CN113646617A - 谐振器设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种测量应力的谐振器设备，该谐振器设备包括至少两个谐振器，每个谐振器包括被布置在位于压电基板上或压电基板中的两个反射结构之间的叉指换能器结构，其特征在于，所述至少两个谐振器按照使得所述至少两个谐振器具有两个不同的波传播方向的方式来布置和定位，并且每个谐振器包括至少两个部分，所述至少两个谐振器的两个部分之间的区域形成腔，其中，所述腔由所述至少两个谐振器共享。本发明还涉及一种包括至少一个如前所述的谐振器设备的差分感测设备。
Description
本发明涉及一种用于传感器应用的声波设备，并且更具体地涉及声波差分传感器。
传感器越来越重要并且在日常生活中变得越来越普遍。微机电系统(MEMS)是一种具有吸引力的选择，可以满足对传感器性能提高以及尺寸和成本降低的需求。由于可测量的环境参数(例如，温度、应力、应变和扭矩)多种多样，所以表面声波(SAW)传感器以及在较低程度上的体声波(BAW)传感器或兰姆波或拉夫波或剪切板模式声传感器提供了特别有利的选择。
声波传感器利用压电效应将电信号转换成机械/声波。基于SAW的传感器建立在单晶压电材料上，所述单晶压电材料例如沉积在硅上的石英(SiO2)、铌酸锂(LiNbO3)、钽酸锂(LiTaO3)、菱锰矿(LGS)和氮化铝(AlN)或氧化锌(ZnO)。叉指换能器(IDT)将入射电信号的电能转换为声波能量。声波经由所谓的延迟线行进穿过器件基板的表面(或体)到达另一个IDT，所述另一个IDT将声波转换回可检测的电信号。在一些设备中，提供机械吸收器和/或反射器以防止干涉图案并减少插入损耗。在一些设备中，所述另一个(输出)IDT被一个反射器代替，该反射器将所生成的声波反射回(输入)IDT，该IDT可以联接到天线以远程询问传感器设备。
特定类别的声传感器包括谐振器，所述谐振器呈现出根据变化的环境条件而变化的谐振器频率。例如，常规的表面波谐振器包括具有布置在布拉格反射镜之间的叉指梳状的电声换能器。在谐振频率下，满足反射器之间的同步条件，从而可以获得在反射器下方发生的不同反射的相干相加。然后在谐振腔内观察到最大声能，并且从电学的观点来看是观察到换能器允许的电流的最大振幅。
差分声波传感器包括两个或更多个呈现不同谐振频率的谐振器，其中所测量频率的差值反映了要测量的参数(例如，应变)的变化。
差分传感器必须能够分开扰动源并减少或抑制来自其他参数(例如，振动或温度)的贡献。这需要开发一种差分传感器，该差分传感器的温度和振动灵敏度必须尽可能小或与另一个谐振器严格等同，以允许通过信号减法进行压制。
图1示出了根据现有技术的这种表面声波差分传感器。该传感器被配置为测量(例如，旋转物体上的)应力。表面声波差分传感器100包括设置在压电基板106上的两个表面声波谐振器102、104。各个表面声波谐振器102、104包括叉指换能器结构108、110和一对反射结构112、114、116、118。反射结构112、114被布置在叉指换能器结构108的每一侧上，并且反射结构116和118被布置在叉指换能器结构110的每一侧上(在这两种情况下是相对于声波的传播方向，参见对应的换能器结构108、110的箭头120、122)。两个谐振器102和104通过两条导线124和126以差分方式彼此电连接。
谐振器102、104两者都位于压电基板106上，相对于单次旋转的石英基板106的晶轴X(对应于瑞利波的通常传播方向)具有±45°的角度Ψ。因此，两个谐振器彼此垂直。
各个谐振器102、104分别在频率fl、f2处呈现出谐振峰值。
谐振器102、104并联连接，并且然后连接到天线以待无线询问，差分测量会导致同时或顺序测量的谐振频率的差值。
通过将一个谐振器102、104平行于旋转物体的径向方向对准，差分传感器100对物体上发生的径向应力敏感。在出现径向应力时，传感器中会发生变形，导致一个谐振器伸展而另一个谐振器收缩。这导致在谐振频率中具有相反符号并且通常具有相同绝对值的变化。因此，谐振频率的差值随两个绝对值的和变化。通过测量两个谐振频率之间的差值Δf的变化，可以确定所施加的力，因为差值Δf与扭矩M成线性比例。然而，不期望的温度变化影响会抵消，因为它们将会以相同的方式同时影响两个谐振器。
然而，在根据现有技术的差分传感器100中，两个谐振器102、104没有在相同位置测量应力状态，也没有测量温度。因此，测量可能会受到物体材料不均匀性的负面影响，从而导致应力确定错误。
因此，本发明的目的是克服上面引出的缺陷，获得改进的感测设备。
