CN101620018A - 声表面波压力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种体积小、灵敏度高的声表面波压力传感器，主要包括顶盖、贯穿有两个金属电极的基座，顶盖密封安装在基座上，基座设有压力传导通孔，基座的内表面密封固定有流体隔膜，流体隔膜覆盖压力传导通孔，基座、顶盖和流体隔膜之间形成密闭腔，流体隔膜上固定有长条形衬底，衬底横跨压力传导通孔，衬底上固定有声表面波压力传感谐振器、声表面波基准谐振器和两个焊盘，声表面波压力传感谐振器正对压力传导通孔的中心部分，声表面波压力传感谐振器和声表面波基准谐振器各自的两端分别与两个焊盘连接，两个金属电极置于密闭腔内的一端分别和两个焊盘连接，衬底上的压力敏感区的正投影面积小于压力传导通孔的横截面的面积。

Description

声表面波压力传感器

技术领域

本发明涉及一种声表面波压力传感器。

背景技术

声表面波压力传感器可以用于检测机械或流体的压力，所需检测的压力作用在压电衬底上，使衬底发生形变，则声表面波在衬底上传播的速度发生变化，导致声表面波谐振器的谐振频率发生变化，通过检测频率的变化可以得到作用在衬底上的压力值。当被测压力处于难以接触或者移动物体的内部时，声表面波传感器由于其无源无线的优点而倍受青睐。

目前市面上多数声表面波压力传感器是在测量环境压力较高、测量灵敏度要求不高的条件下使用的，例如汽车胎压和汽缸内压的无线检测。而在对一些压力测量范围相对较小、检测分辨率要求较高(如动物或人体的血压检测)的对象进行检测时，那么目前市上的声表面波压力传感器就基本上不能达到测量指标的要求。我们知道，通过增大弹性衬底面积和减小弹性衬底的厚度来提高传感器的灵敏度是一种十分有效的方法。但如果同时对传感器体积和重量制作有严格要求，如在植入式医用电子医疗器械和航空航天等特殊应用领域，那么通过增大衬底面积提高灵敏度性能指标会牺牲器件的封装体积性能指标而造成综合指标不合格。衬底厚度的减薄具有一定的范围，但当衬底厚度减薄到一定的程度时造成基片易碎，从目前压电衬底材料的制作工艺和器件封装工艺来看存在较大的困难。下面我们将简要介绍几种典型的声表面波压力传感器的结构及其性能指标，并以此提出本发明的内容。

中国专利CN101248339A公开了一种压力传感器，它是将一长方形的衬底覆盖在基座的圆形通孔上，衬底其余部分固定在基座上(相当于结构力学中的周边固支圆膜片)，通过基座上的通孔施加压力，使得衬底发生形变，通过测量谐振器频率的变化来得到应变的大小，从而得到压力的大小。在该方案中，由于衬底周边完全固定在基座上，形变区域的周边也是固定的。根据材料力学和弹性力学的理论计算可知，在同样的外力作用和外形尺寸下，这种薄膜结构的压力弹件敏感元件，即衬底相比通常悬臂梁和双端固支梁结构的压力弹性敏感元件具有相对较低的应变。这样导致了衬底上方的声表面波压力谐振器的灵敏度较低。

另外，在中国专利CN101251599A中，公开了一种压力传感器。该传感器采用类似于悬臂梁的结构固定衬底，将压力作用在衬底的一端，而衬底的另一端固定在封装的基座上。这样，在相同的外形尺寸和压力作用下，悬臂梁结构的衬底的应变比上述中国专利CN101248339A周边固定的衬底大，所以传感器的灵敏度也相应要高。但从一方面来看，这样的结构设计增加了制作、安装和封装设计上复杂性。例如，首先，在上述悬臂梁结构的专利中所采用的衬底需要通过蚀刻工艺在原来的矩形衬底上刻出一个悬臂梁的结构，使得衬底的制作比较复杂；其次，在安装中通过固定悬臂梁一端而将另一受力端与下方较小的流体隔膜对齐并相平具有一定的难度；再者，在结构的稳定性上相比上述中国专利CN101248339A中提到的设计安装结构要差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种体积小、灵敏度高的声表面波压力传感器。

