CN100338451C - 结合有表面声波器件的压力监测器 - Google Patents
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Abstract
一种压力监测器，其包括具有刚性框架的基座，以及固定在基座上以与基座一起限定了基本上流体密封的腔室的盖子。盖子的至少一部分是柔性的并形成了隔膜，该隔膜可响应于监测器周围的流体压力的变化而偏转，在隔膜上设有凸起，其可将隔膜的运动传递到位于腔室内的可变形衬底上。在可变形衬底安装了第一SAW器件，至少第二和第三SAW器件安装在腔室内，第二SAW器件装在基准衬底部分上，并且其传播方向相对于所述第一和第三SAW器件中的至少一个的传播方向倾斜成一定的角度。这样，由监测器周围区域中的压力变化而引发的隔膜运动导致了可由安装于其上的SAW器件来测量的可变形衬底的变形，不会使所述基准衬底部分产生变形。
Description
技术领域
本发明涉及一种结合有表面声波(SAW)器件的压力监测器。
背景技术
例如在本发明人的英国专利申请GB-A-2352814中已经提出了一种结合有SAW器件的压力监测器。SAW器件用于产生可表示压敏元件的位置的电信号，压敏元件例如为用于将具有基准压力的腔室与承受到可变压力的腔室分隔开的隔膜。本发明涉及一种改进的这类压力监测器。GB 2235533公开了一种压电传感器装置，其中SAW器件安装在弹性隔膜上，该弹性隔膜通过整体刚性组件而在其周边上受到支撑。例如响应于所施加压力的隔膜的位移在压电材料中引发了应变，从而导致SAW器件的特性频率产生相应的变化。然后，采用SAW器件的特性频率的这些变化作为隔膜变形的量度，并因此作为施加于其上的压力的量度。通过将SAW器件安装在隔膜上，该装置就具有非常灵敏的优点。然而，与将隔膜边缘夹紧有关的机械边缘效应会使解译从SAW器件中接收到的信号显著地复杂化。此外，温度的波动会导致SAW器件的特性频率产生变化，这又会影响装置的精度。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种压力监测器，包括：具有刚性框架的基座；固定在所述基座上以与所述基座一起限定了流体密封的腔室的简单盖子，所述盖子的至少一部分是柔性的并形成了隔膜，所述隔膜可响应于所述监测器周围的流体压力的变化而偏转；远离所述框架边缘并用于将所述隔膜的运动传递到位于所述腔室内的可变形衬底上的装置，所述可变形衬底具有安装于其上的第一表面声波器件，以及安装在所述腔室内的不可变形的基准衬底部分上的至少第二和第三表面声波器件，所述第二表面声波器件的传播方向相对于所述第一和第三表面声波器件中的至少一个的传播方向倾斜成一定的角度，所述可变形衬底由单个衬底的第一区域形成，所述基准衬底部分由所述单个衬底的第二区域形成，其中，由所述监测器周围区域中的压力变化而引发的所述隔膜的运动导致了可由安装于其上的表面声波器件来测量的所述可变形衬底的变形，不会使所述基准衬底部分产生变形。
SAW器件可以是谐振器类型的，在这种情况下，SAW器件的变形可通过测量由变形所产生的谐振频率的变化来测得，或者，SAW器件可以是延迟线类型的，在这种情况下，SAW器件的变形可通过测量由变形所产生的延迟特性的变化来测得。因此，监测器所承受到的压力变化可通过观测SAW器件的特性变化来确定。
在本发明的一个特别优选的实施例中，SAW器件被框架支撑，并沿着由刚性框架和盖子所封闭的腔室的长度而延伸。因此，用作隔膜的盖子的变形将导致SAW器件弯曲，并且SAW器件的输出也产生变化。
