CN104990638B - 一种基于无线温度传感器的芯片 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种基于无线温度传感器的芯片，涉及温度测量技术领域。一种基于无线温度传感器的芯片包括叉指换能器、反射栅及压电基底，所述叉指换能器和反射栅设置于压电基底之上，所述反射栅对称设置于叉指换能器的两侧，所述叉指换能器、反射栅及压电基底设于传感器的外壳内部，所述叉指换能器的指条从左至右采用变级加权方式变化即从左至右相邻指条的重叠长度按照余弦函数变化，所述反射删采用点阵加权即在所述反射删的指条之间设置点阵。该温度传感器芯片摆脱了传统传统器需要电源及传输线的干扰，能够实现恶劣环境条件下的温度检测，且检测精度高。

Description

一种基于无线温度传感器的芯片
技术领域
本发明涉及温度测量技术领域，具体是指一种基于无源无线温度传感器的芯片。
背景技术
温度检测作为重要的信息来源，在平时的日常生活和工业生产中无处不在，长期以来，传统的温度传感器存在一些自身的缺陷，无法满足实际多变的测量需求。首先，高速运动中的物体的温度检测，如转子的温度，一直以来是传统温度感应器难以解决的问题。因为传统的半导体温度传感器一般需要电源以及传输线。这些显然对于检测高速运动中的温度检测产生了极大的障碍。其次，密闭系统内的温度检测，如汽车轮胎内的温度检测，需要检测系统为无线传感器系统，目前无线传感器多是由传感器、半导体电路、电源等组成，由于电源的引入而大大限制了这种无线传感系统的测试寿命。还有发电厂变电站的高压开关柜、母线接头、室外刀闸开关等重要的设备，在长期运行过程中，开关的触头和母线连接等部位因老化或接触电阻过大而发热，而这些发热部位的温度无法监测，由此最终导致事故发生。
声表器件(通常简称SAW)主要作用原理是利用压电材料的压电特性，利用输入与输出换能器（Transducer）将输入的电波信号转换成机械能，经过处理后，再把机械能转换成电波信号，以达到过滤不必要的信号及杂讯，提升有效信号品质的目标。它具有易于安装，体积小，性能稳定的优点。 广泛的应用于手机、基站、电视机、卫星接收等无线通讯产品中。采用特殊设计的声表谐振器（SAW），当有一个固定频率的电波输入到声表谐振器，这个谐振器输出的电波信号频率会随着声表器件感受到的环境温度的变化而变化，利用它的这个特性，通过采集声表谐振器的输出频率，就可以换算出声表谐振器对应的环境温度，达到测量环境温度的目的。声表滤波器的这个特性具有无源、单调、重复性好、线性度好的优点。但是现有技术中利用声表谐振器作为温度传感器还存着不足，因为声表谐振器表面可以分为3个区域：金属化区域、自由表面区域和栅阵。不同区域之间的声波速度不同，特别是金属叉指电极和金属栅阵的周期性设计，导致其它横向声波干扰模式及纵向声波干扰模式的的并存，这些附加模式会降低带外拟制，影响通带内的群延时，导致通带内不平坦，恶化SAW滤波器的频率响应特性，从而影响温度检测结果的精确度。
发明内容
本发明的目的在于解决上述问题而提出一种基于无线温度传感器的芯片，该芯片摆脱了传统传统器需要电源及传输线的干扰，能够实现恶劣环境条件下的温度检测，且检测精度高。
为了实现上述目的，本发明采取如下的技术方案：
本发明提出一种基于无线温度传感器的芯片，包括叉指换能器、反射栅及压电基底，所述叉指换能器和反射栅设置于压电基底之上，所述反射栅对称设置于叉指换能器的两侧，所述叉指换能器、反射栅及压电基底设于传感器的外壳内部，所述叉指换能器的指条从左至右采用变级加权方式变化即从左至右相邻指条的重叠长度按照余弦函数变化，所述反射删采用点阵加权即在所述反射删的指条之间设置点阵。
所述叉指换能器的指条在中间位置的重叠长度最大。
所述反射栅上设置的点阵从左至右或者从右至左数目依次变多且点阵面积变小。
本发明的有益效果：
1.本发明利用声表谐振器输出的电波信号频率会随着声表器件感受到的环境温度的变化而变化这一特性将声表谐振器作为温度传感器芯片的感应原件，从而实现了温度传感器芯片的无电源及无传输线化，使得温度传感器芯片能满足各种恶劣环境下对温度的检测；
2.本发明对声表谐振器的叉指换能器及反射栅的进行结构化设计：叉指换能器的指条从左至右采用变级加权方式变化即从左至右相邻指条的重叠长度按照余弦函数变化，而反射删采用点阵加权即在反射删的指条之间设置点阵。这种就够形式能够避免横向声波干扰模式及纵向声波干扰模式的产生，使得温度测量的精度进一步提高。
附图说明
1.图1为本发明一种基于无线温度传感器的芯片的结构示意图；
2.图2为本发明一种基于无线温度传感器的芯片的叉指换能器的结构示意图；
3.图3为本发明一种基于无线温度传感器的芯片的反射栅的机构示意图；
