CN112945430A - 一种声表面波高温压力传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种声表面波高温压力传感器，合金外壳内设置有传感器芯片，传感器芯片上方的合金外壳处设置有压力敏感膜，压力敏感膜通过传力顶针与传感器芯片连接，传感器芯片一侧的合金外壳内设置有接收天线，另一侧对应设置有发射天线。本发明能够在恶劣环境下进行高温压力测量，并且可实现无线无源，灵敏度高，稳定性高，成本低，易于量产。
Description
技术领域
本发明属于微机电系统(MEMS)传感器技术领域，具体涉及一种声表面波高温压力传感器。
背景技术
压力传感器是各类传感器中应用最为广泛的一种，根据测压原理及制备工艺的不同，压力传感器可分为压阻式、电容式和光纤式等多种，其外形尺寸、精度及适用范围各有不同。
近年来随着国防工业的快速发展，航空、航天以及汽车、能源化工等行业急需高温压力传感器，用以解决高温环境下压力测量的问题。例如油井内的高温环境下的压力测量、发动机压力测量、航天飞行器、宇宙飞船的姿态检测、导弹、火箭、卫星等表面各部分耐热元件的压力监测。此类压力测量的环境温度高，对于大于500℃温度环境的压力测量有极大的需求。因此开展新型高温压力传感器的研究具有现实的重要意义。目前几种常用的高温压力传感器包括多晶硅高温压力传感器、单晶硅(SOI)压力传感器、硅-蓝宝石(SOS)高温压力传感器、SiC高温压力传感器、光纤高温压力传感器。
硅压阻式高温压力传感器，该类型的传感器其共同点和基本原理均是利用硅基材料的压阻效应来实现压力传感。但是高于500℃的硅膜片的热形变问题已成为其最终的制约因素。目前硅压阻式高温压力传感器研究水平和实际应用的要求还有较大的差距。
SOS蓝宝石压力传感器为应变式压力传感器结构，但是这种压力传感器技术上的劣势是成本高、工艺复杂。蓝宝石单晶片的成本高于硅片的10倍，价格过于昂贵，且蓝宝石材料由于硬度高且抗腐蚀性好造成了加工上的困难，而机械制作方法的成品率又低，上述各因素均限制了SOS传感器的生产和推广应用。
光纤高温压力传感器虽然具有优越的高温测量性能，但其应用复杂，整套系统包括光源、光调制、检出手段、透镜系统等各个组件，该多元性特征使它容易受到非待测物理量的影响，另外，光纤与包敷材料间存在热膨胀系数的不匹配的现象，该现象也会降低测试精度。所以，目前用于高温条件下的光纤压力传感器使用时必须采取强制冷却措施，使传感器冷却到正常温度以下，例如在测量航空电动机燃烧室的温度时采用冷却套水冷方式，当燃烧室燃气温度为1300℃时，传感器端部温度为40℃。
对于声表面波器件，压电材料的选择很重要，而对于在高温下测量压力，ALN相较于其他材料尤显优势。在温度在200℃以下时，石英材料的压电效应不随温度变化而变化；而当温度上升至573℃时，α-石英(三方晶系32点群)发生相变转变成β-石英(六方晶系622点群)，不再具有压电性。在实际使用中，石英到450℃即由于压电性损耗太大而不宜再用。铌酸锂材料在温度超过300℃时便会分解，基于铌酸锂材料的声表面波器件在400℃的高温环境下只能正常工作十天，在450℃仅能正常工作两小时。
另外在工业生产活动中，经常需要对一些特殊环境，如密闭环境、高温环境等条件下进行压力测量，通常这种环境都不能够采取有线传感器进行测量，而无线压力传感器就非常适合在这种环境下进行测量，而以上几种压力传感器不能够进行无线测量，不能够解决现在存在的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种声表面波高温压力传感器，能够进行无线无源测量，体积小，成本低，在不改变准确度的前提下降低功耗，并且有利于降低工艺难度，适于量产，良品率高，具有高灵敏度、高精确度、大量程、高稳定性的特点。
本发明采用以下技术方案：
一种声表面波高温压力传感器包括合金外壳，合金外壳内设置有传感器芯片，传感器芯片上方的合金外壳处设置有压力敏感膜，压力敏感膜通过传力顶针与传感器芯片连接，传感器芯片一侧的合金外壳内设置有接收天线，另一侧对应设置有发射天线及信号处理电路。
