CN101625274B - 声表面波压力和温度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可提高压力测量灵敏度或温度频率响应速度的声表面波压力和温度传感器，包括密封安装在一起的顶盖和贯穿有金属电极的基座，基座设有压力传导通孔，其内表面密封固定有覆盖在压力传导通孔的流体隔膜，基座、顶盖和流体隔膜间形成密闭腔，衬底两端与流体隔膜固定且衬底横跨压力传导通孔，衬底上的声表面波压力传感谐振器、基准谐振器和衬底沿长度方向相互平行，声表面波温度传感谐振器相对于基准谐振器成一水平夹角，压力传感谐振器正对压力传导通孔的中心部分，温度传感谐振器、压力传感谐振器和基准谐振器分别与对应的焊盘连接，金属电极对应地与两个焊盘连接，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面积。

Description

声表面波压力和温度传感器 

技术领域

本发明涉及一种声表面波压力和温度传感器。 

背景技术

声表面波传感器可以用于检测压力和温度的大小，被检测的物理量作用于衬底上，使得衬底上的声表面波传播性能发生改变，从而改变声表面波谐振器的谐振频率，通过检测声表面波谐振器的谐振频率的变化，就可以得到被测物理量的变化。尤其是当被测量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。 

目前公开的可同时测量压力和温度的声表面波传感器的压力检测灵敏度普遍不高，大多用于测量环境压力较高，测量灵敏度要求不高的情况，如车胎、机械传动装置等的压力和温度，所检测的物理量的变化范围较大。当所需要检测的压力的变化范围较小或者温度的变化较快时，通常结构的压力灵敏度或者温度频响特性都达不到要求。 

在中国专利CN101248339A中，公开了一种压力传感器，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性敏感元件(对应于本发明中所述的衬底)相比通常悬臂梁和双端固支梁结构的压力弹性敏感元件(对应于本发明中所述的衬底)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。 

现有技术中提及的可同时检测压力和温度的声表面波传感器中，从它们的结构设计上来看，传感器的温度频率响应较慢。例如中国专利CN101248339A和CN101251599A公开的传感器能同时测量压力和温度，但是温度的传导需要经过基座或安装温度传感器的腔体。为了在测量中减小压力信号对温度信号的影响，基座需要一定的强度。而如果基座采用工程塑料这种较为通用的封装材料(这点对于有重量和无线通讯要求不适合于使用金属封装的条件下变得尤为重要)，则通常需要一定的厚度，这就造成了传感器对温度响应不够迅速。 

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种可提高压力测量灵敏度或温度频率响应速度的声表面波压力和温度传感器。 

本发明的发明构思是：本发明传感器对温度传导通路的结构进行改进，使得对于一般通用的封装材料改善了以往类似传感器结构设计的温度频率响应特性。提高了温度信号动态测量的测量精度。具体来说，本发明是将长条形衬底作为传感器的敏感部件，该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，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的衬底的制作和安装更加简化，也使得传感器的结构的稳定性提高。 

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，压力传导通孔为一圆形的结构，其直径与长条形衬底中间的压力敏感 区部分的长度相同。压力传导通孔结构也可为矩形通孔，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，本专利中选用圆形压力传导通孔。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，而从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，所以本发明传感器的压力灵敏度有较大的提高。 

流体隔膜正对声表面波温度传感谐振器的部分留有一个温度传导通孔，安装的时候，该通孔用导热胶填充，以使得流体的温度能较快地传递到温度传感器谐振器所在的衬底上，提高温度传感器的温度频率响应速度。 

为了进一步提高温度传感器的温度频率响应速度，在基座的下方正对声表面波温度传感器处制作一个温度传导腔，该温度传导腔的形成使得基座正对声表面波温度传感器的壁厚度变薄，减小了温度传导的距离，使得温度传导更加快，温度传感器的频率响应也更加快。温度传导腔的形状与流体隔膜的上的温度传导通孔的形状相对应，厚度可以根据对温度传导特性的要求自行选择。如果所测量温度变化较快，温度传导腔的厚度可以大一些，使得相应的基座壁的厚度减小，温度传导更快；如果所测量的温度变化较慢，或者对温度变化的频率响应速度要求不高时，则温度传导腔的厚度可以较薄，使基座壁的厚度大一些，在对温度测量要求很低或者基座的材料本身的导热性能已经很好的情况下，不制作这个温度传导腔也是可以的。 

