CN101551283B - 表面横波压力和温度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种表面横波压力和温度传感器，包括玻璃膜片、玻璃圆环、石英晶体悬臂梁、谐振式声表面横波力敏元件、石英晶体片和谐振式声表面横波温敏元件，金属底座上设有玻璃圆环，玻璃圆环与金属底座的压力入口同心，玻璃圆环上设置玻璃膜片，玻璃膜片的上表面共有三枚突起结构，在一枚边缘凸起和中间凸起上载有石英晶体悬臂梁，中间凸起与石英晶体悬臂梁的距离为零，石英晶体悬臂梁的上表面光刻有谐振式声表面横波力敏元件，在另一枚边缘凸起上载有石英晶体片，该晶体片上光刻有谐振式声表面横波温敏元件，缩小了传感器体积，降低结合力和热应力对压力传感器的影响，增大传感器耐机械振动和冲击的能力及耐疲劳特性，改善稳定性和一致性。

Description

表面横波压力和温度传感器

技术领域

本发明涉及一种传感器技术领域的装置，具体的是一种表面横波压力和温度传感器。

背景技术

高速公路汽车爆胎易引起的重大交通事故，倘若轮胎的内压过低，则轮胎变形，轮胎的下沉量增大，因此由于摩擦的增加，使得胎温急剧升高，从而导致轮胎变软，强度下降。此外，过热状态会加速子午胎钢丝与橡胶的老化和变形，甚至造成轮胎内部断裂。这些因素都可能产生爆胎事故。在汽车行驶之中，由于轮胎变形，会使得胎肩磨损加剧，出现不规则的磨损。另外，由于轮胎与地面的摩擦力增大，导致行驶阻力增加，造成燃料消耗增加。

当轮胎气压不正常行驶时，油耗的增加必然会引起废气排放的增加，这对环境也是一种污染。据资料报导，轮胎缺气行驶时，当气压从正常值下降10％时，其轮胎寿命将减少15％；如果气压低于正常值0.21KPa，那么油耗将增加1.5％。倘若轮胎气压过高，则将使轮胎伸张变形，胎体弹性降低，汽车在道路上行驶时所受到的动负荷也增大。此时若遇到机械冲击，则会产生内裂或爆胎。如果轮胎的压力过高，那么轮胎的接地面积减少，从而胎冠中部将会很快磨损，这样也会造成轮胎冠部的爆破。

不久前问世的“智能轮胎”能够实时地监测轮胎压力、温度等参数，可以对轮胎爆裂提前预警，避免意外灾难的发生，同时可以有效地改进车辆的可操纵性、节省燃油、延长轮胎的使用寿命和提高车辆的舒适性。声表面波压力-温度传感器的稳定性高、频率信号输出，能够采用无线询问式工作，在轮胎中可以勿需安装电源，是“智能轮胎”之中的佼佼者。

智能轮胎压力传感器的技术先进，但是存在下述缺点：SAW智能轮胎压力传感器几乎全部采用瑞利波模式工作，其缺点是Q值(品质因数)不高，对晶片表面的缺陷(划痕、孪晶、气孔)很敏感，耐表面污染(灰尘、油污、水气)能力差，老化特性欠佳；力传导机构以及弹性元件都是采用水晶杯结构，不仅量程窄，而且压力灵敏度低，水晶杯的膜片厚度很难加工均匀，从而导致膜片的应变分布不对称，线性特性不良，压力过载能力差，一致性欠佳；压力——力转换器和力的传递结构全都是采用压力传感器的金属封装盒和盒上的凸起结构，金属盒盖凸起结构的弹性系数和温度系数与弹性元件体和敏感装置(皆采用石英晶体材料)的弹性系数和温度系数通常并不相等，它们之间的不匹配往往会产生“导力介质和弹性介质之间的滑移”以及“在敏感装置内出现热应力”。