通过提供具有不同谐振频率的三个SAW谐振器件，并通过分析其中一个SAW器件的变形所产生的频率偏移，就可以得到SAW器件变形的温度补偿表示，因此可以得到隔膜的位移，以及SAW器件的温度表示。这三个SAW器件可以位于共同衬底的同一侧，或者其中两个位于共同衬底的一侧，而另一个位于该共同衬底的另一侧。作为另选，可以提供两个单独的衬底，其中一个带有两个SAW器件(在其同一侧或分别在两侧)，另一衬底带有一个SAW器件。如果提供了一个以上的SAW器件，则应当这样来设置，即一个SAW器件受到源于盖子偏转的应变，而另外两个SAW器件是无应变的，从而为压力和温度的测量提供了基准。其中一个无应变的SAW器件定向成与另一无应变的SAW器件的传播方向形成非零角度，以提供明确的温度信息。
在本发明的优选实施例中，远离框架边缘并用于将隔膜的运动传递给SAW器件的装置包括一个或多个设在盖子上的凸起，其能够在SAW器件的衬底上施压，但不能在SAW器件上施加拉力。可通过形成于盖子材料中的凹陷或通过固定在盖子上的适当部件来提供该凸起或各凸起。
在一个实施例中，腔室气密地密封在基准压力下。基准压力选择成使得当器件处于其将操作的区域内时，器件周围的压力高于基准压力，其结果是，隔膜将朝向基座的内部偏转，并且在其中一个SAW器件上施加作用力。
基座优选为陶瓷的或金属的基座，盖子固定在基座上。
在本发明的一个实施例中，单面SAW器件安装成面朝下方且由基座支撑，同时隔膜凸起从后面施压，第二衬底安装在无应变区域中，并带有两个基准SAW器件(一个用于压力，一个用于温度)。根据本发明的另一实施例，采用双面SAW器件来检测由两个凸起所传递的压力，并且将基准SAW器件安装在腔室内的无应变部位中，以用于提供温度和压力的基准信息。
需要有至少三个SAW器件，其中一个相对于其它两个中的至少一个呈倾斜，以便能够得到温度和压力的测量值。其中两个SAW器件可分别安装在两个衬底的一侧上，或者可安装在一个衬底的相对两侧上。如果提供了两个衬底，则盖子优选包括三个凹部，使得两个衬底均由一个共同的凸脊沿着一条边缘来支撑，并且由各自的凸脊沿着相对的边缘来支撑。衬底优选沿着盖子并排延伸。
可将器件设置成使得两个是有应变的，而一个是无应变的。然后将两个有应变的SAW器件设置成在盖子移动的作用下，一个器件是受压变形，而另一器件是受拉变形。SAW器件可放在共有衬底的相对两侧上，或者放在单独的衬底上。如果采用单独的衬底，那么它们应被设置成使得同时有一个SAW器件受压变形，而一个SAW器件受拉变形。
用作隔膜的盖子优选为金属的合金，例如铁、钴、镍的合金。盖子例如可由科伐合金制成。基座优选由金属合金(例如科伐合金)制成，但也可由任何适当的材料如陶瓷材料制成。
脆性材料的极限拉伸强度不仅取决于其大小和刚性，还取决于先有缺陷的存在。当本发明系统中的SAW器件在操作过程中受弯时，弯曲的外侧表面受拉，而弯曲的内侧表面受压。这样，受拉表面中存在的任何先有缺陷将成为弱化区域，因此可能成为在弯曲时部件的任何失效的初始起源。因此，弯曲时的失效强度将受到部件中的最大先有缺陷的大小的限制。
传统上说，石英平面部件通过磨削和研磨操作来形成，这会导致在其表面上存在有大量的微小缺陷，这些缺陷的大小是磨削和研磨工艺的特征。然后通过抛光来对部件的受压表面进行精整加工，以便帮助将金属沉积于其上而形成SAW器件的各个部件。然而传统上说，出于下述两个原因而没有对受拉表面进行精整加工，首先是因为对部件的两面进行抛光所涉及的附加成本被认为是不必要的，其次是因为已经发现，未抛光表面可在SAW器件的工作期间抑制体波的反射，从而减少因这种反射而造成的附加损失。
