CN101432966A - 用于感测压力的表面声波异频雷达收发机 - Google Patents

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CN101432966A CNA2007800154421A CN200780015442A CN101432966A CN 101432966 A CN101432966 A CN 101432966A CN A2007800154421 A CNA2007800154421 A CN A2007800154421A CN 200780015442 A CN200780015442 A CN 200780015442A CN 101432966 A CN101432966 A CN 101432966A
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Abstract

本发明涉及一种用于感测压力的表面声波(SAW)异频雷达收发机，更具体地，涉及一种用于感测压力的SAW异频雷达收发机，其包括：与SAW异频雷达收发机相连接的压力传感器，该SAW异频雷达收发机接收施加的射频(RF)信号以产生表面声波(SAW)，并且能通过SAW的振幅变化探测压力的变化。根据本发明，改善了用于感测压力的表面声波(SAW)异频雷达收发机的结构，并且因此外部压力的变化可被有效地探测到。此外，因为外部压力的变化和压力传感器的变化相互之间具有线性关系，所以外部的变化可被轻易地且量化地探测到，并且外部的发送/接收器件可轻易地分析压力信号。

Description

用于感测压力的表面声波异频雷达收发机
技术领域
本发明涉及用于感测压力的表面声波(SAW)异频雷达收发机。更具体地，涉及一种用于感测压力的SAW异频雷达收发机，其中，压力传感器与SAW异频雷达收发机相连接，该表面异频雷达收发机接收施加的射频信号(RF)以产生表面声波(SAW)，并且能通过SAW的振幅变化探测压力的变化。
背景技术
图1是采用表面声波(SAM)的传统表面声波异频雷达收发机的结构示意图。
所述SAW异频雷达收发机具有排列在压电基板1上的多个内部数字异频雷达收发机(inter digital transducer，IDT)金属电极的结构，所述压电基板1由例如具有压电性能的LiNbO3的材料形成，其中，IDT金属电极沿着SAW的传播方向排列。
当外部发送/接收器件(未示出)无线发射询问脉冲信号时，其中所述询问脉冲信号是射频(RF)信号，通过所述SAW异频雷达收发机的天线3把所述脉冲信号施加给所述的发送/接收IDT 2。当高频的脉冲信号随后到达所述发送/接收IDT 2时，由所述的压电基板1产生所述SAW。
由所述发送/接收IDT 2产生的SAW前行至探测IDT 4。所述的SAW的一部分继续在前进的方向前行，并且同时产生与所述前进方向相反方向的反射波。所述产生的反射波施加给所述发送/接收IDT 2。所述发送/接收IDT 2将所施加的反射波转化成脉冲信号(无线电回应信号)，该脉冲信号是电信号，之后，通过所述天线3无线发送所述反射波给所述的外部发送/接收器件。同时，当与探测IDT 4相连接的压力传感器5的阻抗依据压力的变化而变化时，所述反射波的振幅依据所述压力传感器5的阻抗的变化而改变。在安装了压力传感器5的位置，通过分析所述反射波的形状，所述外部的发送/接收器件可探测该位置上的压力。
所述用于感测压力的SAW异频雷达收发机不需要额外的功率供应。所述用于感测压力的SAW异频雷达收发机可通过施加在所述发送/接收IDT 2上的RF信号供给功率，并把已探测的压力信号无线发送给所述外部发送/接收器件。由于这些优点，所述用于感测压力的SAW异频雷达收发机在轮胎压力的监测系统(tire pressure monitoring system，TPMS)中使用以探测车辆轮胎内部的压力。
为了在TPMS中使用所述用于感测压力的SAW异频雷达收发机，需要一种能灵敏地且量化地探测外部压力变化的压力传感器。此外，需要一种用于感测压力的SAW异频雷达感测收发机，其中，所述压力传感器的阻抗线性地依附于外部压力的变化，因而由外部器件可轻易地分析压力信号。
附图说明
图1是采用表面声波(SAW)的传统表面声波(SAW)异频雷达收发机的结构示意图；
图2是用于显示依据本发明实施例的用于感测压力的SAW异频雷达收发机的结构的示意图；
