CN102183197A

CN102183197A - 一种测量积冰的传感器及测量方法

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Publication number: CN102183197A
Application number: CN2011100356845A
Authority: CN
Inventors: 刘清惓
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2011-02-10
Filing date: 2011-02-10
Publication date: 2011-09-14

Abstract

本发明提供一种测量积冰的传感器及其测量方法。所述传感器包括两个压电换能器和一个基板。两个压电换能器都在基板上。每个压电换能器都由上电极、下电极和上下电极之间的压电膜构成。两个压电换能器的下电极与基板连接。基板的材料可以是硅，也可以是金属。利用所述传感器测量积冰厚度的方法是，在第一压电换能器的上下电极之间施加交流驱动电压，引起基板和第二换能器的机械振动，测量第二压电换能器的上下电极之间输出的交流电压的幅度，可反映基板上积冰的厚度。该传感器的优势在于可以利用测量交流电压幅度大小的方法测量积冰，在测量积冰厚度时不易受到积水的影响。

Description

一种测量积冰的传感器及测量方法

技术领域

本发明涉及一种利用压电换能器引起振动的方法测量积冰的传感器。

背景技术

积冰可以造成多种灾害性的后果，对电力传输、交通运输和农业都有危害。测量积冰的方法有许多种，例如阻抗测量、光学测量和微波测量方法。利用压电换能器测量积冰的技术很早就被提出了。

论文Smart ice detection systems based on resonant piezoelectric transducers, Sensors and Actuators A,2001, vol. 69, pp. 243中提出了一种利用压电式蜂鸣器测量积冰的方案。这种方案使用了一种蜂鸣器。这种蜂鸣器包含了一个压电换能器，通常被称为他激式蜂鸣器或外驱动式蜂鸣器。蜂鸣器上的积冰会导致蜂鸣器的有效刚度增加，积冰也会导致蜂鸣器的有效质量增加，有效刚度增加会引起蜂鸣器的谐振频率增加，有效质量增加会引起谐振频率降低。这篇论文显示，有效刚度增加比有效质量增加对谐振频率的影响更大，因此积冰会引起谐振频率增加。这篇论文还指出，积水会引起蜂鸣器的有效质量增加，因此积水会引起谐振频率降低。因此，利用文中所介绍的蜂鸣器可以测量积冰，并可以区分积冰和积水。这种方法也存在一定的局限性，如果蜂鸣器上不但有积冰，而且有积水，就难以利用谐振频率的变化量来确定积冰的厚度。

论文A love-wave ice detector, Proceedings of 1999 IEEE Ultrasonics Symposium, 1999, vol. 1, pp. 453中提出了在压电材料衬底表面形成电极，形成表面波传感器的技术。这种表面波传感器对厚度很薄（例如几微米厚）的积冰比较灵敏，但它的测量电路比较复杂。这种传感器对比较厚的积冰进行测量较为困难。此外，表面波传感器在表面有水覆盖的时候，或在冰和水同时存在的时候，测量冰的厚度也较为困难。

论文Miniature ice detection sensor systems for aerospace applications, Proceedings of the Eleventh Annual International Workshop on MEMS 98, 1998, pp. 75中介绍了一种利用MEMS技术实现的积冰传感器。这种传感器利用MEMS静电执行器驱动膜片弯曲，用电容电极测量膜片的位移，对薄冰具有很高的灵敏度。然而这种MEMS积冰传感器需要较高的驱动电压，并且电容检测容易受到寄生电容的影响。

发明内容

本发明的所要解决的技术问题是提供一种测量积冰的传感器，测量方法较为简单，测量积冰受到积水的影响程度较低。

本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案：

一种采用传感器测量积冰的方法，包括如下步骤：

首先对传感器基板上的第一压电换能器施加交流电压，使基板和第二压电换能器产生机械振动；

再测量第二压电换能器产生的交流电压，获知基板上覆盖冰的厚度。

进一步的，前述的采用传感器测量积冰的方法，施加在第一压电换能器的交流电压的频率低于或高于基板的谐振频率。

进一步的，前述的采用传感器测量积冰的方法，还包括分别采用2个传感器进行测量的步骤，其中一个传感器的积冰厚度测量范围小于另一个传感器的积冰厚度测量范围。[0011] 一种用于测量积冰的传感器，包括基板、第一压电换能器和第二压电换能器；其中所述基板的一侧表面设置有空腔，所述两个压电换能器设置在基板的另一侧表面上，在基板与两个压电换能器之间设置有膜片；