本发明的发明构思是：将长条形结构的衬底作为传感器的敏感部件，长条形衬底的两端固定(相当于结构力学中的双端固支梁结构)，长条形衬底的中间部分为压力敏感区，该压力敏感区完全处于压力传导通孔之上，由结构力学的知识可以知道，在同样大小的压力作用下，双端固支梁结构的应变比长度相等的周边固支圆膜片的应变大，所以长条形衬底的应变比传统的周边固定的衬底的应变有所提高，压力传感器的灵敏度也相应提高。同时，与单端固定(相当于结构力学中的悬臂梁结构)的衬底相比较，采用双端固定的长条形结构衬底，使得衬底的制作和安装更加简化，也使得传感器的结构稳定性提高。

流体不直接作用在本发明的衬底上，流体和衬底之间通过流体隔膜来对流体进行隔离，同时起到传递压力的作用。流体通过压力传导通孔引导到流体隔膜上。当压力传导通孔为一圆孔时，压力传导的直径可与长条形衬底中间的压力敏感区部分的长度相同；压力传导通孔也可为矩形通孔，只要保证压力传导通孔的横截面面积大于长条形衬底的压力敏感区的在压力传导通孔的横截面上的正投影面积即可。作为一个可用的例子，本发明中选用圆形的压力传导通孔。流体隔膜固定在基座上，并完全覆盖压力传导通孔，长条形衬底横跨压力传导通孔，衬底上的压力敏感区与压力传导通孔正对，长条形衬底的两端安装在流体隔膜上，所选用的流体隔膜为一弹性模量相对衬底弹性模量较低，温度传导系数较低的膜。压力传导通孔的直径与长条形衬底的压力敏感区长度相等，而压力传导通孔的截面积大于其上方衬底压力敏感区的面积。在一定流体压力的作用下，由流体隔膜和衬底压力敏感区的力学平衡条件可知，在相对柔性流体隔膜的作用下，采用较大截面积的压力传导通孔将使衬底获得较大的外部应力，从而对被测衬底压力敏感区的流体压力有放大作用。通过ANSYS仿真计算可得，当采用石英材料且作用的压强为8000Pa时，长度10mm、宽度1mm、厚度100um的长条形衬底应变是直径长度10mm、厚度100um的圆形薄膜衬底应变的15倍左右，所以传感器的灵敏度有较大的提高。

本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：该声表面波压力传感器包括顶盖、贯穿有第一金属电极和第二金属电极的基座，所述顶盖密封安装在基座上，其中，所述基座设有压力传导通孔，所述基座的内表面密封固定有流体隔膜，所述流体隔膜覆盖压力传导通孔，所述基座、顶盖和流体隔膜之间形成密闭腔，所述流体隔膜上固定有长条形衬底，所述衬底横跨压力传导通孔，所述衬底上固定有声表面波压力传感谐振器、声表面波基准谐振器、第一焊盘和第二焊盘，所述声表面波压力传感谐振器正对压力传导通孔的中心部分，所述声表面波压力传感谐振器和声表面波基准谐振器各自的两端分别与第一焊盘、第二焊盘连接，所述第一金属电极置于密闭腔内的一端和第一焊盘连接，所述第二金属电极置于密闭腔内的一端和第二焊盘连接，所述衬底上的压力敏感区的正投影面积小于压力传导通孔的横截面的面积。

进一步地，本发明所述衬底呈工字型结构，所述声表面波压力传感谐振器置于工字型结构的中间部分，所述声表面波基准谐振器置于工字型结构的端部。

进一步地，本发明所述衬底上设有匹配电路，所述第一焊盘和第二焊盘分别与匹配电路连接。

进一步地，本发明可用固定有环形天线的基座代替贯穿有第一金属电极和第二金属电极的基座，所述环形天线的两端分别与第一焊盘和第二焊盘连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过采用长条形结构的衬底，并采用相对于衬底压力敏感区尺寸更大的压力传导通孔，使得声表面波压力传感器的灵敏度有了较大的提高，而且长条形的结构使得衬底的制作比较简单，双端固定的结构也使得传感器的稳定性提高。由于采用了非增加衬底面积的方法提高了传感器的灵敏度，所以本发明传感器的体积可以大大减小。这种高灵敏度、小体积的压力传感器及其结构设计在航空航天，植入式医用电子医疗器械中有广阔的应用前景。