因此，已经发现，如果部件的相对两面被抛光以减少表面缺陷的数量和尺寸，就可显著地提高SAW器件的抗弯强度，所述相对两面是金属沉积于其上以形成SAW器件的部件的表面，其中一个表面在使用期间器件弯曲时将会受压，而另一表面在使用期间器件弯曲时将会受拉，所述第一和第二表面都被抛光。
同样，通过对SAW器件的边缘进行抛光以消除因从晶片上切下器件而导致的任何应力集中部位，就可以有利地实现进一步的提高。
本发明的SAW器件可通过使用传统的粘合剂而粘结住，然而已经发现，所得结合的机械性能会降低SAW器件的响应性能和灵敏度。因此，已经发现，可通过焊接来有利地紧固SAW器件，这种焊接可通过在器件衬底的结合面上提供金属化层来实现。焊接具有可显著提高转换器的应变传递和热性能的优点，因此提高了SAW器件的精度和灵敏度。
已经发现，提供由外层是金的多金属涂层所形成的金属化层，然后采用金锡共晶成分的焊料来将SAW器件焊接住，这是特别有利的。
这具有可与金属化层形成良好结合的优点，特别是在多金属涂层被施加在SAW器件的结合面上而其外涂层是金时，这就使得可将SAW器件特别有效地连接到结构件的待测量应力区域上，其原因是金锡合金具有高刚度(68Gpa)和高强度(275Mpa的抗拉强度)，使其可作为良好的应变传递介质。
与传统的带聚合物支撑的箔式应变仪不同，单晶石英是刚性材料(80Gpa)，将应变从例如钢制的结构件成功地传递到石英SAW器件中所需的应力水平必须很高。结果，如果采用传统的应变仪用粘合剂如M Bond 610的话，则在非常低的温度下就会出现蠕变。与之相比，使用金锡合金可在汽车应用中经常会遇到的高达125摄氏度的高温下具有非常低水平的蠕变和滞后。
附图说明
从仅通过示例给出的本发明优选实施例的下述描述中并参考附图，可以更好地理解本发明，其中：
图1A是本发明第一实施例的在装盖子之前的示意图；
图1B是本发明第一实施例的沿着图1A中线1B-1B的示意性剖视图，其中盖子已就位；
图2A是与图1A相对应的示意图，但其显示了本发明的第二实施例；
图2B是本发明第二实施例的沿着图2A中线2B-2B的示意性剖视图，其中盖子已就位；
图3A是与图1A相对应的示意图，但其显示了本发明的第三实施例；
图3B是本发明第三实施例的沿着图3A中线3B-3B的示意性剖视图，其中盖子已就位；
图4A是显示了本发明第四实施例的示意性平面图；
图4B是本发明第四实施例的沿着图4A中线4B-4B的示意性剖视图；
图5A是显示了本发明第五实施例的示意性平面图；
图5B是本发明第五实施例的沿着图5A中线5B-5B的示意性剖视图；
图6A是显示了本发明第六实施例的示意性平面图；
图6B是本发明第六实施例的沿着图6A中线6B-6B的示意性剖视图。
具体实施方式
首先参考图1A和1B，图中示意性显示了压力监测器1，其包括基座2，该基座2具有一起形成了较浅的矩形容器4的刚性框架3A和刚性基座3B。容器4可由任何适当的材料来形成，在本发明的优选实施例中，其由金属材料如科伐合金形成。容器4在其开口端处固定有盖子5，其具有用作隔膜的主表面5A。盖子可由任何适当的材料如科伐合金制成。用于制造基座的材料以及用于制造用作隔膜的盖子的材料均优选为不透气的，并且盖子与基座之间的密封也优选为不透气的。盖子与基座之间的密封可通过任何方便的手段来形成。如果盖子和基座均由适当的金属合金来形成，那么它们之间的密封可通过焊接工艺来形成。当将用作隔膜的盖子5固定到基座4上时，盖子和基座就形成了一个密封腔6。腔6内的绝对压力在制造时根据装置所用于检测的压力状态来确定。例如，如果该装置准备用于监测车辆轮胎内的压力，那么它通常可在具有2-10巴压力的区域内工作，在这种情况下，密封在腔6内的压力在20℃温度下时例如可以为1巴。或者，可将腔6密封成真空，以提供绝对压力读数。
