CN107271028A - 一种超高温环境用无源无线声表面波传感系统应答器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种超高温环境用无源无线声表面波传感系统应答器，由声表面波传感芯片和气密性封装件组成，声表面波传感芯片是采用通用微电子技术在一压电晶体基片上制作有叉指换能器、反射栅阵等传感用金属电极结构的无源芯片。将现今独立的应答器天线集成在声表面波传感芯片上。由于应答器天线集成在声表面波传感芯片上，被放置在气密性封装件内，因此，所用的气密性封装件必须尽量降低对射频传感信号的影响。本技术方案彻底解决了超高温环境下声表面波传感器制作的技术难点。这种超高温环境用无源无线声表面波传感系统应答器的工作环境温度，仅取决于封装件和传感芯片的耐高温能力，目前技术即可实现1000度以上超高温环境工作。
Description
技术领域
本发明涉及声学技术中的一种声表面波传感系统应答器，尤其是涉及一种超高温环境用无源无线声表面波传感系统应答器。
背景技术
作为其技术基础的5G移动通信中，物联网，即智能传感网，是5G框架中最激动人心的应用，万物互联是信息社会的真正体现。智能传感网，其基本特点是：无处不在的传感节点，随时感知环境变化并通过无线链路汇集到信息中心处理及告知用户。
可无线联网的传感器是智能传感网的基础元件，其中无线遥测传感器是在高温、高辐射等恶劣环境中，或长期无人值守状态时应用的必选。
此处我们所述的无线遥测传感器，更明确的表述是指：通过无线电波作为传感器探头(下称应答器)和主机(下称阅读器)间的连接媒质，实现遥测功能的系统。遥测传感器系统由三部分组成：内含传感探头的应答器，主动收发无线电波的阅读器，和联网后台。无线遥测应答器，按所需能源分为：有源(自带如长效电池、太阳能板等电源)，半无源(采用接收阅读器强力射频电波的无线供电方式)以及无源三种，显然无源应答器是最适用于在严酷环境，或长期无人值守状态时应用。
能在高温、高辐射等恶劣环境，或长期无人值守状态中可靠工作的传感器，是智能传感网中不可或缺的，目前广泛应用的IC传感器，无法担当此重任。为此近年来开发的基于雷达原理的声表面波(Surface Acoustic Wave，SAW)无源无线传感器，不需外界电源，抗干扰能力强，能在各种恶劣环境(例如高温、强电磁干扰和核辐射等)中可靠工作，是常用IC传感器的补充，将在现代工业、农业、交通和环境保护等领域中发挥其独特作用。
例如，2008年初全国电力系统因雪灾造成的直接经济损失约为400亿元，占全国雪灾损失的22.3％。如果能采用SAW无线温度传感器直接监测电力网架空输电线温度，并采取有力预防措施，就可大大减小这些损失。特别是2011年日本核电站事故，使人们认识到在恶劣环境中能正常工作的传感器是多么的重要，如果核电站布局了SAW无线传感器，随时实时检测危险区域温度，就能使核电站运行有效和安全，推进未来核能源的广泛应用。
现有技术的SAW无线传感器应答器，由SAW传感芯片、气密性封装和应答器天线三部分组成。SAW传感芯片是采用通用微电子技术在一压电晶体基片上制作有叉指换能器、反射栅阵等传感用金属电极结构的无源芯片，利用压电晶体的(逆)压电效应，实现电磁波与声表面波的能量转换，完成电-声-电的信号处理。气密性封装是声表面波芯片的保护部件，同时实现芯片上叉指换能器与外部应答器天线的电气连接，也支撑应答器天线，其性状与使用环境密切相关。而与声表面波传感芯片上叉指换能器相连的应答器天线，是应答器与传感无线电波沟通的门户，用于收发声表面波传感系统应答器的激励与传感信号。
