CN100593700C - 一种saw压力传感器及其传感器部分的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种SAW压力传感器，其特征在于：它包括传感器和无线读出电路两个部分，传感器包括一采用硅材料制成的衬底，将衬底的背面中间减薄成膜结构，膜结构为衬底的高形变区，其余部分为衬底的固定端；衬底的正面覆盖有压电材料薄膜，在压电材料薄膜上对称设置有两组SAW元件，SAW元件包括一射频换能器，一反射器和一消声器，每组SAW元件分别相应一个频率；射频换能器位于衬底的固定端，反射器位于衬底的高形变区，消声器位于射频换能器和反射器连线的延长线上；无线读出电路包括射频系统和处理系统，用于无线读出传感器的压力。本发明利用SAW元件，实现了无源无线的压力测量，并且具有制作简单，适应温度范围广，抗电磁干扰能力强的特点。

Description

一种SAW压力传感器及其传感器部分的制作方法

技术领域

本发明涉及一种压力传感器，特别是关于一种无线无源的汽车轮胎SAW(声表面波)压力传感器及其传感器部分的制作方法。

背景技术

由于汽车轮胎的特殊性，通常的传感器受限于连线，无法测量汽车轮胎压力。因此，要求应用于汽车胎压测量的传感器具有可无线读出测量结果的功能。此外，由于用于汽车轮胎压力测量的传感器工作环境的密闭性，不可能经常更换传感器的电池，这就要求尽可能地降低传感器的功耗。传统的无线传感器系统包括有源器件、射频电路等高功耗电路，在采用电池供电的情况下，不适合进行长时间工作。近年来，为解决上述问题，出现了一些基于SAW元件，并利用共振原理或者测量负载原理的无源器件传感器。但这些传感器测量灵敏度低，结构复杂，不适合进行大量程范围内的精确测量和大规模工业生产。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的是提供一种用于汽车轮胎压力测量，并且灵敏度高，制作工艺简单的SAW压力传感器及其传感器部分的制作方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种SAW压力传感器，其特征在于：它包括传感器和无线读出电路两个部分，所述传感器部分包括一采用硅材料制成的衬底，将所述衬底的背面中间减薄成膜结构，所述膜结构为所述衬底的高形变区，未被减薄的部分为所述衬底的固定端；所述衬底的正面覆盖有压电材料薄膜，所述压电材料薄膜上对称设置有两组SAW元件，所述SAW元件包括一射频换能器，一反射器和一消声器，每组所述SAW元件分别响应一个频率；所述射频换能器位于所述衬底的固定端，且所述射频换能器连接一天线；所述反射器位于所述衬底的高形变区，所述反射器和射频换能器之间的所述压电材料薄膜形成SAW延时线；所述消声器位于所述射频换能器和反射器连线的延长线上；所述无线读出电路部分包括一射频系统和一处理系统，所述射频系统包括一本地震荡器，所述本地震荡器分别连接一频率综合器和一混频器，所述频率综合连接一功率放大器，所述功率放大器分别连接一发射天线，所述混频器连接一低噪声放大器，所述低噪声放大器连接一接收天线；所述处理系统包括一数字信号处理器、一高速采样器和一中频滤波器，所述数字信号处理器分别连接所述频率综合器和所述高速采样器，所述高速采样器连接所述中频滤波器，所述中频滤波器连接所述混频器。

所述膜结构的厚度至多为所述衬底厚度的1/4。

所述射频换能器为铝金属形成的交叉单元，所述反射器为封闭梯状结构。

从所述功率放大器输出端引出一个泄露信号，经过180度相移，匮入到所述混频器。

所述无线读出电路采用直接频率合成技术构成频率综合系统，一个所述无线读出电路支持多个所述传感器部分测量，不同的所述传感器部分采用不同的频率组区分，并采用频分多址接入方式。