所述两个压电换能器均由上电极、压电材料和下电极构成。

进一步的，前述的用于测量积冰的传感器，所述两个压电换能器的表面覆盖了一层绝缘层。

进一步的，前述的用于测量积冰的传感器，所述基板是SOI硅片。

进一步的，前述的用于测量积冰的传感器，所述两个压电换能器的上电极通过导体连接，或两个压电换能器的下电极通过导体连接。

进一步的，前述的用于测量积冰的传感器，所述两个压电换能器分别为圆形压电换能器、具有开口的圆环形压电换能器，所述圆形压电换能器通过圆环形压电换能器的开口处设置在其内部。

进一步的，前述的用于测量积冰的传感器，所述两个压电换能器为梳指形状或矩形形状。

进一步的，前述的用于测量积冰的传感器，所述基板为金属板。

本发明通过检测第二压电换能器上的交流电压幅度，就可以推断出积冰的厚度。传感器的优势在于可以利用测量交流电压幅度大小的方法测量积冰，在测量积冰厚度时不易受到积水的影响。本发明的具体优点将在具体实施方式部分详细说明。

附图说明：

图1是基板和基板上的压电换能器的剖面示意图。

图2是基板和基板上的压电换能器的俯视示意图。

图3是包含SOI基板的一个实施例的剖面示意图。

图4是包含温度传感器的一个实施例的俯视示意图。

图5是包含梳指型压电换能器结构的一个实施例的俯视示意图。

图6是包含两个对称的压电换能器的一个实施例的俯视示意图。

图7是图6中的包含两个对称的压电换能器的实施例的剖面示意图。

图8是蜂鸣器结构的一个实施例的俯视示意图。

图9是图8中的实施例的剖面示意图。

具体实施方案:

本发明提出一种测量积冰的方法。这种方法可以归纳为：首先对基板上的第一压电换能器施加交流电压，使基板和第二压电换能器产生机械振动；再测量第二压电换能器产生的交流电压，获知基板上覆盖冰的厚度。

本发明提出的一种测量积冰的传感器包括一块基板、所述基板上的第一压电换能器和第二压电换能器。所述基板的一侧表面设置有空腔，基板的另一侧设置有膜片。所述两个压电换能器设置在基板上的膜片的上表面。这两个换能器均是由下电极、压电材料构成的压电膜和上电极组成的三明治结构。这里的压电膜也可以被称为压电薄片。本说明书中所述的下电极是指在压电膜和基板之间的电极，压电膜另一侧的电极在这里被称为上电极。基板上设置有空腔的一面被称为基板的下表面，基板上设置有压电换能器的一面被称为基板的上表面。

积冰测量传感器的工作原理是：对第一压电换能器的上下两个电极之间施加电压，压电膜会在电场作用下产生形变。压电膜产生的变形会导致基板的变形，基板的变形会给第二压电换能器施加力的作用，因此会引起第二压电换能器的变形。如果对第一压电换能器施加一定频率的交流电压，将使基板和第二压电换能器产生同样频率的机械振动。上述机械振动会引起第二压电换能器的上下电极之间产生交流电压。如果施加的交流电压的频率刚好等于基板的谐振频率，基板的振动幅度会比非谐振情况下的振动幅度大。当施加电压的频率低于基板的谐振频率时，可以近似地认为基板的变形是静态的。

在测量积冰的过程中，给第一压电换能器施加一个交流电压，其频率低于基板的谐振频率。如果基板上覆盖了一层冰，则基板的刚度增加。因此，积冰造成基板的振动幅度降低，也造成第二压电换能器上产生的交流电压幅度降低。积冰越厚，第二压电换能器上产生的交流电压幅度越小。因此，通过检测第二压电换能器上的交流电压幅度，就可以推断出积冰的厚度。可以利用计算或实验的方法建立第二压电换能器输出电压幅度与积冰厚度的关系。