本发明的目的通过一种谐振器设备实现，该谐振器设备包括至少两个谐振器，每个谐振器包括布置在位于压电基板上或压电基板中的两个反射结构之间的叉指换能器结构，其特征在于，至少两个谐振器按照使得所述至少两个谐振器具有两个不同的波传播方向的方式来布置和定位，并且每个谐振器包括至少两个部分，至少两个谐振器的两个部分之间的区域形成腔，其中，该腔由所述至少两个谐振器共享。因此，该设备的两个谐振器在相同位置处测量，并且因此测量受谐振器所附接的材料的不均匀性的影响较小。这与现有技术的设备相反，在现有技术的设备中，各个谐振器在不同位置处测量。
根据本发明的变型，至少两个谐振器的至少两个部分中的每一者可以包括至少一个反射结构以及对应谐振器的叉指换能器结构的一部分。所描述的设备能够管理由于方向性效应引起的寄生。
根据本发明的变型，谐振器的叉指换能器结构可以包括叉指梳状电极，并且其中，对于至少两个谐振器的至少一个换能器结构，所述叉指梳状电极是通过由p＝λ/2给出的布拉格条件来定义，λ是所述换能器结构的工作声波波长，并且p是所述换能器结构的电极间距。所描述的设备能够管理由于方向性效应引起的寄生。
根据变型，至少两个谐振器的两个不同的波传播方向可以彼此形成角度Θ，Θ等于±90°或更小。
根据本发明的变型，一个谐振器的叉指换能器结构的电极可以以差分方式与另一个谐振器的换能器结构的电极电连接。至少两个谐振器的电极之间的连接可以是并联的，也可以是串联的，这取决于它们的工作条件。因此，与现有技术的设备相比，取决于设计选择，根据本发明的设备可以在谐振或反谐振下工作。
根据本发明的变型，谐振器中的至少一者可以按照使得该谐振器的波传播方向与压电基板的晶轴中的一者平行的方式来布置和定位。
根据本发明的变型，谐振器中的至少一者可以按照使得该谐振器的波传播方向与压电基板的晶轴中的一者成角度Ψ的方式来布置和定位，特别地，角度Ψ等于±45°。
根据本发明的变型，腔的至少一部分表面可以被金属化。所描述的设备能够过滤或选择结构的可能模式，甚至允许在联接模式的配置下工作。
根据本发明的变型，腔的金属化可以至少包括一个或更多个光栅。当存在多于一个光栅时，光栅彼此叠加。所描述的设备能够过滤或选择结构的可能模式，甚至允许在联接模式的配置下工作。
根据本发明的变型，谐振器的反射结构中的每一者可以包括一个或更多个金属条，所述金属条彼此连接或接地。因此，谐振器也可以是标签设备。此外，金属条彼此或接地的连接导致在布拉格条件下反射结构的反射系数的改进。在布拉格条件下，由于电气和机械负载引起的反射波是同相的，因此在布拉格条件下反射器的反射系数的改进会导致对应换能器结构更好地检测反射波。
根据本发明的变型，谐振器可以是表面声波谐振器(SAW)、体声波谐振器(BAW)、兰姆波、拉夫波或剪切板模式声谐振器。
本发明的目的还通过一种差分感测设备来实现，所述差分感测设备可以包括至少一个如前所述的谐振器设备。差分感测设备能够以差分方式测量径向力和切向力两者，即传感器系统能够通过分开扰动源来测量应力，并且不受其他刺激(例如，温度、振动或压力)的影响。
根据本发明的变型，谐振器中的一者的传播方向可以平行于或垂直于径向方向，以感测径向力。谐振器能够以差分方式测量径向力，即感测设备能够通过分开扰动源来测量应力，并且不受其他刺激(例如，温度、振动或压力)的影响。
根据本发明的变型，谐振器中的一者的传播方向相对于径向方向成角度Ψ，特别是成45°，以感测切向力。谐振器能够以差分方式测量切向力，即，感测设备能够通过分开扰动源来测量应力，并且不受其他刺激(例如，温度、振动或压力)的影响。
根据本发明的变型，一个谐振器设备可以按照使得该谐振器设备的波传播方向平行于压电基板的晶轴中的一者的方式来布置，而一个谐振器设备可以按照使得该谐振器设备的波传播方向与压电基板的晶轴中的一者成角度Ψ的方式来布置，特别地，角度Ψ等于±45°。差分感测设备能够以差分方式测量径向力和切向力，即感测设备能够通过分开扰动源来测量应力，并且不受其他刺激(例如，温度、振动或压力)的影响。
根据本发明的变型，差分感测设备还可以包括连接到至少一个谐振器设备的天线。
根据本发明的变型，至少两个差分谐振器设备可以被设置在同一压电基板上。因此，与在单独基板上制造各个差分传感器的现有技术设备相比，由于两个差分传感器共享相同的结构特征和尺寸，因此本制造过程将被简化并且更快。
本发明可以通过参考以下结合附图的描述来理解，在附图中，参考标号标识本发明的特征。
[图1]示出了根据现有技术的谐振器设备。
[图2a]示出了根据本发明的第一实施方式的谐振器设备。
[图2b]示出了根据本发明的第二实施方式的谐振器设备。
[图3a]示出了基于根据第一实施方式的谐振器设备的本发明的第三实施方式。
[图3b]示出了基于根据第二实施方式的谐振器设备的本发明的第四实施方式。
[图3c]示出了根据本发明的第一实施方式至第四实施方式的谐振器设备的电导纳仿真。
[图4a]示出了根据本发明的第五实施方式的感测设备。
[图4b]示出了根据本发明的第五实施方式的感测设备的电测量。