为此，本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：该声表面波压力和温度传感器包括顶盖、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，其特征是：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，所述衬底的两端与流体隔膜固定且所述衬底横跨压力传导通孔，所述衬底上设有声表面波温度传感谐振器、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的长度方向和声表面波基准谐振器的长度方向与衬底的长度方向平行，所述声表面波温度传感谐振器的长度方向相对于声表面波基准谐振器的长度方向成一水平方向的夹角，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，所述声表面波温度传感谐振器、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，本发明所述流体隔膜上开有温度传导通孔，所述声表面波温度传感谐振器正对温度传导通孔的中心部分，所述温度传导通孔的横截面面积大于声表面波温度传感谐振器的正投影面积，所述温度传导通孔内填充有导热物质。 

进一步地，本发明所述基座的底部还设有温度传导腔，所述声表面波温度传感谐振器正对温度传导腔的中心部分。 

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，所述声表面波温度传感谐振器和声表面波基准谐振器分别置于工字型结构的两端。 

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，所述声表面波温度传感谐振器和声表面波基准谐振器分别置于工字型结构的两端。 

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，并采用横截面面积比衬底中间压力敏感区正投影面积大的压力传导通孔，可以提高传感器的压力灵敏度。通过在流体隔膜上设置温度传导通孔，以及在基座下方设置温度传导腔，使得本发明传感器的温度灵敏度和温度变化的频率响应速度有了较大的提高，传感器可以实时地测量同种流体的温度和压力。而且长条形结构的衬底的制作比较简单，长条形衬底双端固定的结构也使得本发明传感器的稳定性提高。由于采用了非增大衬底面积的方法提高了传感器的灵敏度，所以传感器的体积可以大大减小。本发明传感器的的重量轻、体积小，温度和压力信号高效隔离，温度响应快，压力灵敏度高，适于无线通讯的复合型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和温度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和温度传感器衬底上的谐振器水平放置时的示意图； 

图4是本发明声表面波压力和温度传感器采用工字型衬底时的结构示意图； 

图5是本发明声表面波压力和温度传感器流体隔膜上加上温度传导通孔时的结构示意图； 

图6是本发明声表面波压力和温度传感器在基座上设置有温度传导腔时的结构示意图； 

图7是本发明声表面波压力和温度传感器在衬底上设置有匹配电路时的结构示意图； 

图8是本发明声表面波压力和温度传感器在基座上设置有环形天线时的剖视图。 

具体实施方式

如图1所示，本发明声表面波流体压力和温度传感器，它包括基座1和顶盖2，基座1采用温度传导系数较高的材料制作，如陶瓷或者金属等，流体的温度可以较快地通过基座1传递到声表面波温度传感谐振器11所在的衬底3上。当所测量的温度变化较缓慢，对声表面波温度传感谐振器11的频率响应要求不高，或者要求传感器的重量较小时，基座1的材料也可以选用温度传导系数较低的工程塑料等。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、陶瓷等。 

基座1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是一层弹性较好而温度传导系数较低的薄膜，可以将压力传递给衬底3，而将温度隔离，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16，该密闭腔16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16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16内的一端和第一焊盘81连接，第二金属电极72置于密闭腔16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，衬底3的两端固定在流体隔膜10上，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，长条形衬底3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上表面安装有声表面波温度传感谐振器11、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。声表面波温度传感谐振器11和声表面波基准谐振器6分别安装在衬底3的两端部分。如图3所示，声表面波压力传感谐振器5的长度方向和声表面波基准谐振器6的长度方向与衬底3的长度方向平行，并且，声表面波温度传感谐振器11相对于声表面波基准谐振器6成一水平夹角α。设置水平夹角α的目的是使衬底3在声表面波温度传感谐振器11所处的位置与衬底3在声表面波基准谐振器6所处的位置相比，两者在声表面波传播方向上具有不同的温度系数，从而使本发明的温度传感器部分可以测量出温度的变化。水平夹角α的大小可根据实际情况设置，只要能使本发明的温度传感器部分可以测量出温度的变化即可。衬底3处于压力传导通孔4正上方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在压力传导通孔4的正投影面积。在一定流体压力的作用下，由流体隔膜10和衬底3的压力敏感区31的力学平衡条件可知，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。 