如果施加在第一压电换能器上的交流电压的频率高于基板的谐振频率，当基板上出现积冰时，基板的谐振频率可能会随着积冰厚度的增加而增加。如果基板的谐振频率增加到刚好等于上述交流电压的频率时，基板的振动幅度会增加，因此第二压电换能器上产生的交流电压也会增加。这种情况下判断积冰的厚度可能有困难，第二压电换能器产生的电压的幅度并不一定随积冰厚度的增加而减小。

如果希望第二压电换能器产生的电压的幅度随着积冰厚度的增加变小，在选择驱动电压的频率的时候，可以使驱动电压的频率不在基板的谐振频率变化范围内。也就是说，施加于第一压电换能器的交流电压的频率低于或高于基板的谐振频率。例如，假设基板在没有积冰的情况下谐振频率是2kHz，当基板表面的积冰厚度达到2毫米时，谐振频率增加到8kHz，则驱动电压可以选择为1kHz或50kHz。可以选择1kHz的原因是随着冰厚的增加，基板的谐振频率不可能降低到1kHz。可以选择50kHz的原因是当基板的谐振频率增加到50kHz时，基板上的积冰厚度已经显著地超过了基板自身的厚度，基板自身的刚度也明显地提高了，因此即使基板发生了谐振，基板的振幅也非常小，在第二压电换能器上引起的交流电压也非常小，以至于难以被检测出来，因此在有效检测范围内基板的谐振频率不会达到50kHz。也就是说，当积冰厚度使基板的谐振频率增加并达到施加电压的频率时，冰厚已经超过了有效测量范围。有效测量范围或量程的在这里的定义是：如果积冰已经足够厚，以至第二压电换能器上的输出电压已经难以被检测出，就认为冰厚超过了有效测量范围。基于上述考虑，在使用本发明中的传感器测量积冰时，一种优选方案是利用交流电压驱动第一压电换能器，交流电压的频率低于或高于有效测量范围对应的基板谐振频率，这样就可以避免所述交流电压引起谐振，从而使判断积冰厚度的变得容易。

在测量积冰的时候，积水是一个干扰因素。可以近似地认为积水不会增加基板的刚度，但积水会增加基板振动的阻尼。如果用一个频率低于基板谐振频率的电压驱动第一压电执行器，积水对基板振幅的影响非常小，这是因为基板的振动可以认为是准静态的。如果用一个频率等于或高于基板谐振频率的电压驱动第一压电换能器的时候，积水的阻尼作用可能降低基板的振幅。

基板上的第一压电换能器和第二压电换能器可以在基板的同一面上，也可以不在基板的同一面上。为了降低制造成本，并简化制造过程，本发明的优选方案应将两个压电换能器放置在基板的同一面上。

制造三明治结构压电换能器的方法在很多公开文献中都有介绍。一般地，上下电极材料都是金属。压电换能器的压电膜的材料可以是PZT、ZnO、PVDF、压电陶瓷等。压电膜的制造方法可以用溶胶-凝胶法或溅射的方法形成，也可以用粘结剂把PVDF膜或压电陶瓷的薄片附着在基板的表面。如果利用溶胶-凝胶法形成PZT膜或溅射的方法形成ZnO膜，三明治结构的上下两个电极可以利用溅射或者蒸发的方法制造。

本发明中的基板和压电换能器可以利用MEMS的加工方法实现。基板可以是利用硅的背面腐蚀形成的硅膜片，例如可以是绝缘层上硅（SOI）硅片背面腐蚀后留下的薄层硅。

可以将两个压电换能器的上电极相互连接，或将两个压电换能器的下电极相互连接，则整个传感器成为一个拥有三个端口的器件。将所述电极连接的益处，在于减少一个与外部电路连接的端口，从而降低电路连接的复杂性。如果两个压电换能器的下电极不相互连接，他们的上电极也不相互连接，则整个传感器拥有四个端口。无论采取三个端口的连接方式还是四个端口的连接方式，都可以进行冰厚的测量。

在本说明书中，第一压电换能器和第二压电换能器是可以互换的。也就是说，可以将基板上两个压电执行器中的任意一个作为施加驱动电压的对象，并将另一个作为检测由机械振动产生电压的对象。

两个压电换能器的形状可以有很多种。两个压电换能器的形状可以是圆形和有开口的圆环形，所述的圆形在所述圆环的内部；这种设计的益处是可以获得较大的振动幅度和输出电压，通过圆环的开口可以使圆形的压电换能器与焊盘连接。两个压电换能器也可以是梳指形状或矩形形状，这样设计的益处是图形较为简单。