在腔6内安装了一个衬底7，在衬底7上形成有三个SAW器件X，Y，Z，以便提供温度补偿的压力和温度的监测输出。SAW器件例如可以是具有不同谐振频率的SAW谐振器，这样就可利用现有的传统SAW器件查询技术来确定相应SAW器件的谐振频率的变化。
这种设置的优点在于，当在传感器上施加压力时，SAW器件X和Z保持无应变，只有SAW器件Y产生了应变。这大大简化了传感器校准以及从频率测量的结果中计算压力和温度的过程。
实际上，所测得的两个谐振频率之差|fx-fz|仅取决于温度，而不取决于压力，因此可以从|fx-fz|中直接得出温度值。由于器件X和Z均制出于同一衬底上，因此频率之差|fx-fz|仅在器件Z的温度特性与器件X的温度特性不同的情况下才取决于温度。为了实现这种不同的温度特性，使器件Z相对于器件X旋转一定的角度，如图1A所示。温度灵敏度取决于旋转角度。已经发现，处于10-30°、特别是16-20°范围内的角度可以实现特别好的结果。例如，18°的角度可以使ST-X的切割石英衬底具有约2kHz℃-1的灵敏度。
可从所测得的频率之差|fx-fz|中得到压力值。|fx-fz|对压力的灵敏度通常也取决于温度。在已知了这种与校准数据的相关性以及从|fx-fz|中已得知温度的情况下，就可以得到测量压力的全面温度补偿，不需要解算非线性代数方程。
衬底7由基座2支撑，为方便起见其可通过柔性粘合剂固定在基座上。如果采用粘合剂来将衬底固定住的话，粘合剂的柔性应当使得在通过与盖子5形成一体或固定在盖子5上的凸起10来促动衬底7时，衬底7的各端部区域8，9能够自由地移动。因此，即使在中心区域因隔膜的运动而产生应变时，端部区域8，9也是基本上无应变的。
盖子5在其主表面5A的中心处设有由压入盖子到材料中的凹坑所形成的凸起10。凸起10的位置在图1A中以虚线示出。凸起10能够在衬底的中心部位处施加向下的力(如图1B所示)，但不能在端部8，9上施加力。
设置了适当的天线来接收用于各SAW器件X，Y，Z的激励信号，以及从各SAW器件中传递响应信号。天线可设在容器4的外部，在这种情况下必须提供适当的电连接，并使其延伸穿过容器4的材料。或者，可以将天线作为跟踪装置设在容器4的内表面上，或设置在衬底7上的未被SAW器件自身所占据的适当区域上。
在使用中，上述压力监测器设在待监测压力的区域中。根据其能检测到的压力来选择压力监测器，特别是，密封在腔6内的绝对压力选择成使得隔膜可通过在由该器件来检测的区域中占主导地位的压力的作用下而朝向基座3B偏转。隔膜的这种偏转将导致衬底7仅在框架3A的边缘11，12之间弯曲，并因此使中央的SAW器件Y的谐振频率产生变化。SAW器件的谐振频率可通过现有技术来确定，以校准监测器件。
如果器件周围的区域中的压力发生变化，则会导致用作隔膜的盖子5产生运动。压力的增加将导致隔膜朝向基座3B运动，而压力的降低将导致隔膜远离基座3B运动。任一变化都将导致衬底7的弯曲发生变化，并且中央的SAW器件Y的谐振频率产生相应变化。通过监测SAW器件的谐振频率的变化，就可以提供关于压力变化的指示。该装置例如可设在车辆轮胎中，以提供车辆轮胎中的压力损失的远程指示。