具体的，传感器芯片从下至上依次为SiC基片、第二SiO2薄膜、Mo薄膜、ALN薄膜和第一SiO2薄膜；SiC基片上设置有背刻蚀空腔，ALN薄膜上间隔设置有差分结构的叉指换能器。
进一步的，叉指换能器采用金属化1:1的结构，从左到右依次包括第二反射栅、两个第一叉指、两个第二叉指、两个第三叉指和第一反射栅；第一叉指、第二叉指、第三叉指结构相同，两个第一叉指、两个第二叉指及两个第三叉指之间均采用插接方式连接；
第一叉指与第二叉指之间，以及第三叉指与第二叉指之间的距离相等，第一叉指与第二反射栅之间，以及第三叉指与第一反射栅之间的距离相等，第一反射栅和第二反射栅结构相同。
进一步的，叉指换能器采用分裂叉指换能器结构，从左到右依次包括第三反射栅、两个第六叉指、两个第四叉指、两个第五叉指和第四反射栅，第六叉指、第四叉指和第五叉指的结构相同，两个第六叉指、两个第四叉指及两个第五叉指之间均采用插接方式连接；
第六叉指与第四叉指之间，以及第五叉指与第四叉指之间的距离相等，第六叉指与第三反射栅之间，以及第五叉指与第四反射栅之间的距离相等；第三反射栅和第四反射栅的结构相同。
进一步的，叉指换能器采用单向单相叉指换能器结构，包括两个第十一叉指，两个第十一叉指插接连接，第十一叉指的一侧设置有第十叉指和第九叉指，另一侧设置有第七叉指和第八叉指，第十叉指和第九叉指、第七叉指和第八叉指均插接连接；第十叉指和第七叉指结构相同，第九叉指和第八叉指结构相同；第十一叉指分别与第十叉指和第七叉指之间的距离相等。
进一步的，叉指换能器采用带假指叉指换能器结构，从左到右依次包括第五反射栅、两个第十二叉指、两个第十三叉指、两个第十四叉指和第六反射栅，第十二叉指、第十三叉指和第十四叉指的结构相同，两个第十二叉指、两个第十三叉指及两个第十四叉指之间均采用插接方式连接；
第十二叉指与第十三叉指之间，以及第十四叉指与第十三叉指之间的距离相等，第十二叉指与第五反射栅之间，以及第十四叉指与第六反射栅之间的距离相等；第五反射栅和第六反射栅的结构相同。
进一步的，叉指换能器采用带假指的分裂叉指换能器结构，从左到右依次包括第七反射栅、两个第十九叉指、两个第二十叉指、两个第二十一叉指和第八反射栅，第十九叉指、第二十叉指和第二十一叉指的结构相同，两个第十九叉指、两个第二十叉指及两个第二十一叉指之间均采用插接方式连接；
第十九叉指与第二十叉指之间，以及第二十一叉指与第二十叉指之间的距离相等，第十九叉指与第七反射栅之间，以及第二十一叉指与第八反射栅之间的距离相等；第七反射栅和第八反射栅的结构相同。
进一步的，压电层ALN薄膜和叉指换能器之间采用铬或钛进行粘连；背刻蚀空腔的刻蚀形状为圆形或矩形结构。
具体的，传力顶针设置在合金外壳的中心，传力顶针的中间部分设置有缩颈凹槽，传力顶针与传感器芯片的连接处为半圆形结构。
进一步的，合金外壳包括上部分和下部分，上部分和下部分采用螺纹方式进行连接，合金外壳内对应设置有第一凸台和第二凸台，发射天线及信号处理电路设置在第一凸台上，接收天线设置在第二凸台上。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明一种声表面波高温压力传感器，合金外壳上表面受力区域为薄膜结构，所受的力最终集中于延迟线中心一点，能有效提高传感器灵敏度，金属外壳整体密封，通过结构将外部压力传至传感器芯片上表面，通过点接触的形式，来进一步提高传感器的测量灵敏度。与此同时，密封结构也避免外部灰尘等杂质对传感器芯片的影响，保证传感器在恶劣环境下依然能够有进行准确测量。
进一步的，为保证该传感器能在高温下工作，并保证精确度，特采用耐高温合金外壳，一方面能承受较高温度，另一方面也能隔绝一部分外部热量，使腔内温度变化较小，配合具有温度补偿结构的叉指换能器，使传感器在高温环境下作业时，温度对测量精确度的影响降至最低。