附图说明

图1是本发明声表面波压力传感器的结构剖视图；

图2是图1的A-A剖视图；

图3是本发明声表面波压力传感器采用工字型衬底时的结构示意图；

图4是本发明声表面波压力传感器衬底上加上匹配电路时的结构示意图；

图5是本发明声表面波压力传感器基座上加上环形天线时的结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本发明声表面波流体压力传感器，它包括基座1和顶盖2，基座1采用温度传导系数较低的材料制作，如塑料等，可以减小温度对传感器的影响。顶盖2密封安装在基座1上，顶盖2选用的材料应能保证无线电磁波信号的顺利通过，以免对无线信号造成屏蔽例如可以为塑料、陶瓷。

基座1的内表面上固定有流体隔膜10，基座1上的压力传导通孔4可用于将流体的压力引导到流体隔膜10上。该流体隔膜10是一层弹性模量小且温度传导系数较低的薄膜，可以将压力传递给衬底3并同时将温度隔离，使得衬底3对压力敏感，而对温度的灵敏度降低。流体隔膜10完全覆盖压力传导通孔4，以形成对压力传导通孔4周边的流体的密封结构，流体隔膜10与基座1、顶盖2一起形成一个密封的密闭腔12，该密闭腔12作为压力检测时的基准压力腔。

基座1上贯穿有第一金属电极71和第二金属电极72，第一金属电极71和第二金属电极72用密封胶固定在基座1上。第一金属电极71和第二金属电极72的一端置于密闭腔12内；第一金属电极71和第二金属电极72的另一端置于本发明传感器的外部，可以用于连接外置天线或者电路等。第一金属电极71置于密闭腔12内的一端和第一焊盘81连接，第二金属电极72置于密闭腔12内的一端和第二焊盘82连接。

如图2所示，流体隔膜10上固定有长条形衬底3，衬底3横跨压力传导通孔4并固定在流体隔膜10上，以确保在流体压力的作用下，衬底3上正对压力传导通孔4的压力敏感区31以外的区域都是固定的。这个结构相当于结构力学中的双端固支梁结构。由结构力学的知识可知，在同样的压力作用下，衬底的应变比与其尺寸和厚度都相等的周边固定的圆形膜片的应变大，这对传感器的压力灵敏度有一定的提高。衬底3的上表面安装有声表面波压力传感谐振器5和声表面波基准谐振器6，其中声表面波压力传感谐振器5正对压力传导通孔4的中心部分，以使得该声表面波压力传感谐振器5在流体压力的作用下处于衬底3应变最大的区域，由此可提高传感器的灵敏度。衬底3正对压力传导通孔4的部分为压力敏感区31，压力传导通孔4的横截面积大于位于其上方的衬底3的压力敏感区31的在该压力传导通孔4的横截面上的正投影面积。由流体隔膜10和衬底3压力敏感区31的力学平衡条件可知，在一定流体压力的作用下，在相对柔性流体隔膜10的作用下，采用较大截面积的压力传导通孔4将使衬底3获得较大的外部应力，从而对被测衬底3的压力敏感区31的流体压力有放大作用，所以本发明传感器有较高的压力灵敏度。

如图3所示，本发明中的长条形衬底3可以呈工字型结构，该工字型衬底横跨压力传导通孔4，其中，该工字型衬底的两端3a分别固定在基座1上方的流体隔膜10上，中间部分3b为压力敏感区，该压力敏感区正对压力传导通孔4；声表面波压力传感谐振器5位于该工字型衬底的压力敏感区上表面的中心位置，声表面波基准谐振器6位于工字型衬底一端3a的上表面。该工字型衬底结构也相当于结构力学中的双端固支梁结构，梁的两端由于固定，对压力的变化是不敏感的，而中间部分由于受到流体隔膜10的作用，对压力敏感。由结构力学的知识可知，在同样的压力作用下，该工字型衬底3的应变要大于周边固定的衬底的应变，压力灵敏度也相应提高了。