图3是沿图2中的III-III线剖开的用于感测压力的SAW异频雷达收发机的电容压力传感器的横截面图；
图4是用于显示图2中的用于感测压力的SAW异频雷达收发机的电容压力传感器的下部电极的视图；
图5至图8是用于显示图2中的用于感测压力的SAW异频雷达收发机的制造方法的视图；
图9和图10是用于显示图2中的用于感测压力的SAW异频雷达收发机的压力变化的视图；
图11是用于显示在图3中示出的RF脉冲波形的状态的视图；和
图12和图13是用于显示分别在图9和图10中示出的RF脉冲波形的状态的视图。
对附图中的主要部件的附图标记的说明。
100：用于感测压力的SAW异频雷达收发机10：发送/接收IDT
20：探测IDT             30：电容压力传感器
40：天线                50：探测IDT
6：压电基板             31：基板
32：下部电极            33：介电层
34：上部电极            341：支撑部
342：电极部
本发明的技术问题的详细说明
本发明提供用于感测压力的表面声波(SAW)异频雷达收发机，由于电容根据外部压力的改变而变化，故能有效地探测外部压力。其中，外部压力变化和电容的变化相互之间具有线性关系。
技术方案
根据本发明的一个方面，提供用于感测压力的表面声波(SAW)异频雷达收发机，其包括：发送/接收内部数字异频雷达收发机(IDT)，接收应用信号以产生表面声波(SAW)并接收表面声波(SAW)产生射频(RF)信号；探测IDT，反射从发送/接收IDT发送过来的SAW以返回所述SAW给所述发送/接收IDT；和电容压力传感器，其与探测IDT电连接以调制由探测IDT反射的SAW的振幅，其中，电容压力传感器的电容压力的电容依据周围压力变化，其中，电容压力传感器包括：基板；导电下部电极，其形成在基板上以覆盖基板的预定区域；介电层，其形成于基板上以覆盖下部电极；和上部电极，其包括设置于基板上的环形支撑部，和由支撑部支撑的电极部，上部电极在由支撑部环绕的下部电极上密闭一个空间，并且根据从上部部件施加的压力的增加，当上部电极与介电层接触时，发生弹性变形，其中，上部电极和下部电极的电容根据与介电层接触的电极部的面积大小变化。
发明效果
根据本发明，改善了用于感测压力的表面声波(SAW)异频雷达收发机的结构，因此外部的压力的变化可被有效地感测出来。
此外，因为所述外部压力和压力传感器的变化相互之间具有线性关系，外部的变化可被轻易地且量化地探测出来，因而外部的发送/接收器件可轻易地分析压力信号。
具体实施方式
依据附图详细描述本发明优选的实施例。
图2是用于显示依据本发明的实施例的用于感测压力的表面声波
(SAW)异频雷达收发机100的结构示意图。图3是沿图2中的III-III线剖开的用于感测压力的SAW异频雷达收发机的电容压力传感器30的横截面图。图4是用于显示图2中的用于感测压力的SAW异频雷达收发机的电容压力传感器30的下部电极的视图。
参考图1至图3，所述用于感测压力的SAW异频雷达收发机100包括：发送/接收内部数字异频雷达收发机(IDT)10，探测IDT 20，标准的IDT 50，电容压力传感器30和天线40。
所述发送/接收IDT 10、探测IDT 20和标准的IDT 50是分别形成在具有压电性能(例如LiNbO3)的压电基板6上的一个IDT。所述IDT施加电信号或射频(RF)信号给多个相互平行的金属电极并产生表面声波
(SAW)。所述的IDT对于使用SAW的领域中的普通技术人员来说是已知的，故省略了对其的详细描述。
由于所述的发送/接收IDT 10与天线40相连接，所以可通过所述天线40将从外部接收的RF信号转化成SAW，或将由标准IDT 50或探测IDT 20施加的SAW转化成RF信号，以致于使得转化后的信号可通过所述天线40发送至外部。
所述探测IDT 20形成在所述压电基板6上，并位于由所述发送/接收IDT 10产生的SAW的发送路径上，且与所述发送/接收IDT 10间隔预定距离设置。相应地，所述探测IDT 20反射从所述发送/接收IDT 10发送过来的SAW以返回所述SAW给所述发送/接收IDT 10。所述探测IDT20包括多个探测IDT元件21、22、23、24和25。为了减少SAW的损失，根据SAW的振幅设置所述探测IDT元件21、22、23、24和25以便在探测IDT元件21、22、23、24和25中的相邻的元件之间的间隔d1、d2、d3和d4相同。如图2所示，所述探测IDT 20包括五个探测IDT元件21、22、23、24和25。因为所述探测IDT 20与所述电容压力传感器30电连接，所以所述探测IDT 20依据所述电容压力传感器30的电容调制所述SAW的振幅以反射所述SAW。
