CN101644772A - 一种可无线访问的声表面波结冰传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种可无线访问的声表面波结冰传感器，对物体表面结冰现象进行灵敏的检测。本发明的可无线访问的声表面波结冰传感器包括：压电基片、波导层、叉指换能器、反射栅和天线，叉指换能器、反射栅沉积在压电基片上，用于通过压电效应和逆压电效应对声表面波进行发射和接收。波导层依附在压电基片上，位于叉指换能器和反射栅之间、或自叉指换能器和反射栅之间向两侧延伸并覆盖叉指换能器和反射栅。另外，本发明的声表面波结冰传感器还包括封装层以保护叉指换能器、反射栅、天线以及压电基片。具有上述结构的本发明的声表面波结冰传感器可以无线访问，体积小，可齐平安装，并且灵敏度高，通过将天线和传感芯片一体化，而可以大批量生产。

Description

一种可无线访问的声表面波结冰传感器

技术领域

本发明涉及一种结冰传感器，尤其涉及一种可无线访问的声表面波结冰传感器。

背景技术

文献[SPIE Conference on Smart Electronics and MEMS，1999，3673(3)：284-291](文献1)对声表面波结冰传感器进行了初步的描述，指出声表面波结冰传感器通过利用SH型的SAW(Love波)来敏感表面结冰的变化，由于Love波对表面的变化非常灵敏，因而也常常用于生物化学的微量检测。比如文献[Electronics Letters，2000，36(19)：1672-1673]报道了通过Love波传感器加上生物敏感膜对微量的生物化学成分进行检测的实验。而声表面波的其它类型波也对表面的物理影响有非常灵敏的响应，因而声表面波传感器用于结冰过程的检测也具有非常高的灵敏度。同时，由于声表面波传感器的工作频率一般在射频段，能直接通过叉指换能器接收和发射射频信号，这个特点非常适合于无线无源的测量。文献[Measurement，2008，41(5)：579-588](文献2)报道了利用无线无源的声表面波传感器对温度、压力等进行测量。声表面波传感器能无线无源测量的特性对于其在工程领域的应用具有巨大的优势。

另外，针对声表面波结冰传感器的应用场合，对于天线的要求有：天线的物理尺寸小；具有全向或半球覆盖的方向性；具有高增益，能提供最大可能的信号给声表面波传感芯片；阻抗匹配好，无论声表面波传感器在什么方向，天线的极化都能与询问信号相匹配。偶极子天线具有结构简单、效率高的特点，既可独立使用，也可作为大型天线的辐射单元。分形天线、环天线等也可实现声表面波传感器天线的小型化，但相对于印刷偶极子天线，效率低，构造相对复杂。

但是，上述文献1中只提出了声表面波结冰传感器的原理研究，并没有明确提出如何实现无线测量，而文献2中公开的利用声表面波的结冰传感器由于体积大，损耗大，结构不紧凑而无法应用到物体表面结冰状况检测领域中。因此，目前正在应用以及正在研究的比较先进的结冰探测方法包括：红外线方法、电容式方法、热流式方法、振动式方法。但这些传感器系统复杂，体积庞大，不适合多处安装，只能在关键部位安装，不能对结冰进行全面的监控和测量。例如，中国专利号ZL200620096802.8的实用新型专利说明书中公开了一种谐振式结冰传感器装置，其在筒状不锈钢壳体一端焊接振动膜片，另一端由后盖板封闭形成密闭腔，并在振动膜片上粘结压电元件，利用压电元件的正压电效应和逆压电效应以及振动膜片的振动频率的变化关系实现结冰检测。该压电谐振膜片式传感器虽然体积、重量较小，可以齐平安装于飞机机翼等部位，但其灵敏度较低，结构以及信号处理比较复杂，生产成本较高。另外，专利申请号200710051934.8的中国发明专利申请公布说明书中公开了一种光纤式结冰传感器，但对于较薄的光滑冰敏感效果也不好，而且上述两种结冰传感器不能进行无线无源测量。对于直升机旋翼的结冰监测技术领域来说，由于旋翼受到飞机电气设备的限制，现有的体积较大的结冰传感器不能在旋翼进行安装，而旋翼的结冰会对飞行安全产生严重影响，因此，目前的结冰传感器对直升机旋翼的结冰监测仍然无法有效地解决。

