CN101208584A

CN101208584A - 声波流量传感器

Info

Publication number: CN101208584A
Application number: CNA2006800231902A
Authority: CN
Inventors: J·Z·T·刘; R·阿齐兹
Original assignee: Honeywell International Inc
Current assignee: Honeywell International Inc
Priority date: 2005-04-27
Filing date: 2006-02-21
Publication date: 2008-06-25
Also published as: WO2006115572A3; US7140261B2; EP1883790A2; US20060243064A1; WO2006115572A2

Abstract

公开一种声波流量传感器，其包括传感器基片和被蚀刻在传感器基片上的声波膜片，其中机械应力或应变集中在声波膜片中。一个或几个交指型换能器被配置在声波膜片上，其中传感器基片、声波膜片和交指型换能器组成一个声波流量传感器，使得在交指型换能器和声波膜片暴露于流动中的流体时，流动中的流体使声波膜片经历导致可探测的频率和/或相位变化的机械应力或应变的变化，以便提供流体流量的指示。

Description

声波流量传感器

技术领域

本发明的一些实施例一般涉及流量传感装置和技术。本发明的一些实施例也涉及声波装置，诸如表面声波(SAW)和体声波(BAW)装置等。

背景技术

在各种探测流体(包括气体和液体)数量的流体传感应用中利用流量传感器。能探测流体流量或流体特性的用于这样流体的流量传感器能够例如作为微结构形式硅上传感器完成。为方便又不限制起见，术语“流量传感器”不仅仅指流体(既包括气体又包括液体)的流量，而且也能在热量传感器的环境中执行。读者会认识到，也可以利用这样的传感器测量主要特性，例如温度、导热率、比热和其他特性；以及可以通过强迫的或自然的对流产生流量。

流体或热量型流量传感器一般包括包括一个加热元件和一个或两个接近热接收元件的一个基片。如果使用两个这样传感元件，它们最好安置在加热元件相对于要被测量的流体(液体或气体)流动的方向的上游侧和下游侧。在流体沿基片流动时，它在上游侧被加热元件加热，然后热量被非匀称地传递到在加热元件的任何侧的热接收元件。由于非匀称程度依赖于气体流动的速率以及这个非匀称性能够被电测量，这样的一个流量传感器能够用于测定流体流动的速率和累计数量。

在暴露于粗糙(污染、肮脏、浓缩等)的流体(包括气体或液体)之中时，这样的流量传感器一般面临着潜在的退化问题，这样的流体能通过腐蚀、放射性或细菌引起的污染、过热或冻结“压”传感器。 “粗糙”气体或液体能够压、腐蚀、冻结或过加热传感元件，这样的气体或液体的流量或压力(差分的或绝对的)的灵敏测量所面临的一个挑战就是：或者不能满足，或者需要很大花费才能满足。

从前提出的解决办法中有，带有相关的传感器灵敏度降低的钝化，以传感器信号降低、成本增加和有可能的流体降解为代价的避免浓缩或冻结的加热器(或防止过热的冷却器)，或者除去不适宜颗粒物质的过滤器。传感器的经常清洗或替换是额外的但成本高的解决办法。灵敏的基于薄膜的差分压力传感器能防止污染，因为不牵涉任何流动。但是，除了不耐过压外，它们和热量微传感器相比，不灵敏得多和昂贵得多。

流体或热流量传感器，特别是微桥热流量传感器的另一个问题是，这样的装置具有相对小的动态范围。例如，微桥热流量传感器一般装有消耗大量功率的加热器。所以使这样装置适合无源无线应用是困难的。热流量传感器的另一个问题是，加热会引起不想要的化学成分变化或者损坏流体(例如血液)，特别是在医学应用中。

相信对流量传感器固有问题的解决办法是使用声波装置，例如表面声波传感器等。声波传感器的例子包括如表面声波传感器这样的装置，表面声波传感器能用于探测如化学制品这样的物质的存在。由于起因于它们固有高Q因数的对表面负荷的高灵敏度和低噪声，用作传感器的声波(例如SAW/BAW)装置提供高灵敏探测机理。

表面声波(SAW)装置一般用光刻技术制造，具有放置在压电材料上的梳状交指型换能器(IDT)。SAW装置依靠利用在压电基片表面传播的波，使得这样波的位移幅度在表面下方经历指数衰减。能够在非常薄的膜上制造SAW传感器。弹性材料的理论固有强度一般是比普通形式的这些材料的测量强度大几个数量级。已知这个强度上的减少主要由擦痕这样的表面瑕疵造成。这些表面瑕疵集中了施加的压力，从而导致在比理论最大值低得多的负荷上的裂痕。