进一步的，传感器芯片采用耐高温材料ALN、SiC、SiO2等，能够在高温环境下对压力进行准确测量；采用无线无源模式，能够在复杂、密闭、恶劣环境下对压力进行测量。ALN在高温下有良好的热稳定性和压电性，能在500℃的高温环境下正常工作，满足在高温恶劣环境下工作的要求，SIC在500℃时依然具有较好的性能，SiO2与ALN具有相反的温度系数，二者结合能够降低温度对ALN的影响。传感器芯片结构采用背腔刻蚀结构，能够有效提高传感器测量灵敏度；应用两层SiO2薄膜进行温度补偿，能够有效降低温度对传感器芯片的影响，提高传感器准确度和稳定性；叉指换能器结构采用差分结构，左右两边叉指换能器结构完全相同，左边测量，右边作为温度补偿结构，能够有效降低温度对传感器芯片的影响，使测量结果更准确。
进一步的，本发明叉指换能器所采用得差分结构，相比于传统得两对延迟线结构垂直放置，工作方式有所不同，传统结构需要使两对延迟线结构一起震荡，无疑增大了功耗以及误差，本发明只需要使中间叉指换能器震荡产生声表面波即可，既能降低功耗，提高精确度，实现结构上的温度补偿，同时，还能够缩小器件的体积，降低加工成本。
进一步的，金属化1:1的均匀叉指换能器结构是最常用叉指换能器结构，结构简单，工艺相对成熟。
进一步的，声表面波振荡器中声表面波器件遇到的电极反射问题，主要是同一换能器内部电极之间的反射情况。这种反射信号不仅增大了声表面波器件的插入损耗，而且使带内波纹增加，恶化了器件的性能特性。为了消除单指叉指换能器存在的指条边缘反射问题，在振荡器系统声表面波器件的设计中采用了分裂叉指换能器结构方案。这种换能器是在设计时将普通叉指换能器的每一根指条一分为二就可以构成分裂叉指换能器，即原来宽度为λ0/4的叉指电极，现在为λ0/8，减少为原来的一半，λ0声表面波波长。
进一步的，单向单相叉指换能器结构能有效的降低损耗，而较低的插入损耗会有较高的Q值，由经典理论可知，延迟线的Q值也是传感器短期频率稳定度的影响因素。Q值越大，频率稳定性能越好。同时，该结构也能够使器件更加小型化。
进一步的，采用带假指叉指换能器结构，假指与邻近的指条电极有相同的电势，不会对声波的激励产生贡献，但是却可以给声表面波的传播相位起到补偿作用，从而改善波阵面的畸变。
进一步的，采用带假指的分裂叉指换能器结构，能够进一步改善传感器性能，降低插入损耗，改善波阵面的畸变。
进一步的，为了叉指换能器与压电层ALN薄膜具有更好的粘附性，防止电极脱落，在压电层ALN薄膜和叉指换能器之间采用铬进行粘连。
进一步的，背刻蚀空腔形成薄膜结构，作为压力的测量区域。形状为圆形或矩形目的在于，传感器芯片在受力的状况下能够产生较大形变，进而提高传感器灵敏度。
进一步的，传力顶针中间部分设置有缩颈凹槽，能够有效减小震动等对传感器的影响，提高传感器在恶劣环境下的工作能力，提高传感器的稳定性，传力顶针底部为半圆形结构，与传感器芯片为点接触，并且与传感器芯片接触更圆滑。
进一步的，通过设置的第一凸台和第二凸台对传感器芯片进行固定并放置天线及电路结构。
综上所述，本发明能够在恶劣环境下进行高温压力测量，并且可实现无线无源，灵敏度高，稳定性高，成本低，功耗低，易于量产。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为传感器芯片结构示意图；
图3为金属化1:1均匀叉指换能器结构示意图；
图4为分裂叉指换能器结构示意图；
图5为单向单相叉指换能器结构示意图；
图6为带假指叉指换能器结构示意图；
图7为带假指的分裂叉指换能器结构示意图；
图8为传感器俯视图；
图9为传感器导纳仿真图。
其中，2.合金外壳；3.传力顶针；4.缩颈凹槽；5.压力敏感膜；7.发射天线；8.第一凸台；9.传感器芯片；10.第二凸台；11.接收天线；901.叉指换能器；902.第一SiO2薄膜；903.压电层ALN薄膜；904.Mo薄膜；905.第二SiO2薄膜；906.SiC基片；907.空腔；90101.第一叉指；90102.第二叉指；90103.第三叉指；90104.第一反射栅；90105.第二反射栅；90106.第四叉指；90107.第五叉指；90108.第四反射栅；90109.第六叉指；90110.第三反射栅；90111.第七叉指；90112.第八叉指；90113.第九叉指；90114.第十叉指；90115.第十一叉指；90116.第十二叉指；90117.第十三叉指；90118.第十四叉指；90119.第六反射栅；90120.第五反射栅；90121.第十五叉指；90122.第十六叉指；90123.第十七叉指；90124.第八反射栅；90125.第七反射栅。