SAW无线传感器的工作原理是：传感器的探头(应答器)所处周围环境的物理量、化学量和生物量变化，会引起其中SAW传感芯片电气特性的偏移，此偏移借助传感芯片电-声-电的能量转换功能，对阅读器激励信号进行调制，产生传感回波。通过检测传感回波，就能监测应答器所处周围环境物理量、化学量和生物量等参量，达到无源无线遥测功能。
显见声表面波无线传感器是接触式传感，其应答器必须放置在待测处，能在待测点恶劣环境中可靠工作。只要无线电波传输链路通畅，阅读器和后台的工作环境就可以自主选择，限制较少。
高温环境传感应用对汽车、航空航天、能源和军事等领域有极其重要作用，高温环境用声表面波传感器的研制倍受重视。已经发现不少能在极高温环境下正常工作的压电晶体材料，如硅酸镓镧类单晶和钙-稀土硼酸盐单晶等，如表1所示。也开始研究能在超高温环境下老化率低的耐高温金属电极系统，例如铂、钨等金属及其合金。超高温环境用声表面波传感芯片的技术正在成熟。
现有技术中，声表面波芯片上叉指换能器与应答器天线的电气连接，是通过气密性封装的内外电极实现的。在应答器制作中，需要采用焊接实现电气连接的工序有：声表面波传感芯片上叉指换能器与气密性封装件内电极间的金丝焊接，以及气密性封装件外电极与应答器天线间的焊料焊接。特别是，为完成芯片金丝焊接，芯片压焊部分必须采用粘结剂固定在气密性封装件内。
在目前，能在超高温环境下可靠工作的粘结剂不多，焊料基本没有，声表面波芯片与应答器天线的电气连接已成为研制超高温环境用声表面波传感器的技术难点。
发明内容
为推进超高温声表面波无源无线传感器的发展，本发明提出一种超高温环境用无源无线声表面波传感系统应答器的技术方案：
一种超高温环境用无源无线声表面波传感系统应答器，由声表面波传感芯片和气密性封装件组成，本发明的主要特征是：
声表面波传感芯片是采用通用微电子技术在一压电晶体基片上制作有叉指换能器、反射栅阵等传感用金属电极结构的无源芯片。
将现今独立的应答器天线集成在声表面波传感芯片上(下称微型天线)。由于应答器天线集成在声表面波传感芯片上，被放置在气密性封装件内，因此，所用的气密性封装件必须尽量降低对射频传感信号的影响。
声表面波传感芯片放在气密性封装件内的方式，可以是不使用粘结剂，但机械位置有限制的不固定方式，例如应用在温度传感器中；也可是使用粘结剂的芯片部分固定方式，例如应变传感器应用。
声表面波传感芯片上的微型天线，是介质基板金属薄膜天线，在制作声表面波传感芯片上的传感用金属电极结构时，同时制作。
本技术方案中，声表面波传感芯片与应答器天线不需要电气连接，彻底解决了超高温环境下声表面波传感器制作的技术难点。这种超高温环境用无源无线声表面波传感系统应答器的工作环境温度，仅取决于封装件和传感芯片的耐高温能力，目前技术即可实现1000 度以上超高温环境工作。
附图说明
图1谐振型声表面波无源无线传感系统框图
图2谐振型声表面波无源无线传感应答器实测回波
图3延迟型声表面波无源无线传感系统框图
图4现有技术的谐振型声表面波传感芯片
图5本发明：一种超高温环境用无源无线声表面波传感系统应答器
图6实施例1的谐振型声表面波传感芯片
图7实施例2的谐振型声表面波传感芯片
图8实施例3的谐振型声表面波传感芯片
表1压电晶体工作温度范围
具体实施方式
一、声表面波(Surface Acoustic Wave，SAW)传感器简介
1.1SAW器件特点
SAW器件是在压电晶片上制作的无源微型电子元件，它利用淀积在压电晶片上的叉指换能器和反射栅阵等金属薄膜结构，基于晶片的(逆)压电效应，实现电磁波-声表面波的能量相互转换，产生、转换和控制声表面波，来完成稳频、滤波、延迟和传感等功能，已在雷达、通讯、音视频、遥控、传感等领域得到广泛应用。