发明内容

本发明的目的在于提供一种可无线访问的声表面波结冰传感器，克服现有结冰传感器不能无线测量的缺点，能对物体表面结冰现象进行灵敏的检测。

本发明是通过以下技术方案实现的：

本发明的一种可无线访问的声表面波结冰传感器，其特征在于，包括：压电基片、波导层、叉指换能器、反射栅和天线，所述压电基片、叉指换能器和反射栅组成声表面波延迟线。

所述叉指换能器、反射栅沉积在所述压电基片上，用于通过压电效应和逆压电效应对声表面波进行发射和接收。

所述波导层依附在所述压电基片上，位于所述叉指换能器和反射栅之间、或自叉指换能器和反射栅之间向两侧延伸并覆盖叉指换能器和反射栅。

所述天线沿所述声表面波延迟线接入所述叉指换能器的外侧，用于无线通信。

另外，本发明的声表面波结冰传感器还包括封装层，进行封装时将所述波导层的位于所述叉指换能器和所述反射栅之间的区域暴露在外形成敏感区，对其余部分进行封装以保护所述叉指换能器、反射栅、天线以及压电基片。所述压电基片为能激发瑞利波、乐甫波、表面掠波、伪表面波的压电晶体。

所述叉指换能器以及反射栅是通过在压电基片上一定形状沉积金属指条实现的，能通过压电效应和逆压电效应对声表面波进行发射和接收。

所述波导层采用低声速膜，包括：二氧化硅、氧化锌、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚酰亚胺(PI)、光刻胶等，声速在波导层的速度比在压电基片中的声速低。

所述天线为偶极子天线及其它平面小型天线，可与叉指换能器和反射栅一起沉积在基片的同一平面内，通过相同的工艺进行制作。

所述传感器通过天线接收到一定频率的射频信号后，射频信号通过压电基片上的叉指换能器激发形成声表面波，在基片和波导层中进行传播。当敏感区收集水滴或者形成冰层之后，声表面波的频率以及插入损耗将会发生变化，在波导层和基片中传播的是不同类型的声表面波，通过反射栅又将这些波反射到叉指换能器。通过偶极子天线将信号反射出去。通过检测回波信号的变化就能够得到结冰以及冰层厚度的信息。

本发明的优点在于，本发明的无线无源测量可以对这些部位的测量提供非常灵活的应用形式。由于声表面波传感器体积小，且工作在射频频率，能直接接收和发射射频信号，不需要电源对其进行供电，因而声表面波传感器在各个领域具有非常大的应用潜力。本发明的声表面波结冰传感器具有声表面波传感器的各种优点，可以无线访问，体积小，可齐平安装，并且灵敏度高，在各种应用场合下，能发挥其特有的应用优势，例如不仅可以安装在飞机旋翼上用于进行结冰检测，也可以应用在公路结冰的检测。