在测量积冰的过程中，如果被测量的冰附着在基板的正面，也就是基板上有压电换能器的一面，随着积冰厚度的增加，第二压电换能器上产生的电压幅度先减小后增加，因此给积冰厚度的计算带来困难。如果被测量的并附着在基板的背面，也就是没有压电换能器的一面，则第二压电换能器上产生的电压随着积冰厚度的增加减小。因此，优选的方案是使积冰覆盖在基板的背面。

在一些情况下，基板的正面可能出现积水或腐蚀性物质。可以在压电换能器表面覆盖一层绝缘层，例如二氧化硅，以降低漏电发生的可能性，并保护压电换能器和基板的腐蚀。

本发明中公开的测量积冰的方法可以利用多种方法实现。例如，利用MEMS加工工艺可以在硅片上形成膜片，在膜片的表面有两个压电换能器。利用MEMS工艺制造的膜片厚度通常在几微米到几十微米范围内，因此几微米到几十微米厚的积冰会使第二压电换能器上的输出电压幅度显著下降。利用MEMS工艺制造的传感器难以测量较厚的积冰，例如几百微米厚或超过1毫米厚的积冰。可以认为，用这种MEMS结构测量冰厚的量程一般不超过一百微米数量级。对于厚度较厚的积冰，可以利用与自激式蜂鸣器或其它与自激式蜂鸣器类似的结构。为了简便，在本说明书中将这种与自激式蜂鸣器类似的结构称为蜂鸣器结构。由于蜂鸣器结构的基板厚度可以在1毫米数量级，因此可以用来测量几百微米数量级或毫米数量级厚度的积冰。蜂鸣器结构的基板可以是金属片，采用金属板的益处是：金属板的厚度可以小于1毫米，也可以大于1毫米，因此不但可以用于测量厚度小于1毫米的积冰，也可以用于测量厚度大于1毫米的积冰。采用金属板的另一个益处是：金属板是导体，可以很容易地与外部电路连接，例如采用焊料可以将导线连接到金属板的表面。

为了测量不同厚度的积冰，可以同时使用至少一个MEMS传感器和至少一个蜂鸣器结构。采用这种方法，不但可以测量薄冰，也可以测量相对厚的冰。用两个测量范围不同的MEMS传感器，或使用两个测量范围不同的蜂鸣器结构，也可以达到积冰厚度扩大测量范围的目的。

下面结合附图对技术方案的实施作进一步的详细描述：

图1和图2所示的一个实施例，可由下述工艺步骤实现：

在基板101上形成下电极202、204。

在下电极上形成压电膜211、212。压电膜的材料有很多选择，例如溶胶-凝胶法形成的PZT，也可以是溅射形成的ZnO。图形化压电膜，利用光刻和腐蚀形成压电膜的图形。

形成上电极201、203。可以用溅射或蒸发的方法形成上电极。可以用光刻和剥离的方法图形化上电极。

基板101的材料可以选用硅，其背面有二氧化硅覆盖。利用光刻和刻蚀在背面的二氧化硅上打开腐蚀窗口，利用腐蚀窗口腐蚀基板，形成空腔103和膜片102。部件201、202和212构成圆环形的第一压电换能器，在圆环上有一个开口，通过所述开口可以使第二压电换能器连接到焊盘。部件204、211和203构成圆形的第二压电换能器。在这个实施例中，在201和202之间施加交流电压，压电膜201会产生振动。压电膜201的振动会导致膜片102的振动，并引起第二压电换能器的压电膜211的周期性变形。由于压电膜211的压电效应，在电极203和204之间会产生交流电压。当膜片102的表面的积冰厚度增加时，203和204之间产生的交流电压的幅度降低。基于这种效应，可以测量积冰。如果在203和204之间施加交流电压，也可以在201和202之间检测电压。也就是说，第一压电换能器和第二压电换能器是具有互换性的。