SAW器件的能量转换不涉及电子-空穴过程，外界电磁辐射不会对其产生影响，所以 SAW器件能在强电磁辐射环境中应用。
SAW器件的基本特点是：
·抗辐射，耐高低温，环境适应能力强，能在严酷环境中可靠工作；
·器件体积小，重量轻，可靠性高，采用微电子技术批量生产，一致性好；
·表面波在晶片表面传播，容易控制其传输性能，实现信号处理和传感功能；
·声表面波机电换能过程没有电载荷子参与，没有能量转换阈值，是无源器件。1.2SAW传感器
SAW技术在信息敏感方面也表现出卓越的优势，SAW传感器的工作原理是：器件所处周围环境的物理量、化学量和生物量变化，会引起SAW器件电气特性的偏移，通过检测这些偏移就能监测周围环境物理量、化学量和生物量等参量。在个体识别(标签)、物理、化学、生物传感器系统中将有极大应用前景。
SAW传感器灵敏度高、性能稳定、且与半导体工艺兼容，主要特点有：
·表面波在晶片表面传播，易受外界环境干扰，有直接传感功能；
·声波传输表面加载敏感膜，容易对其表面波实施改造，实现化学生物传感应用；
·叉指换能器有频率选择性，输出信号准数字化；
SAW传感器的传感机制主要有两种：只利用压电基片自身敏感性能的物理传感器和附加外部敏感膜的化学生物传感器。物理传感器关键是敏感结构设计，而化学生物传感器的关键是敏感膜的选择和生长方法。
SAW传感器的应用方式可分为两大类：有线传感器和无线传感器。
SAW有线传感器是指将SAW传感器作为探测电路的无源元件，例如振荡电路的反馈延迟线，稳频谐振器等。由于SAW传感器在环境参量的影响下其性能发生改变，导致探测电路的某个电参数随之变化，而得到环境参数值。这类SAW有线传感器，已实用化多年。
SAW无线传感器是一个功能元件，在外界特定无线电信号激励时，能无线发送回所处环境参量的传感信息。SAW器件本质是无源的，即不需要外界提供电源即可工作，据文献报道，SAW标签与IC标签相比，在同样询问信号功率时，工作距离要大三十倍左右。而且SAW无线传感器能在严酷环境下可靠工作，因此SAW无线传感器近年来极受重视。
1.3SAW无线传感器
如上述，SAW无线传感器得到重视的原因是它具有其他类型传感器不具备的无线遥测功能，并能在恶劣环境下可靠工作。
一个SAW器件中，至少利用了一个叉指换能器实现电-声能量转换。叉指换能器是一个淀积在压电基片上、按一定规则交叉排列、形如两手手指交叉状的金属条阵薄膜结构，有两个不同极性汇流外引电极，具有频率选择性和直连天线收发无线电波的能力。高频叉指换能器直接连接天线后，SAW芯片就能接收询问共振电磁波，并发回携带传感信息的电磁回波，达到无线传感功能。
SAW无线传感器系统是基于雷达原理的反向散射射频识别方式工作的，它由三部分构成：阅读器、应答器和信息处理(含数据库)，图1为谐振型声表面波无源无线传感系统框图，图3为延迟型声表面波无源无线传感系统框图。应答器就是一个只由SAW无线传感芯片、应答器天线和适应传感环境用气密性外壳组成的组件，它是具有可控反射回波特性的人造反射目标。阅读器由激励脉冲产生发射部件、回波信号接收处理部件、后台接口、控制电路和收发天线组成。
除非特别说明，在不会产生误解时，本说明书将把“无线传感器”中“无线”两字省略。
传感器系统的工作原理如下：阅读器主动发射询问脉冲，被应答器天线接收后，馈电到声表面波传感芯片的叉指换能器。当询问脉冲参数与叉指换能器参数相近时，由于(逆)压电效应，会产生高频回波，并由应答器天线发回到阅读器，图2为谐振型应答器的实测回波特性，图3中示波器图为延迟型应答器的实测回波特性。由于回波特性(频率、相位、延时等)易受传感芯片所处环境影响，故被阅读器接收的回波已携带有应答器所处环境特征，例如温度、压力等。所以处理回波特性，即可达到实时遥测目的。