4.图4为本发明一种基于无线温度传感器的芯片的叉指换能器及反射栅结构变化之前的频率相应图；
5.图5为本发明一种基于无线温度传感器的芯片的叉指换能器及反射栅结构变化之后的频率相应图。
其中，1-叉指换能器，2-反射栅，3-压电基底，4-纵向声波干扰模式，5-横向声波干扰模式。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明提出一种基于无线温度传感器的芯片，包括叉指换能器1、反射栅2及压电基底3，所述叉指换能器1和反射栅2设置于压电基底3之上，所述反射栅2对称设置于叉指换能器1的两侧，所述叉指换能器1、反射栅2及压电基底3设于传感器的外壳内部，所述叉指换能器1的指条从左至右采用变级加权方式变化即从左至右相邻指条的重叠长度按照余弦函数变化，所述反射删2采用点阵加权即在所述反射删的指条之间设置点阵。本发明所提出的温度传感器采用声表面波谐振器，包含一个叉指换能器1，既做输入换能器又做输出换能器。反射栅2位于叉指换能器1的两侧，如图1所示，两侧的反射栅2构成一个声学谐振腔，叉指换能器1进行声-电的相互转换。其工作原理是:外部激励信号加载在输入叉指换能器1上，叉指换能器1将电信号转换为声表面波，声表面波沿压电晶体表面向两边传播，经两侧反射栅反射叠加，经由叉指换能器1输出，本结构适应于无源无线的温度检测。
本发明的叉指换能器的结构如图2所示，叉指换能器1的指条在中间位置的重叠长度最大。设叉指换能器1有2N+1根指条，采用变级加权，也就是相邻指条重叠的长度随指条序号按照余弦函数变化。则：
其中，W0为中间最长指条的长度。叉指换能器1采用这种结构形式能够很好的拟制纵向声波干扰模式的产生。
本发明的反射栅2的结构如图3所示，反射栅2上设置的点阵从左至右或者从右至左数目依次变多且点阵面积变小。本发明通过在发射删2相邻的指条之间设置点阵，且点阵设置在指条的竖直方向上，这样就可以改变发射删2在竖直方向上的金属化比，进而控制反射栅2孔径的大小。本发明采用点阵从左至右或者从右至左数目依次变多且点阵面积变小的方式对反射栅2进行加权可以很好的拟制横向声波干扰模式的产生。
如图4所示为叉指换能器1及反射栅2结构变化之前的频率响应图，从图中可以看出普通结构的叉指换能器1及反射栅2能够对频率响应产生不可忽略的横向声波干扰模式及纵向声波干扰模式，干扰模式的存在会大大的影响测量的精确度，而对叉指换能器1及反射栅2的机构进行改变后的频率响应见图5，从图中可以看出消除了横向声波干扰模式及纵向声波干扰模式，从而会大大的提高声表谐振器的反应灵敏度及精确度，进而提高对温度测量的精确度。
本发明将声表谐振器作为温度传感器的感应原件并将该原件置于需要测量温度的位置，外部通过温度采集器即可完成对温度的检测。本发明的温度采集过程包括如下步骤 ：一、温度采集器通过它的天线发射一个固定频率的电波信号，二、电波信号被传感器天线收到后，通过叉指换能器 1在压电感应器的表面激活一个声表面波；三、声表面波的频率由于受到传感器本身温度的影响发生了变化，正是由于频率受温度变化的机制，使得温度数据测量得以实现；四、叉指换能器 1 再将声表面波的频率振荡转化成电波信号，此电波信号由采集器上的天线收到后进行处理；五、由于谐振器的高质量特性，即使访问波具有50Hz 的带宽，也确保了反射回来的信号包含了精确的射频信息；六、反射回来的电波的频率变化与温度的变化成比例关系。按照上述的比例关系即可将电波信号频率换算成对应的温度，完成对温度的测量。
惟以上所述者，仅为本发明之较佳实施例而已，当然不能以此限定本发明实施之范围，即大凡依本发明权利要求及发明说明书所记载的内容作出简单的等效变化与修饰，皆仍属本发明权利要求所涵盖范围之内。此外，摘要部分和标题仅是用来辅助专利文件搜寻之用，并非用来限制本发明之权利范围。

Claims (1)

1.一种基于无线温度传感器的芯片，包括叉指换能器(1)、反射栅(2)及压电基底(3)，所述叉指换能器(1)和反射栅(2)设置于压电基底(3)之上，所述反射栅(2)对称设置于叉指换能器(1)的两侧，所述叉指换能器(1)、反射栅(2)及压电基底(3)设于传感器的外壳内部，其特征在于：所述叉指换能器(1)的指条从左至右采用变级加权方式变化即从左至右相邻指条的重叠长度按照余弦函数变化，所述反射栅(2)采用点阵加权即在所述反射栅(2)的指条之间设置点阵；所述叉指换能器(1)的指条在中间位置的重叠长度最大，所述反射栅(2)上设置的点阵从左至右或者从右至左数目依次变多且点阵面积变小。
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