多年以来，蚀刻用于例如反向台面型高频基频晶体谐振器的BAW装置的制造。蚀刻曾引进到SAW传感器制造中把传感器的背面蚀刻掉。湿法化学加工工艺中的蚀刻已显示出，它是能够在广泛范围条件下化学抛光石英。在同步地产生改善的表面光洁度的同时蚀刻加工工艺能从重叠的间隔除去大量材料，而没有切割角的偏移。这个加工工艺也能产生具有较大强度的SAW模片，这对许多传感应用来说都是特别重要的。

蚀刻不引进缺陷，但蚀刻的确暴露了缺陷。净化石英为微型机械制造的SAW传感器所需要。净化石英晶片通常无蚀刻沟道。蚀刻沟道是由于杂质在其处分离的位错的结果。同非净化石英相比较，净化石英具有较小的凹坑。也能利用双面抛光晶片构造SAW传感器。例如，抛光的装置可具有增加10倍的机械强度。这在防止过压上是关键的。因为SAW晶片的背面要被蚀刻，所以表面状况在蚀刻表面光洁度上是关键的。蚀刻表面光洁度的质量主要依赖于蚀刻前的表面、蚀刻深度、蚀刻剂选择、蚀刻速度和所用石英的质量。

表面声波装置可以具有或延迟线配置或是谐振器配置。由于被测对象的声学特性改变，对于延迟线表面声波装置(SAW-DL)来说能被解释为延迟时间漂移，或者对于谐振器(BAW/SAW-R)声波装置来说能被解释为频率漂移。

声波传感装置经常依赖于如适于同电子振荡器一起使用的类型这样的石英晶体谐振器部件的使用。因为声波装置高的灵敏度、分辨率和坚固耐用性，它们对流体流量应用是令人注意的。执行的探测机理依赖于压电晶体暴露于气体或流体时的声波弹性特性中的变化。有线测量结果通常作为回路振荡器电路的输出频率被获得，该回路振荡器电路利用声波装置作为反馈元件。

一般说来，现有的SAW流量传感器概念是根据应用于微桥热流量型传感器的相同热质量流理论，微桥热流量型传感器测量由围绕加热器的流动引起的温度分布的位移。现有的SAW流量传感器设计的问题之一是，这样的配置合并了与加热器一起的两个或更多个SAW温度传感器。这样的设计增加传感器尺寸并提高制造成本以及其功率利用率。另外，加热元件的使用引起任何IDT电极和有关的SAW传感部件的老化。

有利用声波传感器测量流动速率的两个其他技术。一个是测量流动感应的切应力。这种声波传感器能够具有起纹理的表面。起纹理的表面有助于增加由流动引起的切应力。另一个技术涉及应用伯努利定律测量两点之间的压力差。

切应力是施加在流管壁上的流动引起的力。这个力依赖于每单位平方面积的单位力。能够从下面的关系计算流动速率：Q＝τA/6μ，其中Q是流体流动速率(米³/秒)，τ是切应力(N/M²)，μ是流体粘度(Nm/s²)，以及A与管的几何形状有关。

流体流动速率的量值线性地依赖于切应力。由于流体粘度和密度是与温度相关的，所以温度变化影响切应力，从而影响流动速率测量。温度对密度的影响通常很小，在温度增加时流体粘度通常增加，所以切力通常减少。根据上述，所希望的是，在同一声波流量传感器的传感器模片上完成声波温度传感器。

发明内容

以下发明概述的提供是为了便于对一些实施例的唯一创新特征的理解，并不意图是一个全面的描述。通过把整个说明书、权利要求书、附图和摘要看作一个整体能获得对实施例的各方面的全面了解。

因此，本发明的一个方面是提供一种改进的流量传感器。

本发明的另一个方面是提供一种并入交指型表面波部件的流量传感器。

现在能够如在这里所描述的那样达到上述的本发明的各个方面以及其他目标和优点。披露一种声波流量传感器，这种声波流量传感器包括一个传感器基片和一个蚀刻在传感器基片上的声波膜片，其中机械应力或应变集中在声波膜片中。一个或几个交指型换能器能够配置在声波膜片上，其中传感器基片、声波膜片和一个或几个交指型换能器组成一个声波流量传感器，使得在交指型换能器和声波膜片暴露于流动中流体时，流动中的流体使声波膜片经历导致可探测的频率变化的机械应力或应变的变化，以便提供该流动中的流体的指示。另外，该流动中的流体使声波膜片经历导致可探测的相位变化的机械应力或应变的变化，以便提供流动中流体的指示。