通过对现有技术文献进行检索发现，中国发明专利200810200032.0，名称：“采用复合模的声表面波压力传感器”，该技术采用掠面体波模式和具有盲孔的圆筒形导力筒的新式悬臂梁结构，针对上述问题做了较大的改进，但是应用于无线“智能轮胎”的压力和温度测量时，压力传感器的外形尺寸大，厚度较厚。而顶针与敏感片连接区的结合力以及热应力影响了压力传感器的一致性。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种表面横波压力和温度传感器，缩小了传感器体积，解决传感器悬臂梁支点结构的精确性以及降低由于顶针与敏感片连接区的结合力对压力传感器的影响等问题，增加压力灵敏度和应变分布的均匀性，减少或隔离接合区的热应力，增大传感器耐机械振动和冲击的能力及耐疲劳特性，提高准确度，改善稳定性和一致性。

本发明是通过如下技术方案实现的，本发明包括：金属底座、管帽、玻璃膜片、玻璃圆环、石英晶体悬臂梁、谐振式表面横波力敏元件、石英晶体片和谐振式表面横波温敏元件，金属底座上设有玻璃圆环，玻璃圆环与金属底座的压力入口同心，玻璃圆环上设置玻璃膜片，玻璃膜片的上表面共有三枚突起结构，在一枚边缘凸起和中间凸起上载有石英晶体悬臂梁，中间凸起与石英晶体悬臂梁的距离为零，石英晶体悬臂梁的上表面光刻有谐振式表面横波力敏元件，在另一枚边缘凸起上载有石英晶体片，该晶体片上光刻有谐振式表面横波温敏元件。金属底座、管帽、玻璃圆环和玻璃膜片构成了一个气密性容器。

所述的金属底座上有三枚柯伐合金管脚，其中二枚与金属底座绝缘，分别与谐振式表面横波力敏元件和谐振式表面横波温敏元件的一个端子相连，余下的一枚与金属底座相连。

所述的石英晶体悬臂梁下表面设有一个凹槽，该凹槽与上表面的谐振式表面横波力敏元件相对应，中心线与石英晶体悬臂梁横向成90度角。

在石英晶体悬臂梁顶端区域与中间凸起相接触的区域，设有与石英晶体悬臂梁表面垂直的通孔。

所述中间凸起呈针状，直径为0.5mm～1mm，两个边缘凸起直径为4mm～8mm。

所述的石英晶体悬臂梁为BT切石英晶体，石英晶体悬臂梁呈等腰梯形，其上、下表面经过光学研磨和抛光。

所述的玻璃圆环、玻璃膜片、金属底座由高温玻璃粉料粘接，玻璃膜片与谐振式表面横波力敏元件、谐振式表面横波温敏元件由低温玻璃粉料粘接。

所述的玻璃膜片材料为石英玻璃或硼硅酸盐玻璃，下表面为精密光学研磨面或者抛光面。

本发明表面横波模式为设计高Q值、低插损的谐振器，从而为提高传感器测量高分辨率、高准确度提供了重要保障，根据无线谐振传感器的加载Q值决定了无线回波频率估计的克拉美-劳下界，SAW传感器的插损决定了无线链路上的信噪比，它们都是影响传感准确度的重要因素，常规SAW压力传感器采用石英膜片，利用瑞利波工作模式工作。遗憾的是石英上制作的瑞利波模式谐振传感器加载Q值一般仅有数千；若选择一种新型SAW波动模式，可以在保证具有高压力灵敏度的条件下，又能像石英体波或硅谐振压力传感器的Q值那样可在10000以上，这是提高SAW无线压力传感器测量精度的有效的技术手段，石英上的表面横波模式材料损耗比瑞利波和体波模式都小得多，石英上的某些切向下的表面横波模式的应力敏感度比瑞利波模式高，显然表面横波模式压力传感器可以在保证高压力灵敏度条件下，获得高加载Q值和低插入损耗特性。因此，利用表面横波模式代替瑞利波模式。

与现有技术相比，本发明具有以下的有益效果：

1、玻璃膜片能够把被测压力转换为集中力，而最细的中间凸起把集中力传递谐振式表面横波压敏元件，中间凸起与悬臂梁下表面的梯形顶端的距离为零，所以不会把热应力引入石英晶体悬臂梁。