由于所述标准IDT 50也形成在压电基板6上并且设置在所述发送/接收IDT 10和探测IDT 20之间，所以所述标准IDT 50反射由所述发送/接收IDT 10产生的SAW的一部分以返回所述部分SAW给所述发送/接收IDT 10，和发送SAW的其他部分给所述探测的IDT 20。由于外部阻抗(例如电容压力传感器30)不与所述标准的IDT 50连接，所以由所述标准IDT 50反射的SAW被用作判定由所述探测IDT 200反射的SAW的振幅变化的标准。
所述电容压力传感器30包括基板31，下部电极32，介电层33和上部电极34。
所述基板31由绝缘材料形成，即，耐热玻璃(pyrex glass)。
所述下部电极32设置在由导电金属(例如铝或铜)覆盖所述基板10上部表面的预定区域的结构中。所述下部电极32包括多个相互间隔的下部电极元件321、322、323、324和325。如图4所示，所述下部电极32包括五个下部电极元件321、322、323、324和325。如图2所示，所述下部电极元件321、322、323、324和325分别且与所述探测IDT元件21、22、23、24和25电连接。
所述介电层33形成在所述基板31上以覆盖所述下部电极32，并且由具有介电性能的材料形成。特别地，所述介电层33可由通常在微机电系统(MEMS)技术中使用且容易沉积的SiO2材料形成。
所述上部电极34包括支撑部341和电极部342。
所述支撑部341形成在所述基板31的上部表面上，并且形成矩形圆环形状。
所述电极部342由所述支撑部341支撑，并且由支撑部341环绕的下部电极32的上部空间37是密闭的。因此，所述空的上部空间37在所述介电层33和电极部342之间形成。所述电极部342由导电材料形成。当根据施加在所述电极部342上表面上的压力的增加所述电极部342发生弹性变形时，所述电极部342被设置以连接所述介电层33。所述上部电极34的电极部342被硼离子(B)或磷离子(P)离子注入的硅(Si)形成。硅(Si)是不导电的物质，在通过硼离子(B)或磷离子(P)的离子掺杂后变成导电的。
随着施加在所述电极部342的上表面的压力的增加，所述电极部342发生弹性形变，并且因此电极部342与所述介电层33接触的面积增加。随着施加在所述电极部342的上表面的压力的减小，所述电极部342进行弹性恢复。因此当电极部342与介电层33接触的面积减少和所述压力变得越来越少时，所述电极部342停止与所述介电层33接触。
如图2所示，所述上部电极34的支撑部341与所述探测IDT元件21、22、23、24和25电连接。
在下文中，详细描述一种制备所述电容压力传感器30的方法。
采用传统的微机电(MEMS)技术制造所述用于感测压力的SAW异频雷达收发机100。
首先，所述具有预定面积的下部电极32沉积在由耐热玻璃形成的基板31。
在设置于基板31上的下部电极32上沉积SiO2以覆盖所述的下部电极32，并形成介电层33以获得图5所示的结构。
如图6所示，通过刻蚀另外的硅(Si)基板50用以形成所述上部电极34和用以形成上部空间37的凹形形状，在形成于介电层33上之后是密闭的。
硼离子(B)或磷离子(P)被离子注入处于图6中的虚线，并且在Si基板35中扩散预定的厚度，因此Si基板35成为导电性的。
如图6所示反转Si基板35。通过采用阳极焊接的方法将Si基板35连接至如图5所示的由耐热玻璃形成的基板31上以获得图7的结构。采用这样的方法，在介电层33和上部电极34的电极部342之间形成空的上部空间37。同时，在将Si基板35粘附至由耐热玻璃形成的基板31上之前，对下部电极32的每一个下部电极元件321、322、323、324和325与耐热玻璃形成的基板31相接触的部分进行绝缘处理。因此避免了在上部电极34和下部电极元件321、322、323、324和325之间的短路。
在图7结构中的Si基板35上进行抛光。Si基板35被设计刻蚀至图8所示的预定程度。之后，只保留其中有硼离子(B)或磷离子(P)扩散的上部电极34。结果，如图4所示，在用于感测压力的SAW异频雷达收发机100中使用的电容压力传感器30制成。