一种如上所述的SAW压力传感器中传感器部分的制作方法，其包括以下步骤：1、采用一片<100>晶向双抛硅片作为衬底，硅片的厚度约为200微米；2、在硅片的上下表面淀积氮化硅；3、光刻氮化硅窗口，利用各向异性硅腐蚀硅片形成硅杯结构，腐蚀后的圆形膜厚度约为50微米，腐蚀完成后去掉氮化硅；4、在硅片上淀积压电材料氧化锌，形成压电材料薄膜；5、在氧化锌上涂光刻胶，在光刻胶上覆盖做有SAW元件图形的掩模板，对光刻胶曝光、显影，最后溅射铝、去胶，这样就在氧化锌上光刻形成铝材料的SAW元件。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点：1、本发明通过传感器部分中的射频换能器和无线读出电路中的射频系统接受和发射电磁波，从而实现了无源无线的压力测量。2、本发明采用压电材料薄膜和双频处理办法，使得压力传感器的灵敏度高，测量范围大。3、由于本发明的传感器部分采用硅材料作为衬底，并且传感器部分不对电磁信号进行放大、滤波等操作，因此使得本发明具有耐高温，抗电磁辐射等特点，可以应用在恶劣环境中。4、由于本发明没有传统集成电路中的复杂工艺过程，并且传感器部分结构和制作工艺简单，因此生产成本低。

附图说明

图1是本发明的传感器部分俯视图

图2本发明的无线读出电路部分原理框图

图3是图1的剖视图

图4是本发明的射频换能器结构示意图

图5是本发明的反射器结构示意图

图6本发明的传感器部分工作原理示意图

图7a～e是本发明的传感器部分制作工艺流程图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。

如图1、图2所示，本发明包括传感器和无线读出电路两个部分。

如图1、图3所示，本发明的传感器部分包括一采用硅材料制成的衬底1，在衬底1的背面中间腐蚀出一个圆形空腔即硅杯。这样衬底1上被减薄的部分形成一圆形膜2，圆形膜2的厚度至多为衬底1厚度的1/4，该圆形膜2为衬底1的高形变区，衬底1上其余部分为固定端。衬底1的正面覆盖有压电材料薄膜3，在压电材料薄膜3上对称设置两组SAW元件，每组SAW元件包括一射频换能器4，一反射器5和一消声器6，每组SAW元件分别响应一个频率f₁、f₂。射频换能器4可将特定频率的射频无线电波转化为声表面波或将该频率的声表面波转化为射频电波。射频换能器4位于衬底1的固定端，射频换能器4连接一天线(图中未示出)，用来实现电磁波的接收和发射，从而实现与无线读出电路的通信。反射器5位于衬底1的圆形膜2上，反射器5和射频换能器4之间的压电材料薄膜3形成SAW延时线。消声器6位于射频换能器4和反射器5连线的延长线上，它能够吸收声表面波，作用是消除多次反射波的干扰。如图4所示，射频换能器4为铝金属形成的交叉单元。如图5所示，反射器5为封闭梯状结构。

如图2所示，无线读出电路部分包括射频系统7和处理系统8。射频系统7包括一本地震荡器71，由本地震荡器71产生两个测量频率的信号，经过频率综合器72处理和功率放大器73放大后，被发射天线74发射，经射频换能器4上的天线拾取后产生电磁回波。无线接收天线75接收反射回来的电磁回波信号，经低噪声放大器76放大后输入混频器77，混频器77将放大后的回波混频至中频信号。处理系统8包括一数字信号处理器81(DSP)、一高速采样器82和一中频滤波器83。中频信号经过中频滤波器83和高速采样器82后被送回至DSP，DSP采用快速傅里叶变换(FFT)的方法进行滤波处理，并测量两个测量频率的信号的相位，通过联合这两个频率上信号的相位，由DSP计算出形变，最后计算出压力。在无线读出电路中，从发射天线74发射的信号会直接匮入接收天线75，另外，发射的电磁波还可能被其它障碍物反射形成杂波回声，这些都会对测量造成干扰。因此，从功率放大器73的输出端引出一个泄露信号，经过180度相移，匮入到混频器77，以补偿掉干扰。

本发明的无线读出电路采用直接频率合成(DDS)技术构成频率综合系统，一个无线读出电路支持多个传感器部分测量，不同的传感器采用不同的频率组区分，并采用频分多址接入方式，不同的频率组中两个频率的差值为恒定常数。同时，为了避免多个无线读出电路的相互干扰，采用间歇式工作方式，尽量降低对无线电波频率资源的占用。