[图5a]示出了根据本发明的第一实施方式和第二实施方式的第一变型的谐振器设备。
[图5b]示出了根据本发明的第一实施方式和第二实施方式的第二变型的谐振器设备。
[图5c]示出了根据本发明的第一实施方式和第二实施方式的第三变型的谐振器设备。
[图5d]示出了根据本发明的第一实施方式和第二实施方式的第四变型的谐振器设备。
[图6a]示出了根据本发明的第一实施方式和第二实施方式的第五变型的谐振器设备。
[图6b]示出了根据本发明的第一实施方式和第二实施方式的第六变型的谐振器设备。
[图7a]示出了根据本发明的第一实施方式和第二实施方式的第七变型的谐振器设备。
[图7b]示出了根据本发明的第一实施方式和第二实施方式的第八变型的谐振器设备。
[图7c]示出了根据本发明的第一实施方式和第二实施方式的第九变型的谐振器设备。
[图7d]示出了根据本发明的第一实施方式和第二实施方式的第十变型的谐振器设备。
[图7e]示出了根据本发明的第一实施方式和第二实施方式的第十一变型的谐振器设备。
现在将使用有利实施方式以示例性方式并参考附图更详细地描述本发明。所描述的实施方式仅是可能的配置，并且应记住在本发明的实施期间，如上所述的各个特征可以彼此独立地提供或者可以完全省略。
图2a示出了根据本发明的第一实施方式的谐振器设备。在下文中，谐振器设备将被描述为表面声波谐振器设备(SAW)。根据变型，体声波(BAW)谐振器、兰姆波或拉夫波或剪切板模式谐振器可以根据本发明以相同方式使用。
在图2a中，表面声波设备200包括被设置在表面声波传播基板206之上或之中的两个表面声波谐振器202、204。表面声波谐振器202、204各自包括叉指换能器结构208a、208b和210a、210b，叉指换能器结构208a、208b和210a、210b各自被一对反射结构212、214和216、218夹在中间。反射结构212、214、216、218包括具有一个或更多个金属条220的反射器，并且被配置为反射由叉指换能器结构生成的表面声波。
此处，反射结构212、214、216、218被布置成与叉指换能器结构208a、208b、210a、210b有间隙。在本发明的变型中，反射结构与换能器结构之间可以不存在间隙，从而可以认为反射结构以同步方式(即，具有相同周期和相同金属化比率)或非同步方式延续了叉指换能器周期结构。
在另一个变型中，反射结构212、214、216、218中的至少一者包括多于一个反射器，其中反射器可以具有或不具有相同数量的金属条220。
在本发明的变型中，反射结构212、214、216、218的金属条220可以彼此连接和/或缩短。与电分开的反射结构相比，这可以导致在布拉格条件下反射结构的反射系数的改进。在布拉格条件下，由于电气和机械负载引起的反射波是同相的，因此在布拉格条件下反射器的反射系数的改进会导致对应换能器结构更好地检测反射波。
换能器结构208a、208b和换能器结构210a、210b各自包括两个叉指梳状电极224a、226a、224b、224b和240a、242a、240b、242b。电极224a、226a、224b、224b和240a、242a、240b、242b由任何合适的导电金属形成，例如，铝或铝合金。然而，可以使用对于更小电极相对厚度生成更强反射系数的其他材料。就此而言，优选的电极材料是铜(Cu)、钼(Mo)、镍(Ni)、具有诸如钛(Ti)或钽(Ta)或铬(Cr)之类的粘附层的铂(Pt)或金(Au)、锆(Zr)、钯(Pd)、铱(Ir)、钨(W)等。在图2a中，电极包括指状物。在该实施方式的变型中，它们还可以具有溢出指(spilt fingers)，所述溢出指包括属于同一梳状电极的每两个或更多个直接相邻的电极指。在另一个变型中，电极指可以倾斜，从而实现波束转向补偿。
换能器结构208a、208b和210a、210b也由电极间距p(未示出)来限定，电极间距p对应于来自相对梳状电极224a、224b和226a、226b和240a、240b和242a、242b的两个相邻电极指之间的边缘到边缘距离。在本发明的变型中，电极间距p通过由p＝λ/2给出的布拉格条件来定义，λ是所述换能器结构212、214的工作声波波长。通过工作声波波长λ，可以理解λ是遵循λ＝V/f的声波波长，其中f是谐振器结构的预定中心频率，并且V是所用模式的相速度。如图2a所示的这种换能器结构也被称为每波长2指的叉指换能器(IDT)。
在本发明的变型中，叉指换能器208、210可以不在布拉格条件下工作，例如，使用每波长3指或4指的激励结构或每两个波长5指的换能器或每三个波长7指或8指。
换能器结构208a、208b和210a、210b可以是对称的，即它们具有相同数量和相同特性的电极指。然而，在本发明的变型中，它们也可以不同，特别是它们可以具有不同数量的电极指和/或不同间距p。
在本发明的变型中，叉指换能器结构208a、208b和210a、210b可以逐渐变细以减少横模。