图1所示实施例尤其是合乎需要的，这是因为它提供了一个衬底7，因此可以只在一个表面上设置SAW器件。
应当注意的是，本发明的上述实施例制造起来特别简单，并且实质上只包括四个部件，即基座2、衬底7(带有与其相连的SAW器件)、盖子5和适当的天线(未示出)。此外，可采用三个相同的SAW器件来构造该装置，Y和Z器件的不同特性通过它们不同的定向来实现。部件可在工厂中按照简单的逻辑顺序来装配，即天线作为适当的跟踪装置可放在基座2上并且与其相连，最后将盖子5固定在基座上以完成整个装置。简单的装配技术对于将用在例如监测车辆轮胎压力的低成本应用中的大批量生产的装置而言提供了非常实用的优点。生产好的装置是完全齐备的，只需要固定住即可。可通过半熟练的或不熟练的劳动力在工厂环境中将装置固定就位。
在图2所示的第二实施例中，设置了两个衬底20，21来代替图1中的一个衬底7，在下方的无应变衬底21上设置了至少两个SAW器件，其中一个器件如第一实施例中一样相对于另一器件呈倾斜。在其它方面，图2所示实施例的部件的操作与图1所示实施例中的基本上相同。如同图1所示实施例的情况一样，衬底20，21可通过柔性粘合剂而方便地固定住。
在第三实施例(图3)中提供了两个衬底30，31，在上方的有应变的衬底30的相对两侧上设置了两个SAW器件。在其它方面，图3所示实施例的部件的操作与图2所示实施例中的相同，即第三SAW器件以相对于其中至少一个所述有应变器件成一定倾斜角度地设置在无应变的衬底上，从而能得到压力和温度的读数。
现在参考图4，图中显示了本发明的另一实施例。如同图1-3中所示的实施例一样，该装置包括陶瓷或金属材料的容器4。容器4包括刚性框架3A和基座3B。容器的开口被用作隔膜的盖子5封闭，从而形成了密封腔6。在该实施例中，用来检测隔膜5偏转的变化的SAW器件的衬底40固定在隔膜自身上。为此，在隔膜上设置了压入凹坑42，43。凹坑42，43在腔6内形成了凸脊，衬底40例如通过焊接而固定于这些凸脊上。衬底40上已安装了一个或多个SAW器件。另一衬底41安装在腔6的无应变区域上，并带有至少两个另外的SAW器件，使得可提供压力和温度的监测能力。
在图4所示实施例的情况下，用作隔膜的盖子5的由压力变化所引起的变形将直接导致衬底40变形，从而导致安装于其上的SAW器件的谐振频率发生变化。用于SAW器件的天线可通过任何方便的手段来提供，例如设在容器4表面上的导电跟踪装置或穿过容器4到外部天线上的电连接。
图5A和5B显示了本发明的另一实施例，其中三个SAW器件X，Y，Z安装在一个衬底50上，而衬底50仅在一端连接到基座2上，这样就形成了悬臂，该悬臂在沿着衬底长度的某一中间位置点处与隔膜上的凸起10相接合。其中一个SAW器件Y安装在悬臂衬底上的受支撑端与凸起10的接合点之间，而另外两个SAW器件X，Z安装在凸起10的接合点与悬臂的自由端之间，如图5A所示。与上述实施例一样，第三SAW器件Z相对于第二SAW器件X呈倾斜，从而实现了不同的温度特性。
通过凸起来对衬底加载导致了在衬底的受支撑端与凸起接合点之间的第一部分中产生应变，从而导致在第一SAW器件Y中产生压力响应。然而，衬底的凸起10的接合点与衬底自由端之间的第二部分未产生应变，因而提供了一个基准区域—安装于该基准区域上的两个SAW器件X，Z的任何特性变化都仅由温度的变化引起。