在下文中，描述用于感测压力的SAW异频雷达收发机100的功能。
首先，当外部发送/接收器件(未示出)无线发送询问脉冲信号至用于感测压力的SAW异频雷达收发机100时，所述询问脉冲信号是高频脉冲信号或RF信号，所述询问脉冲信号通过用于感测压力的SAW异频雷达收发机100的天线40施加给发送/接收IDT 10。
当高频脉冲信号随后发送至发送/接收IDT 10时，压电基板6产生SAW。
当SAW到达标准IDT 50时，一部分SAW被反射以返回至发送/接收IDT 10，而且其他部分的SAW被发送至探测IDT 20。
通过标准IDT 50到达探测IDT 20的SAW随后由探测IDT元件21、22、23、24和25反射以返回至发送/接收IDT 10。
此时，根据与所述探测IDT 20相连接的电容压力传感器30的电容，探测IDT 20调制SAW的振幅用以反射SAW。
由标准IDT 50和探测IDT20反射的SAW以及到达发送/接收IDT 10的SAW，由发送/接收IDT 10转化成RF信号并通过天线40发送至外部发送/接收器件。由于该RF信号包括由电容压力传感器30调制的振幅的RF信号，因此通过外部发送/接收器件分析所述的RF信号，并且因此在安装了电容压力传感器30的地方，压力可被识别出来。在包括标准IDT50的用于感测压力的SAW异频雷达收发机100中由于标准IDT 50不与外部阻抗连接(例如电容压力传感器30)，所以SAW的振幅不发生改变。相应地，通过对比由标准IDT 50反射的脉冲信号与由探测IDT 20反射的脉冲信号，压力的变化可被有效地识别出来。
当周围压力不是太大时，电容压力传感器30处于上部电极34的电极部342与介电层33相互不接触的状态。此时，因为上部电极34的电极部342与介电层33相互彼此分离，以及空的上部空间37是空气层并且形成在上部电极34的电极部342与介电层33之间，所以上部电极34和下部电极32之间的电容具有相对小的数值。
在这种情况下，当询问脉冲信号发送至发送/接收IDT 10时，如图11所示，由标准IDT50和探测IDT元件21、22、23、24和25反射的脉冲信号在脉冲信号的振幅上没有太大的区别。
在安装了电容压力传感器30的地方，当空间压力增加时，如图9所示，由于施加在电极部342上表面的压力，上部电极34的电极部342发生弹性形变，并且电极部342的一部分与所述介电层33接触。由于所述介电层33与空气相比具有相对较高的介电性能，所以在上部电极34和设置于下部电极32中部的下部电极元件323之间的电容增加，所述下部电极元件323位于在下部电极32的中部。相应地，设置于下部电极32中部的下部电极元件323和上部电极34之间的阻抗发生变化，因此如图12中的脉冲信号可被观测到。如图12所示，与设置在下部电极32中部的下部电极元件323连接的探测IDT元件23反射的脉冲信号的振幅，比其它的探测IDT元件21、22、24和25反射的脉冲信号的振幅小。
另外，在安装有电容压力传感器30的地方，当空间压力增加时，上部电极34的电极部342的弹性形变增加。此时，如图10所示电极部324与介电层33接触的部分也增加。由于上面描述的原因，在上部电极34和在下部电极32中间的三个下部电极元件322、323和324中的每一个之间的电容增加。在这种情况下，如图13所示，与下部电极32中间的三个下部电极元件322、323和324相连接的探测IDT元件22、23和24反射的脉冲信号的振幅，比其它的IDT元件21和25反射的脉冲信号的振幅小。
同时，在安装有电容压力传感器30的地方当空间压力减小时，上部电极34的电极部342进行弹性恢复。同时，电极部324与介电层33接触的部分也减少，因此由发送/接收IDT 10发送的脉冲信号的振幅发生变化。
由于所述用于感测压力的SAW异频雷达收发机100以无线方式提供功率，所以无需额外的功率供给。此外，由于用于感测压力的SAW异频雷达收发机100无线发送和接收脉冲信号，所以用于感测压力的SAW异频雷达收发机100可被有效地安装于难于安装有线压力传感器的地方，例如轮胎内部。
在这种情况下，下部电极32包括所述下部电极元件321、322、323、324和325，由于分别转化与所述下部电极元件321、322、323、324和325分别连接的探测IDT元件21、22、23、24和25的反射脉冲信号，所以如图11至13所示可通过探测脉冲信号轻易地数值化外部压力的定量变化。