基板206(基板206之上或之中设有谐振器202、204)是压电体材料，其中具有如图1所示的晶轴X、Y和Z。本文通过示例的方式描述的压电体材料206可以是石英，特别是AT切石英。
根据本发明的变型，其上设有谐振器202、204以及因此设有换能器结构208a、208b和210a、210b和反射结构212、214、216、218的声波传播基板206可以是复合基板206。复合基板206包括形成在基础基板顶部上的一定厚度的压电材料层。例如，压电层可以是钽酸锂(LiTaO3)或铌酸锂(LiNbO3)。
根据本发明，谐振器202、204被定位在基板206上，使得它们具有两个不同的表面声波传播方向，但是由于两个谐振器202、204的交叉状布置，它们至少部分地共享基板206上的相同区域。
在该实施方式中，第一谐振器202被定位成使得其声波传播方向处于声波传播基板206的晶向X上。在图2a中，第二谐振器204的声波传播方向处于压电基板206的晶向Z上。因此，与声波传播基板206的晶向X相比，并且与第一谐振器设备202的表面声波传播方向相比，谐振器204的声波传播方向旋转了角度Θ＝90°。在图1a中，角度Θ具有90°的值，但是在实施方式的变型中，角度可以不同。在一个变型中，角度Θ可以小于90°，例如，具有±10°的变化，这能够校正诸如波束转向的影响。然而，在这些变型中，仍然保持与晶向X的对称性，以便沿两个传播方向保持等同特性。
在该实施方式中，除了它们的波传播方向之外，谐振器202、204具有相同的几何结构，这意味着它们的换能器结构208a、208b和210a、210b以及反射结构212、214、216、218分别具有相同的设计和/或尺寸。在实施方式的变型中，它们可以具有不同的设计，例如，不同的尺寸和/或不同的几何形状。例如，反射结构212、214、216、218可以不同但换能器结构208a、208b和210a、210b相同或反之亦然，或者反射结构212、214、216、218和换能器结构208a、208b和210a、210b两者都可以不同。
在该实施方式中，谐振器202、204被划分成两部分，谐振器的每个部分分别与另一部分分隔开一定距离dl、d2。
位于谐振器202、204两者的划分部分202a、202b和204a、204b之间的区域222(其尺寸由距离dl和d2限定)对应于声腔222(特别是谐振声腔222)。在图2a中，距离d1和d2是相同的，但是在实施方式的变型中，它们可以不同。
在该实施方式中，谐振器202的两个划分部分202a、202b关于腔222对称并且彼此相同，使得腔222实际上位于谐振器202的中心部分。在该实施方式的变型中，谐振器202的两个划分部分202a、202b不相同和/或关于腔222不对称。
此外，在本实施方式中，谐振器204的两个划分部分204a、204b也关于腔222对称且彼此相同，使得腔222实际上位于谐振器204的中心部分。因此，在图1a中，腔222是谐振器202、204两者共同的中心腔。
此外，在该实施方式中，谐振器202、204两者的划分部分202a、202b和204a、204b关于腔222对称并且相同。在该实施方式的变型中，谐振器202、204的划分部分202a、202b和204a、204b关于腔222不相同和/或不对称。
谐振器202、204按照使得实际上谐振器的换能器结构被划分成两部分208a和208b以及210a和210b的方式分开。因此，谐振器202、204的各个划分部分202a、202b、204a、204b实际上包括相应谐振器的反射结构和换能器结构的划分部分。因此，谐振器202的划分部分202a包括反射结构212和换能器结构的划分部分208a。谐振器202的划分部分202b包括反射结构214和换能器结构的划分部分208b。谐振器204的划分部分204a包括反射结构216和换能器结构的划分部分210a。谐振器204的划分部分204b包括反射结构218和换能器结构的划分部分210b。
在该实施方式的变型中，谐振器在一个反射结构与换能器结构之间划分。因此，谐振器的两个划分部分中的一个划分部分包括整个换能器结构和一个反射结构并且另一部分包括另一个反射结构。
图2b示出了根据本发明的第二实施方式的表面声波设备。具有与图2a中相同的附图标记的元件将不再详细描述，因为它们对应于上面已经描述的那些内容。
与第一实施方式不同，与第一实施方式的表面声波传感器200相比，表面声波传感器300的两者谐振器202、204现在被定位成与压电基板306的声传播方向X成角度Ψ。这是相对于第一实施方式的唯一区别。
因此，与声波传播基板306的晶向X相比，谐振器202的声波传播方向旋转了角度Ψ。
谐振器204仍以角度Θ＝90°被定位在声传播基板206上。在实施方式的变型中，可以使用不同于90°的另一个Θ值，例如，小于90°。这将能够校正诸如波束转向之类的影响。