如图4所示，在传感器的衬底3上还可以制作有匹配电路11，该匹配电路11可以直接通过光刻技术制作在衬底3上，也可以通过光刻技术在衬底3上制作有几个电路连接焊盘，然后将匹配电路11焊接在焊盘上。

作为本发明的另一种实施方式，如图5所示，传感器的基座1不再设有第一金属电极71和第二金属电极72，而是在基座1上固定有环形天线13。该环形天线13可通过喷墨技术直接印制在基座1上，环形天线13的两端通过导线9连接到衬底3上的第一焊盘81和第二焊盘82上，衬底3上的第一焊盘81和第二焊盘82可通过光刻技术直接在衬底3上形成，声表面波压力传感谐振器5和声表面波基准谐振器6各自的两端分别与第一焊盘81、第二焊盘82连接。环形天线13的形状可以是环绕成矩形、圆形或其他形状；可以在衬底3的两端或同一侧，甚至可以在衬底3的任何一个地方对环形天线13与第一焊盘81和第二焊盘82进行连接，这由环形天线13的长度决定。

本发明声表面波流体压力和温度传感器主要用于流体(液体或气体)的压力和温度的检测，也可用于对机械压力的检测，当用于对机械压力检测时，可将压力作用于流体隔膜10上正对衬底3上压力敏感区31的部分，传感器的灵敏度比使用周边固定衬底的传感器也有一定的提高。

以上是本发明的具体制作安装方式，本领域的技术人员可以通过应用本发明公开的方法以及发明中提到的一些替代方式制作出本发明声表面波压力传感器。本发明由于采用了非增加衬底面积的方法提高了传感器的灵敏度，传感器的体积可以大大减小。这种高灵敏度、小体积的压力传感器及其结构设计在航空航天，植入式医用电子医疗器械中有广阔的应用前景。

Claims (4)

1.一种声表面波压力传感器，它包括顶盖(2)、贯穿有第一金属电极(71)和第二金属电极(72)的基座(1)，所述顶盖(2)密封安装在基座(1)上，其特征是：所述基座(1)设有压力传导通孔(4)，所述基座(1)的内表面密封固定有流体隔膜(10)，所述流体隔膜(10)覆盖压力传导通孔(4)，所述基座(1)、顶盖(2)和流体隔膜(10)之间形成密闭腔(12)，所述流体隔膜(10)上固定有长条形衬底(3)，所述衬底(3)横跨压力传导通孔(4)，所述衬底(3)上固定有声表面波压力传感谐振器(5)、声表面波基准谐振器(6)、第一焊盘(81)和第二焊盘(82)，所述声表面波压力传感谐振器(5)正对压力传导通孔(4)的中心部分，所述声表面波压力传感谐振器(5)和声表面波基准谐振器(6)各自的两端分别与第一焊盘(81)、第二焊盘(82)连接，所述第一金属电极(71)置于密闭腔(12)内的一端和第一焊盘(81)连接，所述第二金属电极(72)置于密闭腔(12)内的一端和第二焊盘(82)连接，所述衬底(3)上的压力敏感区(31)的正投影面积小于压力传导通孔(4)的横截面的面积。

2.根据权利要求1所述的声表面波压力传感器，其特征是：所述衬底(3)呈工字型结构，所述声表面波压力传感谐振器(5)置于工字型结构的中间部分(3b)，所述声表面波基准谐振器(6)置于工字型结构的端部(3a)。

3.根据权利要求1或2所述的声表面波压力传感器，其特征是：所述衬底(3)上设有匹配电路(11)，所述第一焊盘(81)和第二焊盘(82)分别与匹配电路(11)连接。

4.根据权利要求3所述的声表面波压力传感器，其特征是：用固定有环形天线(13)的基座代替贯穿有第一金属电极(71)和第二金属电极(72)的基座(1)，所述环形天线(13)的两端分别与第一焊盘(81)和第二焊盘(82)连接。

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