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流体（空气、水等）的流速是重要的检测参数，其技术重要性涉及许多领域。在流体研究与应用中，流速传感器有着不可或缺的地位。微机电（MEMS）流速传感器由于其小尺寸和低成本特性而备受青睐，但是传统的MEMS器件以硬质材料为基础，难以应对大曲率工作环境，例如飞行器表面的流场测量。这种大曲率工作环境要求传感器能够不干扰原始流场且能够共形贴附。为了解决这一挑战，柔性流速传感器逐渐进入人们的视野。柔性兰姆波器件对于解决传统流速传感器体积大、不便安装、不易集成、响应速度慢等问题有着很大的帮助。综上所述，对自加热的柔性兰姆波器件进行气体流速测量研究对流速传感器发展具有重要意义。
本课题用到的兰姆波器件制作过程如下：采用微纳加工技术，在厚度为 50 μm的铝箔上溅射 5 μm的氧化锌并蒸镀 20 /100 nm的Cr/ Au电极，指间距设计为 32~80 μm。基片左端的IDT通过逆压电效应将输入的电信号转变成声信号，此声信号沿基片表面传播，最终由基片右边的IDT将声信号转变成电信号输出。通过IDT之间的频率响应和传输光谱等实现滤波、传感等功能。该器件的工作原理是间接测量气体流速，通过测量温度来实现。以Al为衬底的兰姆波器件具有高的频率温度系数，因此温度对谐振频率偏移影响较大。我们给器件加上初始温度偏置，当有气体流过器件表面时，会改变热平衡，导致谐振频率偏移，从而检测流速。气体流速越大，器件温度越低，谐振频率越高。
为了使得结构简化，减小传感器厚度，本课题拟采用兰姆波器件微波加热的方式作为热源。在一个器件上刻画 4 个IDT，将IDT1 与IDT2 作为传感单元，两端连接矢量网络分析仪（安捷伦E5061B）测量器件的频率响应频谱，而IDT3 接入一定强度的交变电流作为热源。衬底中介电损耗产生的热量可以加热整个器件，当气流从上方流动，改变器件温度使得IDT1 与IDT2 的频谱发生变化，从而测得气体流速。
（1）研究了兰姆波器件的微波加热效应。首先设计了向兰姆波器件输入功率的射频电路并进行阻抗匹配。测试了在不同输入电压/功率情况下，兰姆波器件温度随时间的变化。兰姆波器件在 5.5 mV输入下温度可达 47.3 ℃，平均加热速率达到了 2.63 ℃/s，平均冷却速率约为 2.88 ℃/s。测试温度变化对器件谐振频率的影响，验证了流速测量的可行性。
（2）进行了柔性兰姆波器件气体流速测量试验，包括灵敏度、响应时间、滞环曲线的测量。在 5.5 mV输入下平均灵敏度为 87 kHz·min/L，增加流速过程中响应时间为 23 s，降低流速过程中响应时间为 19 s，滞环效应不明显。
（3）进行了贴附在曲面环境柔性兰姆波器件气体流速测量试验，包括灵敏度、滞环曲线的测量。贴附于曲面对器件的灵敏度影响不大，但是可能会影响滞环特性。尝试将柔性兰姆波器件应用于呼吸检测。兰姆波器件贴附在人中位置，在呼气时器件谐振频率降低，吸气时谐振频率上升。可以检测呼吸的频率与幅度大小。同时也验证了兰姆波器件在可穿戴设备和医疗领域的应用前景。
（1）兰姆波器件可通过输入RF信号加热，有快速的加热速率和冷却速率，在较低的功率下实现加热。谐振频率的瞬态响应随时间变化，遵循指数关系，与理论分析一致。与其他刚性对应装置相比，柔性装置在响应时间方面表现出显著优势，响应速度至少提高了 9 倍。随着初始温度偏移的增加，灵敏度增加，而响应时间没有显著差异。因为内置自加热的设计，器件在变轻薄的同时减小了滞环。
（2）由于其出色的灵活性，该装置可以完美地符合曲面，而不会干扰原始流场。柔性装置显示出在弯曲状态下工作的能力。弯曲声波装置不会引起流速测量性能的明显恶化，如噪声增加。弯曲产生内应力会使得器件谐振频率下降，但不会影响灵敏度等其他性能，在实际应用中可通过调零的方式消除内应力的影响。
通过本次研究，成功地开发出了一种新型的流速测量方案，为解决大曲率工作环境下的流速测量问题提供了新思路和新方法。它具有两大优势：①自加热设计优势，体现在快速的加热冷却速率、较低功率输入、器件轻薄化、消除滞环；②柔性优势，体现在响应时间短、相比同类刚性器件提升了 9 倍、完美贴附曲面、不干扰原始流场、弯曲状态下性能没有发生明显恶化。
ZnO/ Al兰姆波器件如图 1 所示。
图 1 ZnO/ Al兰姆波器件
高校指导教师：谢 金；企业指导教师：朱可