图3a示出了基于根据第一实施方式的传感器200的根据本发明的第三实施方式。在该实施方式中，两个谐振器以差分方式电连接，从而形成差分谐振器设备350。该配置可以用于测量(例如，由于存在径向力而引起的)应力。具有与图2a中相同的附图标记的元件将不再详细描述，因为它们对应于上面已经描述的那些内容。
在该实施方式中，梳状电极224a、242a、226b和240b通过导线356电连接并且梳状电极224b、242b、226a和240a通过导线358电连接，以形成差分布置。谐振器202、204在此并联连接，并且谐振器设备350在谐振下工作。
在本发明的变型中，两个谐振器可以串联连接，并且谐振器设备将在反谐振工作下工作。
根据第三实施方式的谐振器设备350允许将测试区域定位在由两个谐振器共享的中心腔中，并且由两个谐振器在相同位置处进行测量，从而使测量质量改进，并且与图1中描述的现有技术设备相比，对寄生应力效应的抵抗力更好。
在图3a中，两个谐振器传播方向(如箭头352、354所示)分别平行和垂直于施加的径向力Fr的方向，从而针对两个谐振器202、204生成相等且相反的应力。此处，由于外部径向应力，基板206中的两个主应变分量与物体中的两个主应变分量对齐。传播通过相应谐振器202和204的表面声波的传播方向可以分别与由于外部应力而引起的基板206的两个主应变分量和物体的两个主应变分量中的每一者对齐。因此，当施加应力时，谐振器中的一者将处于拉伸状态，而另一者将处于压缩状态。作为结果，它们的谐振频率f1、f2将沿相反方向改变。因为差值Δf与扭矩M成线性比例，所以通过感测两个谐振频率之间的差值Δf的改变，可以找到施加的扭矩M。
差频Δf的变化的感测允许抑制多个共模干扰因素并且减少由于温度(这应该在差分感测布置中抵消)引起的变化。
图3b示出了根据本发明的第四实施方式，其中根据第二实施方式的SAW传感器300被配置为测量由于切向力引起的应力。在该实施方式中，两个谐振器202和204以差分方式电连接，从而形成差分谐振器设备370。该配置可以用于测量(例如，由于存在切向力而引起的)应力。具有与图2a和图2b中相同的附图标记的元件将不再详细描述，因为它们对应于上面已经描述的那些内容。
在该实施方式中，梳状电极224a、242a、226b和240b通过导线376电连接并且梳状电极224b、242b、226a和240a通过导线378电连接，以形成差分布置。谐振器202、204在此并联连接，并且谐振器设备370在谐振下工作。
在本发明的变型中，两个谐振器可以串联连接，并且谐振器设备将在反谐振工作下工作。
根据第四实施方式的谐振器设备370允许将测试区域定位在由两个谐振器共享的中心腔中，并且由两个谐振器在相同位置处进行测量，从而使测量质量改进，并且与图1中描述的现有技术设备相比，对寄生应力效应的抵抗力更好。
在图3b中，两个传感器传播方向在图3b中示为箭头372和箭头374。在切向模式中，应力与径向方向正交。必须考虑到切向力是被施加在物体的边缘上，其中心部分被阻挡。因此，由于固定部分的反应，一切都像在扭矩的情况下一样。将合力投射到两个谐振器上会对一个谐振器产生一种压缩效应而对另一个谐振器产生一种伸展效应，从而产生差分模式。
SAW设备370的谐振器202、204被设置在压电基板206上，使得表面声波相对于压电基板206的晶轴X以±45°的角度Ψ传播。在这个角度，基板206的三阶弹性常数的温度变化对力灵敏度的温度变化的贡献与线性温度膨胀系数、非零三阶弹性常数、由一阶弹性常数引起的温度变化贡献、以及基板密度的温度变化中的变化总和基本相等且相反，因此，谐振器设备370实现了切向力灵敏度变化随温度的减小。
因此，根据本发明的谐振器设备作为差分模式中的差分传感器工作，以分开两种所考虑的机械效应：径向力(参见图3a)和切向力(参见图3b)。
图3c示出了根据本发明的第二实施方式的表面声波设备(如图2b所示)的电导纳仿真。对于该仿真，使用具有(YXlt)/39o/±45°切割的石英基板。两个谐振器的孔径为300μm，腔长为361μm，第一谐振器的叉指换能器结构中的间距为3.74μm并且在反射镜中是3.743μm；对于第二谐振器，这些值分别为3.735μm和3.738μm。为了减少谐振器光谱特征上的寄生谐振，在换能器结构与相关联的反射镜之间引入了小间隙(300nm和500nm)。金属厚度(AlCu)为245nm。所有光栅都在布拉格条件下工作。反射镜由300个条组成，并且谐振器由120(2×60)个和140(2×70)个指对组成，以用于阻抗匹配，并且谐振器倾斜以补偿波束转向(4°)。表面声波设备的两个谐振器彼此成90°角定位，因此呈十字型形态。此外，两个谐振器被定位成与石英基板的传播方向X呈±45°角度。谐振器被相同地划分为两个部分，这两个部分彼此对称，并且两个谐振器共享的中央声腔如图2a和图2b所示。