按应答器检测原理又分为两种类型：谐振型和延迟型。
谐振型SAW传感器系统，应答器中的SAW传感芯片封装在气密性封装外壳中，与应答器天线电气连接。
图4为现有技术的谐振型SAW传感系统应答器中的声表面波传感芯片。SAW传感元件是一个SAW谐振器，由压电基片上叉指换能器和紧靠的同频反射栅阵构成，是一个采用声电能量转换的谐振结构。它利用了SAW谐振器的谐振频率会受外界环境影响发生变化的特性，若测出处于待测环境处SAW谐振器谐振频率的变化，即可推测出环境参量的变化，实现无线传感功能。
谐振型SAW传感器，多用于物理传感器，例如温度传感器和应变传感器。选择具有适当温度特性的压电晶体某切向基片制作传感芯片，就是一个实用的温度传感器。选择具有适当应变特性但温度特性极小的压电晶体某切向基片制作传感芯片，并设计气密性封装件内部结构将外界应力加载于基片上，就构成一个实用的应变传感器。
如图3所示，延迟型传感器应答器的声表面波传感芯片，由叉指换能器和多个距离较远的短反射栅阵组成。外界环境应力变化会改变各反射信号的延时，由此获得传感信息。由于采用了延迟反射结构，基于SAW传播速度比电磁波低得多的特点，使反射回波比阅读器激励信号延时(起始回波延迟时间)一微秒以上，避免了激励信号和环境近距干扰等对有效信息回波的影响，比较适合有强电磁干扰的应用环境。
对于物理型传感器，设计适当的基片敏感结构，使回波时延参数受待测环境应力影响稳定且极大。而对于化学生物型传感器，在压电基片声波脉冲传输路径位置淀积一敏感
膜，通过敏感膜对待测化学生物量的敏感性，使敏感膜性质发生变化，进而影响声波脉冲传输性能，导致回波脉冲串间时延发生可检测变化，即可达到传感目的。
1.4超高温环境用SAW无线传感器
SAW无线传感器，应用在超高温环境下，没有原理性障碍，有关技术进展说明如下。1.4.1压电单晶
现在常用于SAW传感器的压电晶体有石英、铌酸锂和钽酸锂。石英，电阻率高，但350C以上损耗加大、573C相变。铌酸锂、钽酸锂晶体的温度系数较大，适合制作需要更精确测温应用，但超过300C会开始分解，只能使用在300度以下环境中。
现已发现不少压电单晶能用于超高温环境，如下表1所示。
特别是钙-稀土硼酸盐化合物，如钇钙氧硼单晶YCa4O(BO3)3(YCOB)，电阻率高、压电性能稳定、1450度熔点下不相变。
已有报道，采用YCOB制作的传感器，至少可工作在800℃以上，主要限制是器件封装。
1.4.2气密性封装
声表面波器件，是表面敏感的，为正常工作，必须放置在气密性外壳内。超高温环境下的气密性封装，虽有技术难度，但已有不少先进技术能达到要求，例如HTCC、LTCC 等。
1.4.3天线
目前应答器天线，各式各样，与应用环境与设计选择有关。
如前述，声表面波芯片上叉指换能器与应答器天线的电气连接，是通过气密性封装的内外电极实现的，已成为研制超高温环境用声表面波传感器的难点。
二、本发明的技术方案
本技术方案，将现今独立的应答器天线直接集成在声表面波传感芯片上(下称微型天线)，彻底解决了前述超高温环境下声表面波传感器制作的技术难关。
声表面波传感芯片放在气密性封装件内的方式，可以是不使用粘结剂，但机械位置有限制的不固定方式，例如应用在温度传感器中；也可是使用粘结剂的芯片部分固定方式，例如应变传感器应用。
由于应答器天线集成在声表面波传感芯片上，被放置在气密性封装件内，因此，所用的气密性封装件必须尽量降低对射频传感信号的影响。