此外，与其它的使用电容压力传感器的情况相比，其中，通过测量两个电极之间的距离变化来测量压力，所述两个电极之间包含有介电层，所述的用于感测压力的SAW异频雷达收发机100测量压力由于使用了上部电极34的电极部342与介电层33的接触面积变化的触摸模式的电容压力传感器30，由于有很大的电容变化，所以用于感测压力的SAW异频雷达收发机100在压力方面提高了灵敏度。
本发明的模式
尽管描述了本发明的实施例，但是用于感测压力的表面声波(SAW)异频雷达收发机100并不受此限制。
例如，尽管描述了探测IDT元件21、22、23、24和25的数量(即五个)与下部电极元件321、322、323、324和325的数量一样，但是探测IDT元件和下部电极元件的数量可进行多种变化。此外，在探测IDT元件和下部电极元件之间的每个连接并不限于一对一的结合。也就是说，所述探测IDT元件与下部电极元件可在多种结合方式下进行连接。
所述下部电极可是具有预定面积的一个下部电极，而不是多个下部电极元件。在这种情况下，依据与介电层接触的上部电极的电极部面积，在上部电极和下部电极之间的电容发生变化，并且相应地由探测IDT反射的脉冲信号的振幅变化与上述的电容变化成比例增加。相应地，在外部发送/接收器件中，所述脉冲信号的振幅变化可被分析和识别。在这种情况下，由于压力传感器的电容的增加与介电层接触的上部电极的电极部的面积增加成比例，所以压力的变化和电容的变化相互之间具有线性关系。相应地，所述压力可从电容中轻易地转化出来。
此外，所述用于感测压力的SAW异频雷达收发机可设计成不包含标准IDT的结构。当用于感测压力的SAW异频雷达收发机不包括所述标准IDT时，标准IDT和探测IDT反射的脉冲信号不能相互进行比较。此时，根据由探测IDT反射的脉冲信号的振幅变化分析所述压力变化，因而所述压力变化可被探测出来。

Claims (8)

1.一种用于感测压力的SAW(表面声波)异频雷达收发机，包括：
发送/接收IDT(内部数字异频雷达收发机)，所述发送/接收IDT接收施加的信号以产生SAW(表面声波)并接收SAW以产生RF(射频)信号；
探测IDT，所述探测IDT反射从所述发送/接收IDT发送过来的SAW以返回所述SAW给所述发送/接收IDT；和
电容压力传感器，所述电容压力传感器与所述探测IDT电连接以调制由所述探测IDT反射的SAW的振幅，其中，所述电容压力传感器的电容压力的电容依据周围压力变化，其中，所述电容压力传感器包括：
基板；
导电下部电极，所述导电下部电极形成在基板上以覆盖所述基板的预定区域；
介电层，所述介电层形成于所述基板上以覆盖所述下部电极；和
上部电极，所述上部电极包括设置于所述基板上的环形支撑部，和由所述支撑部支撑的电极部，所述电极部在由所述支撑部环绕的下部电极上密闭一个空间，并且根据从上部部件施加的压力的增加，使所述电极部与介电层接触，同时所述电极部发生弹性形变，其中，所述上部电极和所述下部电极的电容根据与所述介电层接触的所述电极部的面积大小变化。
2.根据权利要求1所述的SAW异频雷达收发机，进一步包括天线，所述天线接收来自外部的RF信号以施加所述RF信号给所述发送/接收IDT，并发送由所述发送/接收IDT产生的RF信号至外部。
3.根据权利要求1所述的SAW异频雷达收发机，进一步包括：
标准IDT，所述标准IDT反射SAW，其功能是作为确定从所述探测IDT反射的SAW的振幅调制特性的标准。
4.根据权利要求3所述的SAW异频雷达收发机，其中，所述标准IDT设置在所述发送/接收IDT和所述探测IDT之间。
5.根据权利要求1所述的SAW异频雷达收发机，其中，所述电容压力传感器的下部电极包括多个彼此间隔的下部电极元件。
6.根据权利要求5所述的SAW异频雷达收发机，其中，所述探测IDT包括：
多个探测IDT元件，和
所述探测IDT的至少一个探测IDT元件与所述下部电极的至少一个下部电极元件电连接。
7.根据权利要求6所述的SAW异频雷达收发机，其中，
所述探测IDT元件的数量与所述下部电极元件的数量相同，并且
所述探测IDT的所述探测IDT元件分别与所述下部电极的所述下部电极元件电连接。
8.根据权利要求6或7所述的SAW异频雷达收发机，其中，邻近的探测IDT元件的间隔相同。
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