电导纳图分别在右侧和左侧的Y轴上绘制电导(S)和电纳(S)作为X轴上频率(MHz)的函数。由于存在两个谐振器，因此在电导纳图中可见两个谐振峰值，针对导纳的实部(电导G)和导纳的虚部(电纳B)两者，分别是略高于434MHz和略高于434.3MHZ。在以434MHz为中心的ISM频带内，两个谐振峰值被平衡以接近50Ω匹配。
当将径向力施加到设备时，如图3a所示的本发明的第三实施方式，所施加的径向力Fr会针对两个谐振器202、204生成相等且相反的应力。此处，由于所施加的应力，基板206中的两个主应变分量与物体中的两个主应变分量对齐。传播通过相应谐振器202和204的表面声波的传播方向分别与由于应力引起的基板206的两个主应变分量和物体的两个主应变分量中的每一者对齐。因此，当施加径向应力时，谐振器中的一者将处于拉伸状态，而另一者将处于压缩状态。作为结果，它们的谐振频率f1、f2将沿相反方向改变，如图1b中箭头a)和b)的情况所示。然后，两个谐振峰值之间Δf的改变与所施加的力F成比例。
与现有技术相反，谐振器202和204具有共同腔222，共同腔222对应于对两者谐振器202、204进行测量的位置。因此，两个谐振器将在相同位置进行测量，并且与使用图1a所示的现有技术设备获得的值相比，将获得更准确的所施加力的值。
图4a示出了根据本发明的第五实施方式的感测设备。
在图4a中，感测设备400包括分别根据本发明的第三实施方式和第四实施方式的两个差分传感器350和370。
在图4a的实施方式中，差分传感器350和370各自位于石英管芯(quartz dice)402、404上。在实施方式的变型中，同一石英管芯可以包括差分传感器350和370。它们不会被再次详细描述，而是参考上面的描述。
石英管芯402、404两者被定位在物体406上，以便测量例如由切向力和径向力在物体406上生成的应力。在图4a中，所述物体是轮子。石英管芯402和404被定位在同一径向线408上，石英管芯404比石英管芯402更靠近物体406的中心。物体406上的石英管芯位置也可以互换，使得石英管芯402是更接近对象406中心的一者。
使用氰基丙烯酸酯胶(M-bond 200)将石英管芯402、404胶粘到物体406上(该物体在该位置处包括钢板)，但是可以使用任何其他胶或固态附接技术。
谐振器202、204被划分成两个部分，如第三实施方式和第四实施方式中所述，使得差分传感器350和370各自包括由各个传感器350、370的两个谐振器202、204共享的中心腔222。
在该实施方式中，差分传感器370被配置为测量由于切向力引起的在物体406上的应力，而另一个差分传感器350被配置为测量由于径向力引起的在物体406上的应力，如上所述。
差分传感器350、370两者连接到天线410，以发送测量结果。在实施方式的变型中，每个差分传感器可以具有其自身的天线。
根据本发明，对于各个传感器350、370，在中心腔222的相同位置处测量由施加到物体406并由传感器350、370感测的力生成的应力，从而使测量质量改进，并且对寄生应力效应的抵抗力更好。
在一个变型中，感测设备400可以包括多于两个根据本发明的差分传感器。
在本发明的另一个变型中，感测设备400可以应用于任何其他物体，而不仅仅是轮子，以便同时测量由物体经受的径向力和切向力引起的应力。应力之外的其他物理参数也可以用感测设备400来测量。例如，也可以测量扭转效应和扭矩或与应力无关的任何其他物理参数。
在本发明的另一个变型中，感测设备400可以测量由物体在同一位置处所经受的径向力和切向力所引起的应力。感测设备的四个谐振器将共享同一谐振腔。
图4b示出了根据本发明的第五实施方式的感测设备的电导纳仿真。如图4a中所示的感测设备400包括两个差分传感器350、370，每个差分传感器包括两个谐振器202、204。差分传感器350根据如图3a中描述的第三实施方式，并且差分传感器370根据如图3b中描述的第四实施方式。
电导纳图分别在右侧和左侧的Y轴上绘制电导(以西门子S为单位)和电纳(以S为单位)作为X轴上频率(MHz)的函数。由于存在两个差分传感器，每个差分传感器包括两个谐振器，因此在电导纳图中可见四个谐振峰值，针对导纳的实部(电导G)和导纳的虚部(电纳B)两者是略高于434MHz和低于434MHz。在以434MHz为中心的ISM频带内，各个谐振器的谐振峰值被平衡以接近50Ω匹配。
图5a至图5d以及图6a、图6b和图7a至图7e示出了根据本发明的谐振器设备的多种变型。
基本结构对应于第一实施方式中的一者，并且将仅描述与第一实施方式的不同之处。因此，将不再详细描述与图2a的第一实施方式共同的特征，而是参考以上对它们的描述。此外，将基于第一实施方式的结构示出变型，但是这些变型也可以应用于第二实施方式、第三实施方式或第四实施方式的结构。