具体实施方式
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。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“一侧”、“一端”、“一边”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。
在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。
本发明提供了一种声表面波高温压力传感器，基于工业频率433.92MHz的无线无源声表面波高温压力传感器，耐高温合金外壳将整个器件密封，外部力作用在压力敏感膜上，通过传力顶针传至传感器芯片敏感区域，传感器芯片上部溅射具有温度补偿的叉指换能器结构，叉指换能器与接收天线和发射天线以及信号处理电路相连，实现无线无源测量。该传感器结构具有耐高温，可在高温环境下进行力的测量，工艺简单，可实现无线无源，灵敏度高的特点。
请参阅图1，本发明一种声表面波高温压力传感器，包括：耐高温合金外壳2、传力顶针3、缩颈凹槽4、压力敏感膜5、发射天线及信号处理电路7、第一凸台8、传感器芯片9、第二凸台10和接收天线11。
合金外壳2内的底部两侧分别设置有第一凸台8和第二凸台10，第一凸台8上设置有发射天线及信号处理电路7，第二凸台10上设置有接收天线11；第一凸台8和第二凸台10之间设置有传感器芯片9，合金外壳2的顶部设置有压力敏感膜5，压力敏感膜5与传感器芯片9之间设置有传力顶针3；当压力敏感膜5受到压力时，能够产生较大形变，通过传力顶针3将力传至传感器芯片9表面测量区域，使传感器芯片9表面产生形变，进而提高传感器灵敏度，传感器芯片9的表面发生形变导致压电层ALN薄膜903的材料参数(弹性劲度常数，压电应力常数，介电常数等)发生改变，从而引起声波传播相位、时间或速度的改变，进而测量振荡频率的变化后便可实现对压力的精确检测。
传感器整体可划分为上下两部分，上下两部分通过螺纹连接进行连接及密封，连接后耐高温合金外壳2整体为密闭结构，压力敏感膜5为薄膜结构，外部力作用在压力敏感膜5上，进而通过传力顶针3传递至传感器芯片9上进行测量。
传力顶针3与合金外壳2为一体结构，将作用在压力敏感膜5结构上的力精确传送至传感器芯片9的表面，传力顶针3底部为半圆形结构，与传感器芯片9实现点接触，能够提高传感器芯片9测量灵敏度。
传力顶针3中间部分设置有缩颈凹槽4，能够有效减小震动等对传感器的影响，提高传感器在恶劣环境下的工作能力，提高传感器的稳定性。
第一凸台8和第二凸台10的作用一方面是固定传感器芯片9，防止其左右移动；另一方面，第二凸台10上表面放置接收信号的接收天线11，第一凸台8上放置发射信号的发射天线及信号处理电路7。
传感器分为上下两个部分，传力顶针3焊接在上半部分，装配时，上下两个部分通过螺纹连接进行装配，保证连接可靠性的同时，保证传感器的密封性。
请参阅图8，为传感器整体的俯视图。
请参阅图2，针对高温使用环境，传感器芯片9的材料选用耐高温材料；从下至上依次为SiC基片906、第二SiO2薄膜905、Mo薄膜904、ALN薄膜903和第一SiO2薄膜902。
基底采用SiC基片906，进行背刻蚀，得到背刻蚀空腔907，刻蚀形状为圆形或方形，保留一个薄膜结构，以提高传感器灵敏度；SiC基片906上面沉积一层SiO2薄膜905进行温度补偿，上面再沉积一层Mo薄膜904作为声波反射层，防止声波传入基底，造成能量损失，增加器件的机电转换能力，从而增加了器件的机电转换效率；再溅射一层ALN薄膜903作为压电层，为了叉指换能器901与压电层ALN薄膜903具有更好的粘附性，防止电极脱落，在压电层ALN薄膜903和叉指换能器901之间采用铬进行粘连；在铬上面溅射一层金电极即叉指换能器901结构，产生声表面波；最后最上面再沉积一层第一SiO2薄膜902进行温度补偿。
叉指换能器901结构为以下三种结构：