声表面波传感芯片上的微型天线，是介质基板金属薄膜天线，在制作声表面波传感芯片时同时制作。
三、具体实施例
不失一般性，我们以最常采用的谐振型温度传感器为例，说明本发明具体实施方式。
基于传感器应用场景，采用的压电基片材料可以不同，但其芯片拓扑是一样的：一个或多个声表面波谐振器，并联到芯片内置微型天线。
芯片设计包括两部分：声表面波谐振器和微型天线。
制作传感用声表面波谐振器，如：压电晶体与切向、电极金属系统、版图设计和工艺等，对本专业人士是公开已知技术。
由于集成在压电基片上的微型天线，是介质基板金属薄膜天线，可采用HFSS等微波设计软件设计，这对专业人士也是公开已知技术。不失一般性，实施例中以半波偶极子天线为代表。
超高温环境用气密性封装件，已有较成熟的技术和产品，不过实用环境和小型化也是技术推动的动力。
图5为以下实施例的基本结构，声表面波传感芯片直接放在气密性封装件内，封装件内部有限位结构，使芯片在封装件内不能自由移动，但也不会对其产生外部应力影响其电性能。
以下结合附图，以声表面波传感芯片不同方式，对本发明作进一步详细说明。
实施例1，声表面波传感芯片上集成的微型天线与声表面波传感换能器在芯片同一表面上，如图6所示。所述工艺，均是标准微电子工艺技术，一维专业人士所熟知。
实施例2，声表面波传感芯片上集成的微型天线与声表面波传感换能器分别在芯片正反表面，两者采用通孔或边壁并连。图7所示的传感芯片，正面为一声表面波谐振器，背面为一半波偶极子天线，两者采用通孔电气连接。所述工艺，均是标准微电子工艺技术，一维专业人士所熟知。
实施例3，声表面波传感芯片上集成有两个微型天线，一个微型天线与声表面波传感换能器在芯片同一表面，而另一个微型天线在芯片反表面，两个天线采用通孔或边壁并联或串联；两个天线组合后与声表面波传感换能器并联。
图8所示的传感芯片，正面的声表面波谐振器集成有一半波偶极子天线，背面也制作了一半波偶极子天线，两者采用通孔电气并联。所述工艺，均是标准微电子工艺技术，一维专业人士所熟知。
以上实施例，均以谐振型声表面波传感芯片为例，当然也可用于延迟型声表面波传感芯片，因为这是本专业人士熟知的技术，故不再举例说明。
虽然本发明已以较佳实施例公开如上，但附图和实施例并不是用来限定本发明，任何熟悉此技艺者，在不脱离本发明之精神和范围内，自当可作各种变化或润饰，但同样在本发明的保护范围之内。因此本发明的保护范围应当以本申请的权利要求书所界定的为准。
Claims (2)
1.一种超高温环境用无源无线声表面波传感系统应答器，其特征在于，由声表面波传感芯片和气密性封装件组成，所述声表面波传感芯片是在一压电晶体基片上制作有叉指换能器和反射栅阵的传感用金属电极结构的无源芯片，所述声表面波传感芯片上还集成有一个与叉指换能器并联的微型天线；所述声表面波传感芯片放在所述气密性封装件内，两者没有电气连接。
2.根据权利要求1中所述的一种超高温环境用无源无线声表面波传感系统应答器，其特征在于，所述声表面波传感芯片上的微型天线是介质基板金属薄膜天线。
Priority Applications (1)
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| CN201710381774.7A CN107271028A (zh) | 2017-05-26 | 2017-05-26 | 一种超高温环境用无源无线声表面波传感系统应答器 |
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