图6A和6B显示了图5A和5B所示实施例的一个变型，其中衬底同样仅在一端连接在基座2上，但此时还通过支撑件61在其中间部位处受到支撑，这样就将衬底分成了两个部分，即第一横梁部分和第二悬臂部分，第一横梁部分在基座体与支撑件61之间延伸，并在其上安装了第一SAW器件Y，第二悬臂部分由衬底的悬于支撑件61之上的部分形成，并在其上安装了第二SAW器件X和第三SAW器件Z。如上述实施例一样，第三器件Z相对于第二器件X呈倾斜，如图6A所示。这样，隔膜上的凸起10定位成与衬底的包括有可变形衬底的横梁部分接合，导致第一SAW器件Y仅在隔膜偏转时才会产生应变。支撑件61的设置导致了悬臂部分在凸起10与衬底接合时向上偏转，但保持无应变，从而提供了基准区域。在其它方面，图5和6所示实施例的操作与上述实施例中的相同。当然可以理解，图5和6所示实施例中的第二SAW器件X和第三SAW器件Z可以相反的方式安装在图中所示的位置处。
Claims (10)
1.一种压力监测器，包括：具有刚性框架的基座；固定在所述基座上以与所述基座一起限定了流体密封的腔室的简单盖子，所述盖子的至少一部分是柔性的并形成了隔膜，所述隔膜可响应于所述监测器周围的流体压力的变化而偏转；远离所述框架边缘并用于将所述隔膜的运动传递到位于所述腔室内的可变形衬底上的装置，所述可变形衬底具有安装于其上的第一表面声波器件，以及安装在所述腔室内的不可变形的基准衬底部分上的至少第二和第三表面声波器件，所述第二表面声波器件的传播方向相对于所述第一和第三表面声波器件中的至少一个的传播方向倾斜成一定的角度，所述可变形衬底由单个衬底的第一区域形成，所述基准衬底部分由所述单个衬底的第二区域形成，其中，由所述监测器周围区域中的压力变化而引发的所述隔膜的运动导致了可由安装于其上的表面声波器件来测量的所述可变形衬底的变形，不会使所述基准衬底部分产生变形。
2.根据权利要求1所述的压力监测器，其特征在于，所述单个衬底采用横梁的形式，其在一端处由第一支撑件支撑在所述基座上，并在其长度上的某局部点处由第二支撑件支撑，所述第一区域由所述衬底上的位于所述第一和第二支撑件之间的部分形成，所述第二区域由所述衬底上的伸出到所述第二支撑件之外的部分形成，所述运动传递装置与所述第一区域相接合。
3.根据权利要求1或2所述的压力监测器，其特征在于，所述第一表面声波器件的传播方向平行于所述第三表面声波器件的传播方向。
4.根据权利要求1或2所述的压力监测器，其特征在于，各所述表面声波器件均为表面声波谐振器。
5.根据权利要求1或2所述的压力监测器，其特征在于，各所述表面声波器件具有不同的谐振频率。
6.根据权利要求1或2所述的压力监测器，其特征在于，所述第二表面声波器件定向成使其传播方向相对于所述第三表面声波器件倾斜成一个处于10-30°范围内的角度。
7.根据权利要求1或2所述的压力监测器，其特征在于，所述第二表面声波器件定向成使其传播方向相对于所述第三表面声波器件倾斜成一个处于16-20°范围内的角度。
8.根据权利要求1或2所述的压力监测器，其特征在于，所述第二表面声波器件定向成使其传播方向相对于所述第三表面声波器件倾斜成18°的角度。
9.根据权利要求1或2所述的压力监测器，其特征在于，所有的所述表面声波器件均位于单个衬底的同一侧上。
10.根据权利要求1或2所述的压力监测器，其特征在于，所述表面声波器件分布在单个衬底的两侧上。
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