ⅰ.请参阅图3，叉指换能器901采用金属化1:1的结构，包括第一叉指90101、第二叉指90102、第三叉指90103、第一反射栅90104和第二反射栅90105；
第一叉指90101、第二叉指90102、第三叉指90103结构完全相同，第一叉指90101与第二叉指90102和第三叉指90103与第二叉指90102之间距离相等，第一叉指90101与第二反射栅90105和第三叉指90103与第一反射栅90104之间距离相等，第一反射栅90104和第二反射栅90105结构完全相同。
第二叉指90102接收来自接收天线11的信号，产生声表面波，向两边传播，第一叉指90101、第三叉指90103因为压电效应，产生信号，然后对两信号进行混频，和低通滤波，即可得到因为压力而产生的频率改变量，继而得出所测压力大小。
ⅱ.请参阅图4，叉指换能器901采用分裂叉指换能器结构，声表面波振荡器中声表面波器件遇到的电极反射问题，主要是同一换能器内部电极之间的反射情况。这种反射信号不仅增大了声表面波器件的插入损耗，而且使带内波纹增加，恶化了器件的性能特性。为了消除单指叉指换能器存在的指条边缘反射问题，在振荡器系统声表面波器件的设计中采用了分裂电极方案。这种换能器是在设计时将普通叉指换能器的每一根指条一分为二就可以构成分裂叉指换能器，即原来宽度为λ0/4的叉指电极，现在为λ0/8，减少为原来的一半。λ0为声表面波波长。包括第四叉指90106、第五叉指90107、第六叉指90109、第三反射栅90110和第四反射栅90108。
第六叉指90109、第四叉指90106、第五叉指90107结构完全相同，第六叉指90109与第四叉指90106和第五叉指90107与第四叉指90106之间距离相等，第六叉指90109与第三反射栅90110和第五叉指90107与第四反射栅90108之间距离相等；第三反射栅90110和第四反射栅90108结构完全相同。
第四叉指90106接收来自接收天线11的信号，产生声表面波，向两边传播，第六叉指90109、第五叉指90107因为压电效应，产生信号，对两信号进行混频，和低通滤波，即可得到因为压力而产生的频率改变量，继而得出所测压力大小。
ⅲ.请参阅图5，叉指换能器901采用单向单相结构，单向单相叉指换能器结构能有效的降低损耗，而较低的插入损耗会有较高的Q值，由经典理论可知，延迟线的Q值也是传感器短期频率稳定度的影响因素。Q值越大，频率稳定性能越好。同时，该结构能够使声波沿一个方向传播，而另一个方向没有声波的传播，即无需反射栅结构，有利于器件的小型化，包括第七叉指90111、第八叉指90112、第九叉指90113、第十叉指90114和第十一叉指90115。
第十叉指90114、第七叉指90111结构完全相同，第九叉指90113、第八叉指90112结构完全相同；第十叉指90114与第十一叉指90115和第七叉指90111与第十一叉指90115之间的距离完全相等。
第十一叉指90115接收来自接收天线11的信号，产生声表面波，向两边传播，第十一叉指90115、第九叉指90113、第七叉指90111、第八叉指90112因为压电效应，产生信号，对两信号进行混频，和低通滤波，即可得到因为压力而产生的频率改变量，继而得出所测压力大小。
ⅳ.请参阅图6，叉指换能器901采用带假指叉指换能器结构，假指与邻近的指条电极有相同的电势，不会对声波的激励产生贡献，但是却可以给声表面波的传播相位起到补偿作用，从而改善波阵面的畸变，包括第十二叉指90116、第十三叉指90117、第十四叉指90118、第五反射栅90120和第六反射栅90119；
第十二叉指90116、第十三叉指90117、第十四叉指90118结构完全相同，第十二叉指90116与第十三叉指90117和第十四叉指90118与第十三叉指90117之间距离相等，第十二叉指90116与第五反射栅90120和第十四叉指90118与第六反射栅90119之间距离相等；第五反射栅90120和第六反射栅90119结构完全相同；
第十三叉指90117接收来自接收天线11的信号，产生声表面波，向两边传播，第十二叉指90116、第十四叉指90118因为压电效应，产生信号，对两信号进行混频，和低通滤波，即可得到因为压力而产生的频率改变量，继而得出所测压力大小。