图5a示出了图2a的第一实施方式的变型，其中谐振器502、504的反射结构512、514、516和518包括彼此连接和/或缩短的金属条520。这导致在布拉格条件下反射结构的反射系数的改进。在布拉格条件下，由于电气和机械负载引起的反射波是同相的，因此在布拉格条件下反射结构512、514、516和518的反射系数的改进会导致对应换能器结构208a、208b和210a、210b更好地检测反射波。
在该变型中描述的谐振器设备500能够管理由于方向性效应引起的寄生。
图5b示出了第一实施方式的变型，其中谐振器602、604的划分部分关于腔622不相同或不对称。在图5b中，划分分别发生在换能器结构208、210与谐振器602、604的一个反射结构212、216之间。谐振器602的划分部分602a仅包括反射结构212。谐振器602的划分部分602b包括整个换能器结构208和反射结构214。相应地，谐振器604的划分部分604a仅包括反射结构216。谐振器604的划分部分604b包括整个换能器结构210和反射结构218。腔622并非完美地位于两个谐振器602、604结构的中心，但仍由谐振器602、604两者共享。
在该变型中描述的谐振器设备600能够管理由于方向性效应引起的寄生。
图5c示出了第一实施方式的图6b的进一步变型，其中谐振器702、704的换能器结构708、710包括划分指(split finger)728作为电极装置。划分指728包括属于同一梳状电极724的每两个直接相邻的电极指732、734。因此，换能器结构708、710不在布拉格条件下工作。
此外，谐振器702、704的划分部分也不相同并且关于腔722不对称，因为反射结构712、714和716、718分别在谐振器702、704内不相同。对于谐振器702，反射结构714包括比反射结构712更多的金属条120(对于谐振器704也是如此)。金属条120也是彼此连接和/或缩短。在一个变型中，它们也不能彼此连接。
此处，类似于第一实施方式的第二变型，谐振器的划分部分仅包括反射结构，并且谐振器的另一个划分部分包括全部换能器结构以及与换能器结构相邻的另一个反射结构。同样，腔722不在谐振器702、704内的中心，但仍由两个谐振器702、704共享。
在该变型中描述的谐振器设备700能够管理由于方向性效应引起的寄生。
图5d示出了图5c的另一个变型，其中谐振器702、804的换能器结构708、810不同。谐振器702对应于图5c的谐振器，其中换能器结构708包括划分指728作为电极装置，因此不在布拉格条件下工作。相反，谐振器804与图1a中的相同，而且换能器结构804在布拉格条件下工作并且是每波长2指的叉指换能器(IDT)。同样，如图1a中，谐振器804的划分部分804a和804b各自分别包括反射结构716、818和换能器结构的一部分810a、810b。而对于谐振器702，一个划分部分702a包括反射结构712和整个换能器结构708，而另一个划分部分702b仅包括反射结构714。
反射结构712、714和716、818的金属条120也彼此连接和/或缩短。在一个变型中，它们也不能彼此连接。
在该变型中所描述的谐振器设备800能够管理由于方向性效应引起的寄生。
图6a示出了第一实施方式的变型，其中差分传感器900的腔922被金属化。腔922是中央腔，如图1a所示。腔922的金属化可以在整个表面上进行，如图6a所示，但也可以仅在腔922的部分表面上进行。因此，腔922的表面可以完全金属化或部分金属化。
同样，反射结构212、214和216、218的金属条120也彼此连接和/或缩短。在一个变型中，它们也不能彼此连接。
在该变型中所描述的谐振器设备900能够过滤或选择该结构的可能模式，或者甚至允许在联接模式的配置下工作。
图6b示出了第一实施方式的变型，其中差分传感器1000的腔1022包括一个或更多个光栅1024、1026。光栅1024、1026可以是沉积在腔1022表面的顶部上的金属光栅，或者也可以是蚀刻光栅。当存在单个光栅时，它可以是单向光栅。当存在多于一个光栅时，光栅1024、1026可以叠加在腔1022的表面内，如图6b所示。在一个变型中，光栅1024、1026可以位于腔1022的整个表面内或仅部分位于腔1022的表面内。
同样，反射结构212、214和216、218的金属条120也彼此连接和/或缩短。在一个变型中，它们也不能彼此连接。
在该变型中所描述的表面声波设备1000能够过滤或选择结构的模式，或者甚至能够在联接模式的配置下工作。
图7a示出了根据本发明的第一实施方式的第七变型的表面声波差分传感器。