本发明的原理是利用声表面波的传播反射理论和压电效应测量材料的弹性形变，从而间接计算出传感器部分所受压力。本发明由无线读出电路部分发射电磁波，传感器部分的射频换能器4接收到电磁波，将特定频率的电磁波转换为声表面波，声表面波在SAW元件的衬底1上传播，遇到反射器5反射回射频换能器4，射频换能器4再将其转换为电磁回波，接收天线75接收到电磁回波，无线读出电路通过测量电磁回波相位差计算出声表面波的传播距离。当有压力作用时，SAW元件发生形变，造成声表面波的传播距离发生变化，从而造成电磁回波的相位发生变化。无线读出电路通过计算相位的变化计算出SAW元件的形变，进而计算出传感器部分所受压力。下面通过一个实施例具体说明本发明的原理。

如图6所示，当有压力P作用在衬底1的压电材料薄膜3上时，压电材料薄膜3产生型变。在厚度为h，半径为R的圆形膜2上，距离圆心为r的点其径向应变ε_r为：

${\mathrm{\&epsiv;}}_r=\frac{3P\left({1-v}^2\right)}{8{\mathrm{Eh}}^2}(R^2-3r^2),$

其中P为传感器部分所受的压力，E为材料杨氏模量，v为泊松比，r为圆形膜内任意一点距离圆心的距离。因此，圆形膜2上的反射器5和射频换能器4间长度总变化为：

$\mathrm{\&Delta;R}=\frac{\sqrt{3}P\left({1-v}^2\right)}{24{\mathrm{Eh}}^2}{R}^3.$

当射频换能器4接收到电磁波后，将其转化为声表面波，沿直线传播到反射器5，被反射回射频换能器4，并转换为电磁波，被无线读出电路接收。在这一过程中，声表面波的总行程为2(R+ΔR)，若声表面波波速为v，频率为f，则射频换能器4的反射波相比入射波，相位变化2πf(R+ΔR)/v。通过测量电磁波的相位变化，计算出ΔR，将其代入上述公式，即可计算出传感器部分所受压力的P。

上述测量过程中，存在着一个严重的问题。由于余弦函数是一个多值函数，因此，在上述测量过程中，一个相位变化对应着多个膜的形变，这些形变值相差半波长的整数倍。也就是说，当可能的形变范围大于所用频率生表面波的半波长时，会使得测量结果不可分辨，造成测量的模糊。为了解决上述问题，传感器部分采用两个频率的信号同时测量形变。假设频率为f₁的电磁波测量的相位变化为φ₁，则

${\mathrm{\&phi;}}_1=2\mathrm{\&pi;}\frac{f_1(R+\mathrm{\&Delta;R})}{v},$

同理，频率为f₂的电磁波测量的相位变化为

${\mathrm{\&phi;}}_2,{\mathrm{\&phi;}}_2=2\mathrm{\&pi;}\frac{f_2(R+\mathrm{\&Delta;R})}{v}.$

假设两个频率之差为Δf＝f₁-f₂，测量出两个不同频率的相位差，可得

${\mathrm{\&phi;}}_1-{\mathrm{\&phi;}}_2=2\mathrm{\&pi;}\frac{\mathrm{\&Delta;f}(R+\mathrm{\&Delta;R})}{v}.$

由此可见，在这种情况下，测量的最大可分辨形变变为v/2Δf。若两个频率相差不是很大，即Δf较小，则可分辨的形变大大增加，解决了测量范围过小的问题。在实际过程中，电磁波的传播还会造成一定的相位变化，但由于电磁波波速很快，这个相位变化对比于声表面波的相位变化可忽略不计。

本发明的传感器部分的制作方法为：

1、如图7a所示，采用一片<100>晶向双抛硅片7作为衬底1，硅片7的厚度约为200微米。

2、如图7b所示，在硅片7的上下表面淀积氮化硅8。

3、如图7c所示，光刻氮化硅8窗口，利用各向异性硅腐蚀硅片7形成硅杯结构，腐蚀后的圆形膜2厚度约为50微米，腐蚀完成后去掉氮化硅8。

4、如图7d所示，在硅片7上淀积压电材料氧化锌9，形成压电材料薄膜3。

5、如图7e所示，在氧化锌9上涂光刻胶，在光刻胶上覆盖做有SAW元件图形的掩模板，对光刻胶曝光、显影，最后溅射铝、去胶，这样就在氧化锌9上光刻形成铝材料的SAW元件。