ⅴ.请参阅图7，叉指换能器901采用带假指的分裂叉指换能器结构，能够消除单指叉指换能器存在的指条边缘反射问题，还能够改善波阵面的畸变。包括第十五叉指90121、第十六叉指90122、第十七叉指90123、第七反射栅90125和第八反射栅90124；
第十五叉指90121、第十六叉指90122、第十七叉指90123结构完全相同，第十五叉指90121与第十六叉指90122和第十七叉指90123与第第十六叉指90122之间距离相等，第十五叉指90121与第七反射栅90125和第十七叉指90123与第八反射栅90124之间距离相等；第七反射栅90125和第八反射栅90124结构完全相同。
第十六叉指90122接收来自接收天线11的信号，产生声表面波，向两边传播，第十五叉指90121、第十七叉指90123因为压电效应，产生信号，对两信号进行混频，和低通滤波，即可得到因为压力而产生的频率改变量，继而得出所测压力大小。
请参阅图9，导纳曲线中有极值点，而极值点对应的频率，也就对应着声表面波的某一个模态，本发明采用的是瑞利波，谐振频率在工业频率433.92MHz左右。采用该频率，也是为了更好的实现器件的无线无源化。
综上所述，本发明一种声表面波高温压力传感器，能够实现无线无源化，并且具有温度补偿结构，能够实现在恶劣环境下的高温压力测量。优化了叉指换能器结构，在保证精确度的前提下，降低功耗，节约成本，缩小体积。设计多种叉指换能器结构，可根据实际应用中出现的具体需求进行选择。与此同时，该结构还能防震，防尘，具有较高的压力灵敏度。该器件结构简单，易于量产，成本低。
以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种声表面波高温压力传感器，其特征在于，包括合金外壳(2)，合金外壳(2)内设置有传感器芯片(9)，传感器芯片(9)上方的合金外壳(2)处设置有压力敏感膜(5)，压力敏感膜(5)通过传力顶针(3)与传感器芯片(9)连接，传感器芯片(9)一侧的合金外壳(2)内设置有接收天线(11)，另一侧对应设置有发射天线及信号处理电路(7)。
2.根据权利要求1所述的声表面波高温压力传感器，其特征在于，传感器芯片(9)从下至上依次为SiC基片(906)、第二SiO2薄膜(905)、Mo薄膜(904)、ALN薄膜(903)和第一SiO2薄膜(902)；SiC基片(906)上设置有背刻蚀空腔(907)，ALN薄膜(903)上间隔设置有差分结构的叉指换能器(901)。
3.根据权利要求2所述的声表面波高温压力传感器，其特征在于，叉指换能器(901)采用金属化1:1的结构，从左到右依次包括第二反射栅(90105)、两个第一叉指(90101)、两个第二叉指(90102)、两个第三叉指(90103)和第一反射栅(90104)；第一叉指(90101)、第二叉指(90102)、第三叉指(90103)结构相同，两个第一叉指(90101)、两个第二叉指(90102)及两个第三叉指(90103)之间均采用插接方式连接；
第一叉指(90101)与第二叉指(90102)之间，以及第三叉指(90103)与第二叉指(90102)之间的距离相等，第一叉指(90101)与第二反射栅(90105)之间，以及第三叉指(90103)与第一反射栅(90104)之间的距离相等，第一反射栅(90104)和第二反射栅(90105)结构相同。
4.根据权利要求2所述的声表面波高温压力传感器，其特征在于，叉指换能器(901)采用分裂叉指换能器结构，从左到右依次包括第三反射栅(90110)、两个第六叉指(90109)、两个第四叉指(90106)、两个第五叉指(90107)和第四反射栅(90108)，第六叉指(90109)、第四叉指(90106)和第五叉指(90107)的结构相同，两个第六叉指(90109)、两个第四叉指(90106)及两个第五叉指(90107)之间均采用插接方式连接；
第六叉指(90109)与第四叉指(90106)之间，以及第五叉指(90107)与第四叉指(90106)之间的距离相等，第六叉指(90109)与第三反射栅(90110)之间，以及第五叉指(90107)与第四反射栅(90108)之间的距离相等；第三反射栅(90110)和第四反射栅(90108)的结构相同。