在一些情况下，需要使基板的正面表面绝缘，因此可以选用正面表面有一层绝缘层的硅片作为基板。基板的材料也可以是金属，在金属板上也可以用多种制造方法形成压电换能器。

图2是图1中所示结构的俯视图。图2还显示了两个压电换能器的四个焊盘。连接电极201、202、203和204的焊盘分别是251、252、253和254。

在图3所示的实施例中，基板是SOI硅片111。在硅片111的正面有氧化层112和氧化层上的硅层113。硅层113的厚度通常在1微米和20微米之间。与图1、2中所示的实施例相比，采用SOI硅片的可以获得厚度均匀、应力低的单晶硅膜片，因此膜片的机械性能好。在该实施例中，在压电换能器的表面覆盖了一层绝缘层221。绝缘层的一个作用是防止因为表面积水造成漏电或短路。绝缘层的另一个作用是防止腐蚀性物质损坏压电换能器和膜片。绝缘层的材料是二氧化硅或氮化硅。

在图4所示的实施例中，两个压电换能器的下电极通过导体205连接。在设计下电极的光刻掩膜版的时候，在图形中加入导体205。这样，导体205和下电极可以同时形成。为提供测量温度的功能，在基板上集成了温度传感器208。

在图5所示的实施例中，两个压电换能器都包含梳状电极。一个压电换能器的振动可以引起另一个压电换能器的振动。一个压电换能器的下电极连接到焊盘233，上电极连接到焊盘235。另一个压电换能器的下电极连接到焊盘234，上电极连接到焊盘236。

在图6和图7所示的实施例中，基板101上有膜片102。膜片102正面的两个压电换能器都是矩形。一个压电换能器的振动可以引起另一个压电换能器的振动。两个压电换能器的下电极连接都连接到焊盘245。一个压电换能器的上电极241连接到焊盘243，另一个压电换能器的上电极242连接到焊盘246。两个压电换能器的下电极通过导体244连接。305是附着在膜片102背面的冰。

图8和图9所示的实施例包括了金属基板301，压电陶瓷薄片304，第一金属电极302和第二金属电极303。这个实施例中的结构与自激式压电蜂鸣器类似。在301和302之间施加一个交流电压并引起结构的振动。振动的幅度随着积冰305的厚度增加而减小。测量303和301之间的交流电压幅度可获知积冰的厚度。

为了便于显示，本说明书中的所有附图均不是按照实际比例绘制的。实际的测量系统除了本说明书附图中显示的装置外，还可以包括信号调理电路和电源等其它装置。由于本发明所要解决的技术问题主要针对元器件的结构设计，因此其他装置没有在说明书和附图中详细介绍。

本发明的实施，并不仅限于所述实施例和附图中的方式，可以根据实际应用灵活选用合适的制造方法和结构设计。

Claims

1. 一种采用传感器测量积冰的方法，其特征在于：包括如下步骤：

2. 根据权利要求1所述的采用传感器测量积冰的方法，其特征在于：施加在第一压电换能器的交流电压的频率低于或高于基板的谐振频率。

3. 根据权利要求1所述的采用传感器测量积冰的方法，其特征在于：还包括分别采用2个传感器进行测量的步骤，其中一个传感器的积冰厚度测量范围小于另一个传感器的积冰厚度测量范围。

4. 一种用于测量积冰的传感器，其特征在于：包括基板、第一压电换能器和第二压电换能器；其中所述基板的一侧表面设置有空腔，所述两个压电换能器设置在基板的另一侧表面上，在基板与两个压电换能器之间设置有膜片；

所述两个压电换能器均由上电极、压电材料和下电极构成。

5. 根据权利要求4所述的用于测量积冰的传感器，其特征在于：所述两个压电换能器的表面覆盖了一层绝缘层。

6. 根据权利要求4所述的用于测量积冰的传感器，其特征在于：所述基板是SOI硅片。

7. 根据权利要求4所述的用于测量积冰的传感器，其特征在于：所述两个压电换能器的上电极通过导体连接，或两个压电换能器的下电极通过导体连接。

8. 根据权利要求4所述的用于测量积冰的传感器，其特征在于：所述两个压电换能器分别为圆形压电换能器、具有开口的圆环形压电换能器，所述圆形压电换能器通过圆环形压电换能器的开口处设置在其内部。

9. 根据权利要求4所述的用于测量积冰的传感器，其特征在于：所述两个压电换能器为梳指形状或矩形形状。

10. 根据权利要求4所述的用于测量积冰的传感器，其特征在于：所述基板为金属板。