披露一种新的流体流量传感器设计，这种流体流量传感器设计是基于在表面声波(SAW)装置上流量感应应力的测量，它能用在每个传感器模片或芯片上的一个SAW传感器来实现。在这样的SAW流体流量传感器中，机械应力/应变既影响传播路径长度又影响波速。于是，频率和/或相位上的变化与应变和/或应力相关联。应变和/或应力集中在蚀刻的SAW膜片上，所以最后所得到的蚀刻SAW芯片对于流体流量的探测具有很高的应变和/或应力灵敏度。

附图说明

在附图中，遍及各个视图上的相同的参考数字系指等同的或功能上相同的元件。这些附图引入到说明书中而构成说明书的一部分，还图解实施例，以及同详细描述一起用于解释其中具体体现的原理。

图1表示按照一个优选实施例的一个流量传感器系统的侧视图，这个流量传感器系统包括不在应力下的SAW蚀刻膜片；

图2表示图1上描绘的按照一个优选实施例的一个流量传感器系统的侧视图，这个流量传感器系统具有在应力下的SAW蚀刻膜片；

图3表示图1-2上描绘的按照一个优选实施例的一个SAW传感器的顶视图，这个SAW传感器具有SAW蚀刻膜片；

图4表示一个流量传感器系统的图，这个流量传感器系统能按照一个替换的实施例完成；

图5表示一个SAW传感器的透视图，这个SAW传感器适于图4上描绘系统的情况下使用；以及

图6表示按照一个或几个实施例的流动速率对切力和温度的曲线图。

具体实施方式

在这些非限制性例子中讨论的个别数值和配置能改变，它们只作为举例用于具体说明本发明的至少一个实施例，而不意图用它们去限制本发明的范围。

图1表示按照一个优选实施例的一个流量传感器系统100的侧视图，这个流量传感器系统包括不在应力下的SAW蚀刻膜片106。图2表示图1描绘的按照一个优选实施例的一个流量传感器系统100的侧视图，这个流量传感器系统具有在应力下的SAW蚀刻膜片106。图3表示图1-2上描绘的按照一个优选实施例的一个SAW传感器300的顶视图，这个SAW传感器具有SAW蚀刻膜片106。注意，在图1-3中，一般用等同的参考数字表示等同的或类似的部件或元件。

在图1的配置中，系统100用具有央部分104的管102描绘，其中流体不存在或者不在管102内流动。SAW传感器300也描绘在图1上，其和管102连接或并入又管102。一般说来，图1上用虚线表示的SAW传感器300包括配置在SAW蚀刻膜片106上面的SAW模片110上的一个或几个SAW交指型换能器(IDT)108、109。SAW模片110能够例如作为压电基片形成。

可以利用各种基片材料构成这样的压电基片(即SAW模片110)。可利用例如石英、铌酸锂(LiNbO₃)、钽酸锂(LiTaO₃)、Li₂B₄O₇、GaPO₄、硅酸镧镓(La₃Ga₅SiO₁₄)、ZnO和/或例如铝、镓或Ln(仅举几个例子)的外延生长氮化物构成基片或SAW模片110，随设计考虑而定。注意，虽然这里的例子是指SAW装置，但可知道，SAW传感器300能够在声板模式(APM)部件的意义上完成，而不是SAW部件，当然随设计考虑而定。另外，SAW或APM传感器300能作为谐振器型式的装置或延迟线型式的装置完成。

SAW IDT 108、109能由在SAW模片110的表面上光刻制造的一组或几组穿插的金属电极组成，SAW模片110可以例如作为压电基片构成。SAW IDT 108、109能由一般分成三组的材料构成。第一，SAW IDT 108、109可由金属类材料(例如，Al、Pt、Au、Rh、Ir、Cu、Ti、W、Cr或Ni)构成。第二，SAW IDT 108、109可由例如NiCr或CuAl的合金构成。第三，SAW IDT 108、109可由金属-非金属化合物(例如基于TiN、CoSi₂或WC的陶瓷电极)构成。

在图2的配置中，示出系统100具有在管102的中央部分104内流动的流体，如箭头202所示。SAW传感器300也图示在图2上。然而，在图2的配置中，SAW蚀刻膜片106现在被表示为在由于存在流体流动引起的应力下，流体流动如箭头202所示。在图3上更详细地表示传感器300的实际配置。传感器300包括SAW模片110、SAW蚀刻膜片106和SAW IDT 108。拉力在图2上由箭头204表示。

从图1-3可知道，系统300涉及了在SAW装置或传感器300上的流体流动感应力的测量。例如，只用一个由SAW蚀刻膜片106和SAW模片(即芯片)110上的SAW IDT 108组成的SAW部件就能配置SAW传感器300。在SAW传感器300中，机械应力/应变既影响传播长度又影响波速。频率和/或相位上的变化与应变/应力相关联。应变和/或应力集中在SAW蚀刻膜片106上，使得蚀刻SAW芯片110具有较高的应变/应力灵敏度。