2、利用石英玻璃或硼硅酸盐玻璃构成的玻璃膜片代替发明专利200810200032.0的圆筒形导力筒和顶针，可以大幅度地减少压力传感器厚度和外形尺寸。

3、石英晶体悬臂梁下表面设有一个凹槽，增加了谐振式表面横波力敏元件区域的应力集中效果，改善其应变灵敏度，提高传感器的分辨率和准确度。该凹槽还可以降低石英晶体悬臂梁与膜片之间由于热膨胀系数不匹配产生的热应力影响。

4、在石英晶体悬臂梁等腰梯形的顶端区域与中间凸起相接触附近区域制作的与悬臂梁表面垂直的通孔，也可以防止外界机械振动、冲击、热应力对压力敏感元件特性的干扰。

附图说明

图1为本发明的纵剖面图；

图2为本发明的俯视图；

图3为本发明的石英晶体悬臂梁主视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施例做详细说明：本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，本实施例包括：金属底座1、管帽3、玻璃膜片4、玻璃圆环10、石英晶体悬臂梁7、谐振式表面横波力敏元件8、石英晶体片17和谐振式表面横波温敏元件9，金属底座1上设有玻璃圆环10，玻璃圆环10与金属底座1的压力入口2同心，被测压力可通过此玻璃圆环10传递到玻璃膜片4上。玻璃圆环10上设置玻璃膜片4，玻璃膜片4的上表面共有三枚突起结构，在一枚边缘凸起12和中间凸起6上载有石英晶体悬臂梁7，中间凸起6与石英晶体悬臂粱7的距离为零，它不会把热应力引入石英晶体悬臂梁7，从而没有以前悬臂梁式压力传感器迟滞误差大、长期稳定性欠佳的缺点。石英晶体悬臂梁7的上表面光刻有谐振式表面横波力敏元件8，在另一枚边缘凸起11上载有石英晶体片17，该晶体片上光刻有谐振式表面横波温敏元件9。玻璃膜片4将被测压力转换为集中力，而中间凸起6把集中力传递到石英晶体悬臂梁7。金属底座1、管帽3、玻璃圆环10和玻璃膜片4构成了一个气密性容器。

所述的金属底座1上有三枚柯伐合金管脚5，其中二枚与金属底座1绝缘，分别与谐振式表面横波力敏元件8和谐振式表面横波温敏元件9的一个端子相连，余下的一枚与金属底座1相连，用于接地。

所述的石英晶体悬臂梁7下表面设有一个凹槽15，该凹槽15与上表面的谐振式表面横波力敏元件8相对应，中心线与石英晶体悬臂梁7横向成90度角，以增加在声表面横波力敏元件8区域的应力集中效果，改善其应变灵敏度，提高传感器的分辨率和准确度。此外，此凹槽15还可以降低石英晶体悬臂梁7与玻璃膜片4之间由于热膨胀系数不匹配产生的热应力之影响。

在石英晶体悬臂梁7顶端区域与中间凸起6相接触的区域，设有与石英晶体悬臂梁7表面垂直的通孔16，以便防止外界机械振动、冲击通过中间凸起6传递到石英晶体悬臂梁7表面，同时能够减少热应力对压敏元件特性的干扰。

所述中间凸起6呈针状，直径为0.5mm～1mm，两个边缘凸起11、12直径为4mm～8mm。

所述的石英晶体悬臂梁7和石英晶体片17为BT切石英晶体，弯曲应变灵敏度高，一阶频率温度系数为零，而其二阶频率温度系数也较低，长期稳定性(老化特性)好。

所述的石英晶体悬臂梁7呈等腰梯形，等腰梯形石英晶片的边缘颇有益于降低声表面横波在晶片边缘的反射，其上、下表面为光学研磨面或者抛光面。

所述的玻璃圆环10、玻璃膜片4、金属底座1由高温玻璃粉料13粘接，玻璃膜片4与谐振式声表面横波力敏元件8、谐振式声表面横波温敏元件9由低温玻璃粉料粘接14。

所述的玻璃膜片4材料为石英玻璃或硼硅酸盐玻璃，代替专利200810200032.0中的圆筒形导力筒和顶针，可以大幅度地减少压力传感器的厚度和外形尺寸，下表面是精密光学研磨面或者抛光面，其厚度是由压力测量范围决定的。被测量的压力越小，则膜片应越薄。

