CN102169036A - 高温(600℃)压力测量无源无线声表面波传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于高温(600℃)压力测量的无源无线传感器。本发明的无源无线高温压力传感器包括：压电衬底材料、叉指换能器、反射栅、小型天线、高温引线。高温传感器的核心为单端声表面波谐振器，衬底采用硅酸镓镧，在衬底上沉积制作叉指换能器和反射栅，利用压电效应和逆压电效应进行声表面波的激发和接收。叉指换能器通过天线接收来自无线查询单元的电磁波信号，在衬底表面激发出声表面波向两边传播，并被反射栅反射。反射回的表面波通过叉指换能器重新转换成电磁波信号，由天线传回无线查询单元，并通过信号处理方法，来实现高温时压力的测量。本压力传感器具有一个压力接收膜片用于感应压力，声表面波谐振器采用胶粘剂粘贴在压力膜片上来接收膜片形变。本发明结构简单、体积小、重量轻、精度高、无源无线，适用于航空航天、石油化工、核工业等高温环境压力的无线遥测。

Description

高温(600℃)压力测量无源无线声表面波传感器

一、技术领域

本发明涉及一种可工作于600℃高温的压力传感器，此压力传感器采用声表面波技术。

二、背景技术

高温环境下的压力测量是测控技术的重点、难点之一。航空航天、武器装备、能源化工、汽车等领域常常需要在高温环境下进行压力测量与控制，高性能的高温压力传感器是上述领域中的关键器件之一。

目前广泛使用的硅压阻式压力传感器，采用P-N结隔离应变电桥与应变膜，其工艺成熟且性能优异，但是P-N结漏电随着温度升高而急剧增大，超过120℃时，传感器的性能会严重恶化以至失效，在600℃时会发生塑性变形和电流泄漏，导致信号处理系统和电路的极度失调。利用高温SiC制备的压力传感器虽然能够较好地解决这些问题，在高温、耐腐蚀等方面显示出明显的优越性，但是SiC压力传感器高温环境中引线的退化问题成为制约其高温环境应用的瓶颈。由于高温环境下供电和导线连接困难，信号处理电路也难以正常工作，常规高温压力传感器的使用受到极大限制，因此，研究适合高温环境下使用的无线无源传感技术具有重要的现实意义。

利用压电材料制成的声表面波压力传感器由于它本身的高频特性及基片的压电特性可使传感器无源、无线测量和传输，特别适合高温、辐射、易爆易燃等特殊环境下压力测量。此外，声表面波传感器还具有一些其他传感器所不具备的特殊优势，如体积小、精度高、抗干扰能力强、易实现数字化等优点。

石英为基底的声表面波压力传感器已经很成熟，由于石英在573℃会产生相变，工作温度在-20～100℃，不宜在高温环境下(200℃以上)使用。硅酸镓镧(LGS)晶体从室温到熔点(1470℃)没有相变发生，在850℃中放置几周也未发生分解现象，其机电耦合系数是石英材料2～3倍，且在双旋转切向上存在温度不敏感晶面。大尺寸高品质的LGS可以通过完善的Czochralski方法生长，生产工艺相对简单，价格适宜。

LGS压电晶体因其良好的压电特性和温度特性，且体积小、耗能低、响应快，成为目前最好的高温声表面波基片材料，使无线无源化的高温声表面波传感器成为可能。

中国专利CN 1514219提供了一种固态压阻式耐高温压力传感器，实现了200℃以上恶劣环境的温度测量，但此传感器仍需电源供电，需要导线传输信号，难以胜任500℃以上高温要求。中国专利CN101775657涉及到了硅酸镓镧高温应用零温度补偿切型，但没有具体针对此晶体在传感器方面做深入的工作。日本株式会社村田制作所在中国申请的专利CN 1127205C提到了以(0°，30°，80°)硅酸镓镧基底的声表面波器件，此器件具有极好的TCD和较大的压电耦合系数，此发明主要是提高表面波器件在信号处理领域的应用性能，而非高温传感应用。

三、发明内容

本发明的目的是提供一种能工作于600℃以上高温环境的压力传感器，解决高温压力测量中存在的供电及引线退化问题，实现一种高温实时检测压力的SAW无线传感器。

高温压力传感器工作原理是：叉指换能器通过天线接收来自查询单元的电磁波，电信号通过换能器被转换成声表面波，声表面波向两边传播，再被反射栅反射。反射回的声表面波被换能器转换回电信号，天线将电信号以电磁波形式传到远程查询单元，由此实现无线测量。