本发明应用方便、体积小、灵敏度高，能无线测量，并且通过将天线和传感芯片一体化，而可以大批量生产，价格低廉。

附图说明

图1为本发明第一实施方式的声表面波结冰传感器的平面示意图。

图2为本发明第一实施方式的声表面波结冰传感器的剖面示意图。

图3为本发明第一实施方式的声表面波结冰传感器封装后示意图。

图4为本发明第二实施方式的声表面波结冰传感器的平面示意图。

图5为本发明第二实施方式的声表面波结冰传感器的剖面示意图。

图6为本发明第二实施方式的声表面波结冰传感器封装后示意图。

具体实施方式

下面，参照附图对本发明的具体实施方式进行详细的说明。

实施例1

如图1、图2所示，本声表面波结冰传感器，主要包括：压电基片3、叉指换能器1、反射栅2、天线5和光刻胶波导层4以及封装层6。通过洗片、镀膜、甩胶、光刻、清洗等工序，偶极子天线5、叉指换能器1和反射栅2依附在ST900X石英的压电基片3上，中心频率为433～500MHZ，空载通过天线5的插入损耗为15～25dB，通过甩胶、前烘、光刻、后烘等工序，将SU8 2050光刻胶波导层4依附在压电基片3上，位于叉指换能器1和反射栅2之间，厚度为2～3μm。通过陶瓷封装层6将叉指换能器1、反射栅2、天线5以及压电基片3保护起来，而将SU8 2050光刻胶波导层4全部暴露在外作为敏感区域，其封装之后的正视图如图3所示。当SU8 2050光刻胶波导层4表面有冰层形成时，则叉指换能器1通过天线5接收到的电磁信号，通过逆压电效应转化为声信号，声信号经作为敏感区域的光刻胶波导层4传播后，到达反射栅2，声信号经反射栅2反射后，返回叉指换能器1，叉指换能器1通过压电效应，将声信号转变为电信号，并通过天线5将信号以电磁波的形式发射出去。当水层由液态转变为固态的冰后，电磁信号的插入损耗会产生20～30dB的变化，冰层的厚度变化会使得回波的频率发生相应变化。通过天线5的接收和发送电磁信号，将插入损耗和频率的变化信息发送给电磁信号的收发装置，然后将这些信号进行处理，得到结冰的相关信息。

实施例2

具体工艺制作及原理如实施例1，如图4、图5所示。不同之处在于：(1)将SU82050光刻胶波导层4依附在压电基片3上的过程中，将光刻胶波导层4的面积覆盖到叉指换能器1和反射栅2；(2)封装时将SU 82050光刻胶波导层4的一部分区域暴露在外，将其作为敏感区域，对叉指换能器1和反射栅2进行有效保护。封装层6对电磁波发射与接收并没有影响，但封装层6对于叉值换能器和反射栅能进行有效的保护，使得传感器能应用到比较复杂的自然环境中，封装后的结构如图6所示。

实施例3

具体实施方案如实施例1，结构如图4、图5所示。不同之处在于：(1)利用PMMA胶作为波导层，将PMMA胶依附在压电基片3上，覆盖在叉指换能器1和反射栅2上；(2)压电基片3采用360钽酸锂。

Claims (6)

1、一种可无线访问的声表面波结冰传感器，其特征在于，包括：压电基片、波导层、叉指换能器、反射栅和天线，所述压电基片、叉指换能器和反射栅组成声表面波延迟线；

所述叉指换能器、反射栅沉积在所述压电基片上，用于通过压电效应和逆压电效应对声表面波进行发射和接收；

所述波导层依附在所述压电基片上，位于所述叉指换能器和反射栅之间、或自叉指换能器和反射栅之间向两侧延伸并覆盖叉指换能器和反射栅；

所述天线沿所述声表面波延迟线接入所述叉指换能器的外侧，用于无线通信。

2、根据权利要求1所述的声表面波结冰传感器，其特征在于，该声表面波结冰传感器还包括封装层，进行封装时将所述波导层的位于所述叉指换能器和所述反射栅之间的区域暴露在外形成敏感区，对其余部分进行封装以保护所述叉指换能器、反射栅、天线以及压电基片。

3、根据权利要求1所述的声表面波结冰传感器，其特征在于，所述压电基片为能激发瑞利波、乐甫波、表面掠波或伪表面波的压电晶体。

4、根据权利要求1所述的声表面波结冰传感器，其特征在于，所述波导层采用低声速膜，包括：二氧化硅、氧化锌、聚甲基丙烯酸甲酯、聚酰亚胺或光刻胶。

5、根据权利要求1所述的声表面波结冰传感器，其特征在于，所述天线为偶极子天线或其它平面小型天线，与叉指换能器和反射栅位于同一平面内。

6、根据权利要求5所述的声表面波结冰传感器，其特征在于，所述天线与叉指换能器、反射栅一起沉积在所述压电基片上。

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