当被测压力通过压力入口2进入表面横波压力和温度传感器时，压力作用在玻璃膜片4上。膜片4把被测压力转换为集中力。然后玻璃膜片4上的中间凸起6再把集中力传递到石英晶体悬臂梁7。此时，石英晶体悬臂梁7发生形变。由于在谐振式表面横波力敏元件8对应的下表面处设有的凹槽15，因此使谐振式表面横波力敏元件8区域的应变最大。从而引起谐振式表面横波力敏元件8的谐振频率发生变化。因为其谐振频率变化与压力是相互对应的，所以根据谐振式表面横波力敏元件8的频率变化就可以测定压力的大小。

由于本实施例采用上述方案，因此能够在同一工作频率的条件下，制作一种体积小、压力灵敏度高(比常规SAW压力传感器的灵敏度高15倍左右)、准确度好、一致性和长期稳定性佳、抗污染、耐机械振动冲击和适宜在较宽温区工作能力强的声表面横波压力温度传感器。

Claims (9)

1.一种表面横波压力和温度传感器，其特征在于，包括金属底座、管帽、玻璃膜片、玻璃圆环、石英晶体悬臂梁、谐振式声表面横波力敏元件、石英晶体片和谐振式声表面横波温敏元件，金属底座上设有玻璃圆环，玻璃圆环与金属底座的压力入口同心，玻璃圆环上设置玻璃膜片，玻璃膜片的上表面共有三枚凸起结构，在一枚边缘凸起和中间凸起上载有石英晶体悬臂梁，中间凸起与石英晶体悬臂梁的距离为零，石英晶体悬臂梁的上表面光刻有谐振式声表面横波力敏元件，在另一枚边缘凸起上载有石英晶体片，该晶体片上光刻有谐振式声表面横波温敏元件，金属底座、管帽、玻璃圆环和玻璃膜片构成了一个气密性容器。

2.根据权利要求1所述的表面横波压力和温度传感器，其特征是所述的金属底座上有三枚柯伐合金管脚，其中二枚与金属底座绝缘，分别与谐振式声表面横波力敏元件和谐振式声表面横波温敏元件的一个端子相连，余下的一枚与金属底座相连。

3.根据权利要求1所述的表面横波压力和温度传感器，其特征是，所述的石英晶体悬臂梁下表面设有一个凹槽，该凹槽与上表面的谐振式声表面横波力敏元件相对应，中心线与石英晶体悬臂梁横向成90度角。

4.根据权利要求1所述的表面横波压力和温度传感器，其特征是，在石英晶体悬臂梁顶端区域与中间凸起相接触的区域，设有与石英晶体悬臂梁表面垂直的通孔。

5.根据权利要求1或者4所述的表面横波压力和温度传感器，其特征是，所述中间凸起呈针状，直径为0.5mm～1mm。

6.根据权利要求1所述的表面横波压力和温度传感器，其特征是，两个所述边缘凸起直径为4mm～8mm。

7.根据权利要求1所述的表面横波压力和温度传感器，其特征是，所述的石英晶体悬臂梁为BT切石英晶体，石英晶体悬臂梁呈等腰梯形，其上、下表面为光学研磨面或者抛光面。

8.根据权利要求1所述的表面横波压力和温度传感器，其特征是，所述的玻璃圆环、玻璃膜片、金属底座粘接连接，玻璃膜片与谐振式声表面横波力敏元件、谐振式声表面横波温敏元件粘接连接。

9.根据权利要求1所述的表面横波压力和温度传感器，其特征是，所述的玻璃膜片材料为石英玻璃或硼硅酸盐玻璃，下表面为精密光学研磨面或者抛光面。

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