被天线传回的响应信号的信息内容包含了被测物理量的信息。所需检测的压力作用在压电衬底上，衬底沿长度方向形变，声表面波在衬底上传播的速度发生变化，进而谐振器的谐振频率发生变化，检测频率变化可得待测压力变化。

本发明的目的是这样实现的：

一种单端口声表面波谐振器，中心频率434MHz。所述声表面波谐振器以硅酸镓镧晶体为衬底材料，以铱为IDT电极和反射栅材料。在声表波谐振器设计时，根据所选定工作频率和声表面波在衬底中的速度确定叉指换能器电极及反射栅宽度，设计电极宽度与间距相等。在衬底的切向选用中，对压电材料基本常数进行理论计算，优选受温度影响最小的切型。在声表面波谐振器的制作过程中，先经过洗片，在衬底表面蒸镀一层铱金属材料，再经过光刻、腐蚀技术在薄膜上制作出叉指换能器和反射栅条。

系统的传感部分工作于高温环境，传感元件中硅酸镓镧基体可耐受600℃以上高温。谐振器金属电极，采用如钌、铱金属，可耐受600℃以上高温。单端谐振器与天线之间采用耐高温导线连接，高温导线与谐振器电极及天线的连接采用金属键合连接，而非点焊(230℃)，保证高温下正常工作的稳定性。传感器天线采用耐高温材料，天线采用环形天线或其它小型天线，减小天线工作时所占空间。表面波器件的表面应保持高度的致密、光滑和清洁，对声表面波高温传感器进行封装，封装需将整个谐振器金属电极部分与外界完全隔离。

采用天线远程激发传感器，系统的激励与回波接收(如电路)可工作在相对温度较低环境。

本发明的优点在于，本发明的无线无源测量方式可为高温压力测量提供非常灵活的测量方案。此传感器体积小，其压电特性使其无需外接电源，工作在射频段，实现无线收发，因而在高温压力测量领域具有非常大的应用潜力。

四、附图说明

图1本发明高温压力传感器平面示意图

图2本发明第一封装方案高温压力传感器剖面图

图3本发明第二封装方案高温压力传感器剖面图

图4高温压力传感器及天线在圆形压力膜片平面示意图

五、具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式进行详细说明：

如图1、图2、图3、图4所示，此高温声表面波传感器，主要包括：压电衬底3、叉指换能器1、反射栅2、天线6、封装盖4。通过洗片、镀膜、光刻、清洗等工序，将叉指换能器1和反射栅2制作于压电衬底3上。

如图1、图2、图3所选的压电衬底材料3为硅酸镓镧。此材料同石英一样，属三角晶系，声速小于在石英中的速度，利于器件小型化，机电耦合系数k2为石英的3倍，良好的温度稳定性，相变温度高(1470℃)。

如图1、图2、图3所选用的压电衬底3需优选温度补偿切向。由于晶体的各向异性，不同切割与传播方向的声表面波特性差异较大，尤其是高温条件下，同一切向的声表面波特性变化很大。

600℃高温下，采用434MHz作为谐振器的中心频率。以硅酸镓镧为压电衬底，工作于射频段时，传播损耗及器件稳定性变差。频率越高，稳定工作温度越低，如表1所示。此外，频率过高会增大加工成本，将会使查询电路硬件性能要求较高。当频率较低，如167MHz虽适用温度高，但是会降低应力灵敏度。

表1 不同频率下LGS表面波器件工作温度

工作频率(MHz)	最高工作温度(℃)
		100	1085
167	850
		434	750
1000	500

高温下，如图1、图2、图3中，IDT1和反射栅2电极材料选取时，要满足高电导率、高熔点、高耐氧化性和高化学惰性。高温下，如图4中，常规的引线5已经不能满足要求。SAW谐振传感器与天线连接时，常规的焊接如铅焊，在高温下会熔化，为此需采用引线键合技术。