图4表示一个流量传感器系统400的图，这个流量传感器系统能按照一个替换的实施例完成。图5表示一个SAW流量传感器500的透视图，这个SAW流量传感器适于结合图4上描绘系统400一起使用。注意，在图1-5中，等同的或类似的部件或元件一般由等同的参考数字表示。于是，系统400并入了与图1-3描绘的流量传感器300类似的SAW流量传感器500的使用。在图5上更详细地表示SAW流量传感器500。传感器500包括形成在蚀刻SAW膜片106上的SAW IDT 108，该SAW IDT 108与在基片或SAW模片110上的天线502联系。

SAW传感器300和SAW传感器500之间的差别在于，SAW传感器500配置成配备有天线402，该天线402向询问器单元406发射信号和从询问器单元406接收信号，该询问器单元406起发射器/接收器作用，用于无线地向SAW传感器300发射信号和从SAW传感器300接收信号。数据的无线传输在图4上由箭头405大致表示。询问器404也配备一个天线，用于无线地发射和接收数据。当然，SAW流量传感器500起类似于图1-3上描绘的SAW流量传感器300的作用。

图6表示按照一个或几个实施例的流动速率对切力和温度的曲线图600。在曲线图600的配置中，Y轴602绘成代表切应力数据，而X轴608表示成代表流动速率数据的。所以，线604能被画出与温度T1有关，而线606能被画出与温度T2有关。如图600所示，温度T2大于温度T1。曲线图600简单的表明了对于这里揭示的传感器实施例需要温度读数的原因，因为切应力随流动速率和温度的变化而变化。

会理解到，上面揭示的和其他的特征和功能或者它们的替换可以任意地组合成许多其他不同的系统或应用。还有，本领域技术人员可以进行后续的各种当前无法预料或者无法预测的替代、修改、变形、或改进，这些同样包括在后面的权利要求中。

Claims

1.一种声波流量传感器，包括：

传感器基片；

声波膜片，其被蚀刻在所述传感器基片上，其中机械应力或应变集中在所述声波膜片中；以及

至少一个交指型换能器，其配置在所述声波膜片上，其中所述传感器基片、所述声波膜片和所述至少一个交指型换能器组成一个声波流量传感器，使得在所述至少一个交指型换能器和所述声波膜片暴露于流动中的流体时，所述流动中的流体使所述声波膜片经历导致可探测的频率变化的所述机械应力或应变的变化，以便提供所述流动中流体的指示。

2.权利要求1的传感器，其中所述流动中的流体使所述声波膜片经历导致可探测的相位变化的所述机械应力或应变的变化，以便提供所述流动中流体的指示。

3.权利要求1的传感器，其中所述传感器基片包含压电材料。

4.权利要求3的传感器，其中所述压电材料包括下面类型材料中的至少一种：石英、铌酸锂(LiNbO₃)、钽酸锂(LiTaO₃)、Li₂B₄O₇、GaPO₄、硅酸镧镓(La₃Ga₅SiO₁₄)、ZnO和外延生长氮化物。

5.权利要求1的传感器，其中所述至少一个交指型换能器由包含下面类型材料中的至少一种：金属类材料、合金或金属-非金属化合物。

6.权利要求1的传感器，还包括配置在所述声波膜片上与所述至少一个交指型换能器相关联的天线。

7.权利要求6的传感器，还包括询问器单元，所述询问器单元配备有用于发射询问信号到所述声波流量传感器的天线。

8.一种声波流量传感器，包括：

传感器基片，其包含压电材料；

至少一个交指型换能器，其配置在所述声波膜片上，其中所述传感器基片、所述声波膜片和所述至少一个交指型换能器组成一个声波流量传感器，其中在所述至少一个交指型换能器和所述声波膜片暴露于流动中的流体时，所述流动中的流体使所述声波膜片经历导致可探测的频率或相位变化的所述机械应力或应变的变化，以便提供所述流动中流体的指示。

9.一种声波流量传感方法，包括：

提供包含压电材料的传感器基片；

在所述传感器基片上蚀刻声波膜片，其中机械应力或应变集中在所述声波膜片中；以及

在所述声波膜片上配置至少一个交指型换能器，其中所述传感器基片、所述声波膜片和所述至少一个交指型换能器组成一个声波流量传感器；

将所述至少一个交指型换能器和所述声波膜片暴露于流动中的流体，其中所述流动中的流体使所述声波膜片经历导致可探测的频率变化的所述机械应力或应变的变化，以便提供所述流动中流体的指示。