上述实施例中，硅杯可以是圆形、椭圆形、方形或正多边形等其他形状。

尽管为说明目的公开了本发明的较佳实施例和附图，其目的在于帮助理解本发明的内容并据以实施，但是熟悉本领域技术的人员，在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，可作各种替换、变化和润饰。因此，本发明不应局限于最佳实施例和附图所公开的内容，本发明的保护范围以所附的权利要求书所界定的范围为准。

Claims (8)

1、一种SAW压力传感器，其特征在于：它包括传感器和无线读出电路两个部分，所述传感器部分包括一采用硅材料制成的衬底，将所述衬底的背面中间减薄成圆形膜结构，所述膜结构为所述衬底的高形变区，所述衬底的未被减薄部分为固定端；所述衬底的正面覆盖有压电材料薄膜，所述压电材料薄膜上对称设置有两组SAW元件，所述SAW元件包括一射频换能器，一反射器和一消声器，每组所述SAW元件分别响应一个频率；所述射频换能器位于所述衬底的固定端，且所述射频换能器连接一天线；所述反射器位于所述衬底的高形变区，所述反射器和射频换能器之间的所述压电材料薄膜形成SAW延时线；所述消声器位于所述射频换能器和反射器连线的延长线上；

所述无线读出电路部分包括一射频系统和一处理系统，所述射频系统包括一本地震荡器，所述本地震荡器分别连接一频率综合器和一混频器，所述频率综合连接一功率放大器，所述功率放大器分别连接一发射天线，所述混频器连接一低噪声放大器，所述低噪声放大器连接一接收天线；所述处理系统包括一数字信号处理器、一高速采样器和一中频滤波器，所述数字信号处理器分别连接所述频率综合器和所述高速采样器，所述高速采样器连接所述中频滤波器，所述中频滤波器连接所述混频器。

2、如权利要求1所述的一种SAW压力传感器，其特征在于：所述膜结构的厚度至多为所述衬底厚度的1/4。

3、如权利要求1所述的一种SAW压力传感器，其特征在于：所述射频换能器为铝金属形成的交叉单元，所述反射器为封闭梯状结构。

4、如权利要求2所述的一种SAW压力传感器，其特征在于：所述射频换能器为铝金属形成的交叉单元，所述反射器为封闭梯状结构。

5、如权利要求1或2或3或4所述的一种SAW压力传感器，其特征在于：从所述功率放大器输出端引出一个泄露信号，经过180度相移，匮入到所述混频器。

6、如权利要求1或2或3或4所述的一种SAW压力传感器，其特征在于：所述无线读出电路采用直接频率合成技术构成频率综合系统，一个所述无线读出电路支持多个所述传感器部分测量，不同的所述传感器部分采用不同的频率组区分，并采用频分多址接入方式。

7、如权利要求5所述的一种SAW压力传感器，其特征在于：所述无线读出电路采用直接频率合成技术构成频率综合系统，一个所述无线读出电路支持多个所述传感器部分的测量，不同的所述传感器部分采用不同的频率组区分，并采用频分多址接入方式。

8、一种如权利要求1～7所述的SAW压力传感器中传感器部分的制作方法，其包括以下步骤：

1)采用一片<100>晶向双抛硅片作为衬底，硅片的厚度约为200微米；

2)在硅片的上下表面淀积氮化硅；

3)光刻氮化硅窗口，利用各向异性硅腐蚀硅片形成硅杯结构，腐蚀后的圆形膜厚度约为50微米，腐蚀完成后去掉氮化硅；

4)在硅片上淀积压电材料氧化锌，形成压电材料薄膜；

5)在氧化锌上涂光刻胶，在光刻胶上覆盖做有SAW元件图形的掩模板，对光刻胶曝光、显影，最后溅射铝、去胶，这样就在氧化锌上光刻形成铝材料的SAW元件。

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