表2 常用高温金属的熔点、极限温度、及电阻率

金属材料	熔点(℃)	极限温度(℃)	电阻率(μΩ.cm)
				金	1063	395	2.3
钯	1550	638	10.5
				铂	1773	748	10.6
铑	1966	847	4.7
				钌	2334	1031	7.7
铱	2440	1084	5.3

综合考虑表2中的金属材料，理想的电极材料及引线材料是铑、钌、铱。

图2和图3分别采用两种不同的封装方案。

谐振器表面层的状况，如表面污垢、缺陷、都会影响表面波的传播，因此器件的表面应保持高度的致密、光滑和清洁。封装时既要保证传感器基片表面与外界完全隔离，又要保证被测量能可靠高效地加载到基片上，还要尽可能地减小界面热应力和其他交叉敏感。

如图2示，第一封装方案中，通过封装盖4将叉指换能器1、反射栅2、压电衬底3保护起来。下层为谐振器，上层为LGS材料的封装盖4，用来隔离外界恶劣环境，采用LGS一体化封装形式，可有效避免不均匀热应力的形成。全LGS封装结构的实现需采用LGS-LGS直接键合技术，或采用高温胶将LGS衬底3和LGS封装盖4装置粘接在一起。

如图3示，第二种封装方案中，下层为谐振器，上层的封装盖4尺寸略大于下层衬底3。上层封装盖采用耐热陶瓷材料或LGS材料。高温填充材料8将叉指换能器1、反射栅2、衬底3与外界环境隔离开。

如图4是高温压力传感器及天线在圆形压力膜片平面示意图。圆膜片式结构是设计压力传感器时常用的结构类型。声表面波谐振器在压力膜片的布置考虑两种方式设计：一种是直接将声表面波谐振器结构加工在圆形膜片上，圆形膜片为LGS材料；一种是粘贴式设计，将声表面波谐振器采用高温胶贴装在受力膜片上。

采用粘贴方法的优点是贴片形式灵活，易操作，通用性强，成本低。在采用此压力传感器测量压力时，粘合剂的胶层起着非常重要的作用，它要正确无误的将膜片的应变传递到谐振器。薄的粘合剂层和高的剪切弹性系数情况下粘合强度会更大。参考应变片粘结原理，一般情况剪切强度为10～20MPa的粘合剂适合于应变测量的粘贴。在600℃高温环境下，一般的胶水难以满足工作要求，必须采用专用的高温胶水。

在图4中，弹性元件采用的模型是周边固定的圆形受力膜片7，膜片一侧承受均布载荷，在另一面粘贴布置SAW谐振器。谐振器用来感知膜片的应变，从而对压力进行测量，谐振器的叉指换能器1通过小环天线6将应变信息以电磁波形式传给查询电路。

Claims (9)

1.一种高温环境中(600℃)压力测量的声表面波传感器，其特征在于：它包括压电衬底、叉指换能器、反射栅、小型天线以及天线与谐振器连接的耐高温导线。所述压电衬底、叉指换能器和反射栅构成声表面波谐振器。

2.根据权利要求1所述的声表面波谐振器，其特征在于：谐振器谐振频率为434MHz，谐振器衬底材料选用硅酸镓镧压电材料。

3.根据权利要求1所述的声表面波谐振器，其特征在于：该传感器包括叉指换能器以及带状的反射栅，反射栅平行取向，反射栅和叉指换能器为耐600℃高温金属电极。

4.根据权利要求2所述的硅酸镓镧衬底，其特征在于：其相变温度1475℃，声表面波速2700(m/s)，机电耦合系数k²为0.44％，目标工作温度下(600℃)电阻率大于10⁶Ω.cm。

5.根据权利要求3所述的金属电极，其特征在于：金属材料为铱，熔点为2440℃，稳定工作极限温度为1084℃，金属电阻率为5.3(μΩ.cm)。

6.根据权利要求1所述的高温压力传感器，其特征在于：该传感器还包括封装结构，隔离粉尘等对谐振器性能的影响。

7.根据权利要求1所述的小型天线，其特征在于：天线为环形天线或其它小型天线。

8.根据权利要求1所述的声表面波压力传感器，其特征在于：此传感器可实现无源无线传感，声表面波谐振器直接与天线相连接，无附加匹配电路，无电源，无铅焊点。

9.根据权利要求所述的传感器，其特征在于：传感器安装于600℃以上的压力环境中。

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