、s24、然后再将左右两侧反射栅与idt模型连接，左右两侧反射栅系数可由下式表示：

25、      (9)

26、其中，将其与idt模型连接形成完整的结构模型，根据结构模型求出器件的导纳特性组为

27、     (10)

28、进一步的，所述s30包括如下步骤：

29、s31、依据分布式全局搜索建立器件评价模型，通过评价模型优化器件性能指标，由导纳特性组得出曲线。设置最大全局搜索次数为h，根据采样频率f（q）划分重要特征点，将采样频率f（q）所对应的的值记为，将重要特征点放入特征集合，所对应的特征值集合为，a用于划分特征区间。

30、      (11)

31、s32、设特征值所寻求优化的阈值为t，所设评估函数为

32、     (12)

33、然后记录特征集合中大于寻求优化阈值t的特征值索引，将索引映射的评估值赋值为，反之则将其赋值为，由此可以记录每个特征值评估值大小得到一组评估组。根据不同的特征值区间可设置不同的优化阈值，用于优化器件的性能。

34、进一步的，所述s40包括如下步骤：

35、s41、首先进行分布初始化，在动态空间中生成解，将初始节点需要传播信息的种类记为问题的维度，依据下式初始化解为：

36、(  )        (13)

37、其中限定解的范围为∈(， )，=(0, 1,…dp)，dp为需要解决的问题数量。

38、s42、计算节点中新个体传播信息的解，由于节点之间存在正反馈，节点不同的个体会智能地向附近的个体传播信息，因此可以使得信息在节点之间传播更新，依据此可得新解的产生方式为：

39、     (14)

40、其中表示传播信息的个体不能为同一个体，而节点搜索范围满足。

41、s43、根据所求评估值进行机会抉择，选择评估高的解为可靠的解，可靠的解被节点选中进行信息传播的机会高，由此可得每个解被选中的机会为：

42、     (15)

43、s44、在机会抉择后需要对每个解更新程度进行监测，记录每个解的更新次数为bas，一旦解在达到传播阈值limt后仍未更新，那么就将原解丢弃，选择新的节点个体对信息进行传播。

44、       (16)

45、其中，根据最大全局搜索次数h进行循环，由此寻找最优解，最后记录全局最优解与最优特征值，即可得全局搜索寻优后的saw传感器件设计参数与器件性能。

46、本技术还提供了一种温度检测收发系统，包括发射通路、接收通路、温度采集模块、转换开关、微控制器模块、收发天线、阅读器以及显示模块，所述温度采集模块包括使用上述设计方法设计获得的谐振型声表面波传感器与天线。

47、进一步的，所述声表面波温度传感器包括两个反射栅、压电基片、叉指换能器、两个收发天线，两个所述收发天线连接至叉指换能器电极两端。

48、与现有技术相比，本发明的有益效果为：

49、本方法根据多物理场耦合与分布式全局搜索方法综合考虑全局最优和局部最优，通过分布式全局搜索思想降低了人为设计saw器件时的经验试错成本以及设计复杂度，对于目标优化结果，本发明能够提供多种可靠的参考方法，为实际设计器件时提供更优化性能和更多的选择。