5.根据权利要求2所述的声表面波高温压力传感器，其特征在于，叉指换能器(901)采用单向单相叉指换能器结构，包括两个第十一叉指(90115)，两个第十一叉指(90115)插接连接，第十一叉指(90115)的一侧设置有第十叉指(90114)和第九叉指(90113)，另一侧设置有第七叉指(90111)和第八叉指(90112)，第十叉指(90114)和第九叉指(90113)、第七叉指(90111)和第八叉指(90112)均插接连接；第十叉指(90114)和第七叉指(90111)结构相同，第九叉指(90113)和第八叉指(90112)结构相同；第十一叉指(90115)分别与第十叉指(90114)和第七叉指(90111)之间的距离相等。
6.根据权利要求2所述的声表面波高温压力传感器，其特征在于，叉指换能器(901)采用带假指叉指换能器结构，从左到右依次包括第五反射栅(90120)、两个第十二叉指(90116)、两个第十三叉指(90117)、两个第十四叉指(90118)和第六反射栅(90119)，第十二叉指(90116)、第十三叉指(90117)和第十四叉指(901018)的结构相同，两个第十二叉指(90116)、两个第十三叉指(90117)及两个第十四叉指(90118)之间均采用插接方式连接；
第十二叉指(90116)与第十三叉指(90117)之间，以及第十四叉指(90118)与第十三叉指(90117)之间的距离相等，第十二叉指(90116)与第五反射栅(90120)之间，以及第十四叉指(90118)与第六反射栅(90119)之间的距离相等；第五反射栅(90120)和第六反射栅(90119)的结构相同。
7.根据权利要求2所述的声表面波高温压力传感器，其特征在于，叉指换能器(901)采用带假指的分裂叉指换能器结构，从左到右依次包括第七反射栅(90125)、两个第十九叉指(90121)、两个第二十叉指(90122)、两个第二十一叉指(90123)和第八反射栅(90124)，第十九叉指(90121)、第二十叉指(90122)和第二十一叉指(901023)的结构相同，两个第十九叉指(90121)、两个第二十叉指(90122)及两个第二十一叉指(90123)之间均采用插接方式连接；
第十九叉指(90121)与第二十叉指(90122)之间，以及第二十一叉指(90123)与第二十叉指(90122)之间的距离相等，第十九叉指(90121)与第七反射栅(90125)之间，以及第二十一叉指(90123)与第八反射栅(90124)之间的距离相等；第七反射栅(90125)和第八反射栅(90124)的结构相同。
8.根据权利要求2所述的声表面波高温压力传感器，其特征在于，压电层ALN薄膜(903)和叉指换能器(901)之间采用铬或钛进行粘连；背刻蚀空腔(907)的刻蚀形状为圆形或矩形结构。
9.根据权利要求1所述的声表面波高温压力传感器，其特征在于，传力顶针(3)设置在合金外壳(2)的中心，传力顶针(3)的中间部分设置有缩颈凹槽(4)，传力顶针(3)与传感器芯片(9)的连接处为半圆形结构。
10.根据权利要求9所述的声表面波高温压力传感器，其特征在于，合金外壳(2)包括上部分和下部分，上部分和下部分采用螺纹方式进行连接，合金外壳(2)内对应设置有第一凸台(8)和第二凸台(10)，发射天线及信号处理电路(7)设置在第一凸台(8)上，接收天线(11)设置在第二凸台(10)上。
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112697262A (zh) * | 2020-12-08 | 2021-04-23 | 联合微电子中心有限责任公司 | 水听器及其制造方法 |
| CN114046916A (zh) * | 2022-01-12 | 2022-02-15 | 南通大学 | 基于声表面波传感器的自供电压力测量系统及其工作方法 |