如图4所示，本发明中的长条形衬底3也可以呈工字型结构，该工字型衬底横跨压力传导通孔4，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，工字型衬底的中间部分3b为压力敏感区，该压力敏感区处于压力传导通孔4的正上方且正对压力传导通孔4；声表面波压力传感谐振器5位于工字型衬底的压力敏感区上表面的中心部分，声表面波温度传感谐振器11和声表面波基准谐振器6位于工字型衬底两端部分3a的上表面。同样的，如图3所示，声表面波压力传感谐振器5的长度方向和声表面波基准谐振器6的长度方向与衬底3的长度方向平行，并且，声表面波温度传感谐振器11相对于声表面波基准谐振器6成一水平夹角α，由此，衬底3在声表面波温度传感谐振器11所处的位置与衬底3在声表面波基准谐振器6所处的位置相比，两者在声表面波传播方向上具有不同的温度系数，因而本发明的温度传感器部分可以测量出温度的变化。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，而中间部分的压力敏感区由于受到流体隔膜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5所示，流体隔膜10开有温度传导通孔12，，声表面波温度传感谐振器11正对温度传导通孔12的中心部分；温度传导通孔12的横截面面积要大于声表面波温度传感谐振器11在温度传导通孔12的横截面上的正投影面积，以保证衬底3在声表面波温度传感谐振器11所在区域的温度分布均匀。本发明可选用直径等于声表面波温度传感谐振器11长度的圆形温度传导通孔12。安装的时候，流体隔膜10固定在基座1的内表面上，完全覆盖压力传导通孔4，形成对压力传导通孔4周边流体的密封结构。在流体隔膜10上的温度传导通孔12的区域内涂上导热胶，然后将衬底3的两端固定流体隔膜10上，衬底3正对压力传导通孔4的部分可以不与流体隔膜10固定，这样的结构使得在衬底3上只有声表面波温度传感谐振器11所在的涂了导热胶的区域对温 度是敏感的，其他部分对温度不敏感，也就使得传感器对温度的灵敏度提高，同时导热胶使得温度的传导速度加快，使传感器对温度变化的响应速度提高。 

如图6所示，若基座1选用的材料为塑料，由于塑料对温度的传导较慢，若要提高传感器对温度变化的频率响应速度，则可对温度传导通路进行改进。本发明在基座1的下方正对声表面波温度传感谐振器11的部分开设温度传导腔14，流体充满该温度传导腔14后，流体的温度可以通过温度传导腔14上方的薄壁，透过温度传导通孔12内的导热胶，较快地到达衬底3上声表面波温度传感谐振器11所在的区域，使得本发明传感器对温度的变化具有较快的响应速度。温度传导腔14的厚度可以根据需要自行确定，若需要对温度的变化响应迅速，可以将温度传导腔14的厚度制作得大一些，则基座1在温度传导腔14上部的厚度会相应减小。在能保证基座1足够刚性的前提下，基座1在温度传导腔14上部的厚度越小，流体的温度传导速度越快，则声表面波温度传感谐振器11的温度灵敏度越高，对温度的变化的响应速度越快。在对声表面波温度传感器的温度变化响应要求不高的情况下，温度传导腔14的厚度可以减小，或者没有也是可以的。 

如图7所示，传感器的衬底3上还可以制作有匹配电路15，该匹配电路15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15焊接在焊盘上。 

如图8所示，作为本发明的另一种实施方式，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，声表面波温度传感谐振器11、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可以环绕成矩形或者、圆形的或其他形状。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，这由天线的长度决定。 

本发明中的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该声表面波压力和温度传感器，由于采用了非增大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。这种温度压力信号高效隔离、重量轻，体积小，温度响应快，压力灵敏度高并适于无线通讯的复合型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 (7)

1.一种声表面波压力和温度传感器，它包括顶盖、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，其特征是：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，所述衬底的两端与流体隔膜固定且所述衬底横跨压力传导通孔，所述衬底上设有声表面波温度传感谐振器、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的长度方向和声表面波基准谐振器的长度方向与衬底的长度方向平行，所述声表面波温度传感谐振器的长度方向相对于声表面波基准谐振器的长度方向成一水平方向的夹角，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，所述声表面波温度传感谐振器、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。

2.根据权利要求1所述的声表面波压力和温度传感器，其特征是：所述流体隔膜上开有温度传导通孔，所述声表面波温度传感谐振器正对温度传导通孔的中心部分，所述温度传导通孔的横截面面积大于声表面波温度传感谐振器的正投影面积，所述温度传导通孔内填充有导热物质。

3.根据权利要求1或2所述的声表面波压力和温度传感器，其特征是：所述基座的底部还设有温度传导腔，所述声表面波温度传感谐振器正对温度传导腔的中心部分。

4.根据权利要求1或2所述的声表面波压力和温度传感器，其特征是：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，所述声表面波温度传感谐振器和声表面波基准谐振器分别置于工字型结构的两端。

5.根据权利要求3所述的声表面波压力和温度传感器，其特征是：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，所述声表面波温度传感谐振器和声表面波基准谐振器分别置于工字型结构的两端。

6.根据权利要求1所述的声表面波压力和温度传感器，其特征是：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。

7.根据权利要求6所述的声表面波压力和温度传感器，其特征是：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。

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