| CN117234090A (zh) * | 2023-11-10 | 2023-12-15 | 西安现代控制技术研究所 | 垂直发射制导火箭姿态倾倒判定与姿控增稳控制设计方法 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0526751A (ja) * | 1991-07-19 | 1993-02-02 | Yokogawa Electric Corp | 圧力センサ |
| CN201497610U (zh) * | 2009-08-06 | 2010-06-02 | 浙江大学 | 一种声表面波压力传感器 |
| CN101720426A (zh) * | 2007-04-30 | 2010-06-02 | 霍尼韦尔国际公司 | 用于传感应用的表面声波器件的机械封装 |
| CN108121889A (zh) * | 2018-02-11 | 2018-06-05 | 海宁市瑞宏科技有限公司 | 一种具有横向模抑制效果的声表面波滤波器谐振器结构 |
| CN108240880A (zh) * | 2017-12-06 | 2018-07-03 | 上海交通大学 | 仿生蜘蛛琴形感受器结构的声表面波传感器増敏结构 |
| CN111721453A (zh) * | 2020-06-23 | 2020-09-29 | 上海工程技术大学 | 一种用于汽车座椅的多参数测量声表面波传感器 |
-
2021
- 2021-03-25 CN CN202110322360.3A patent/CN112945430B/zh active Active
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH0526751A (ja) * | 1991-07-19 | 1993-02-02 | Yokogawa Electric Corp | 圧力センサ |
| CN101720426A (zh) * | 2007-04-30 | 2010-06-02 | 霍尼韦尔国际公司 | 用于传感应用的表面声波器件的机械封装 |
| CN201497610U (zh) * | 2009-08-06 | 2010-06-02 | 浙江大学 | 一种声表面波压力传感器 |
| CN108240880A (zh) * | 2017-12-06 | 2018-07-03 | 上海交通大学 | 仿生蜘蛛琴形感受器结构的声表面波传感器増敏结构 |
| CN108121889A (zh) * | 2018-02-11 | 2018-06-05 | 海宁市瑞宏科技有限公司 | 一种具有横向模抑制效果的声表面波滤波器谐振器结构 |
| CN111721453A (zh) * | 2020-06-23 | 2020-09-29 | 上海工程技术大学 | 一种用于汽车座椅的多参数测量声表面波传感器 |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112697262A (zh) * | 2020-12-08 | 2021-04-23 | 联合微电子中心有限责任公司 | 水听器及其制造方法 |
| CN114046916A (zh) * | 2022-01-12 | 2022-02-15 | 南通大学 | 基于声表面波传感器的自供电压力测量系统及其工作方法 |
| CN117234090A (zh) * | 2023-11-10 | 2023-12-15 | 西安现代控制技术研究所 | 垂直发射制导火箭姿态倾倒判定与姿控增稳控制设计方法 |
| CN117234090B (zh) * | 2023-11-10 | 2024-03-15 | 西安现代控制技术研究所 | 垂直发射制导火箭姿态倾倒判定与姿控增稳控制设计方法 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
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| GR01 | Patent grant | ||
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