在该变型中，谐振器1102、1104的反射结构包括多个反射器，每个反射器包括或多或少的金属条1122。在该变型中，谐振器1102、1104是SAW标签设备。SAW标签设备是可以远程询问从而提供物理量的无线测量结果的传感器。无论这个物理量是什么，最好实施差分测量，以保证绝对物理量的测量结果或抑制影响传感器的相关外部扰动。
两个SAW标签以这样的方式使用：仅两个第一回波用于确定应力值，其他回波可以用作识别标记和/或其他物理效应标记(例如，温度)。
SAW标签设备1102包括换能器结构1108(特别是仅一个换能器结构)，以及在如图7a所示的传播方向X上以各种延迟定位在换能器结构1108的一侧上的一组反射器1114、1116和1118。这些反射器1116、1118和1120通常包括一个或更多个金属条1122，例如，铝条。SAW标签设备1102、1104还包括连接到换能器结构1108、1110的天线(未示出)。
SAW标签设备1104与SAW标签设备1102相同，但SAW标签设备1104的一组反射器1116、1118和1120在如图7a所示的传播方向Y上以各种延迟定位在换能器结构1110的一侧。
SAW标签1102、1104实际上被划分成在叉指结构1108、1110与第一反射器1116之间的两个部分1102a和1102b、1104a和1104b，使得所划分的SAW标签的一个部分1102a、1104a包括一组反射器1116、1118和1120或延迟线，而SAW标签1102、1104的另一个部分1102b、1104b仅包括叉指换能器结构1108、1110。
叉指换能器结构1108、1110在布拉格条件下工作，但可以不在此条件下工作，反射器1114、1116和1118处于开路模式。反射器1114、1116和1118与换能器结构1108之间的距离L11、L12、L13以及反射器1114、1116和1118与换能器结构1110之间的距离L21、L22和L23按照使得对应的回波在整个测量范围上不重叠的方式进行选择。虽然由于两个谐振器1102、1104的划分部分1102a和1102b以及划分部分1104a和1104b不相同并且彼此不对称，腔1122没有位于两个谐振器1102、1104之间的中心，但腔1122由两个谐振器1102、1104共享。
在图7b所示的变型中，划分部分1102b和1104b分别包括反射结构1118和叉指结构1108、1110。叉指换能器结构1108、1110在布拉格条件下工作，但也可以不在此条件下工作，在此，它们与反射结构1118相关联，以将所有能量反射和发射到障碍物，将波部分反射的反射镜缩短并且两条延迟线相同。反射器1114、1116、1118与换能器1108之间的距离L11、L12、L13以及反射器1114、1116、1118与换能器1110之间的距离L21、L22和L23按照使得对应的回波在整个测量范围上不重叠的方式进行选择。
在图7c的变型中，表面声波设备1300是图7b的设备1200的变型，其中谐振器1204的划分部分1204a仅包括一个反射器114，并且谐振器1202的划分部分1202a包括比设备1200的划分部分1102a更多的反射器。在该变型中，谐振器1202和1204两者不同，尽管都是SAW标签设备。谐振器1204或SAW标签1204包括比SAW标签1204多得多的反射器。
同样，尽管由于两个谐振器1202、1204的划分部分1202a和1202b以及划分部分1204a和1204b不相同且彼此不对称，腔1222没有位于两个谐振器1202、1204之间的中心，但腔1222由两个谐振器1202、1204共享。
反射器1118、1116、1114和1120的金属条1120也彼此连接和/或缩短。在一个变型中，它们也不能彼此连接。
在该变型中所描述的谐振器设备1500测量腔1422处的应力，腔1422位于最长的SAW标签1202的第一换能器-反射器间隙内。腔1422由间隙L11和L21限定。在另一个变型中，一个SAW标签可以与其他SAW标签或谐振器共享多于一个腔。这将能够测量应力分布。
图7d是图7c的谐振器设备1300的变型，其中腔1222被金属化。腔1222的金属化可以如图7d所示在整个表面上进行，但也可以仅在腔1222的部分表面上进行。因此，腔1222的表面可以完全金属化或部分金属化。在一个变型中，腔1222还可以包括一个金属光栅或彼此叠加的多于一个的金属光栅。在另一个变型中，腔表面可以部分地或完全地被有源层覆盖。例如，有源层可能对磁场敏感。因此，通过磁致伸缩，膜可以经受可根据本发明检测到的应力。有源层也可以是当暴露于气体(例如，钯和氢)时会改变其特性的层。
在该变型中所描述的谐振器设备1400能够增加传感器灵敏度或更一般地优化传感器工作。
图7e是图7c的谐振器设备1300的变型，其中谐振器1202的划分在延迟线或谐振器1114、1116和1118之间完成，使得谐振器1202的划分部分1202b现在包括在换能器结构1108的一侧上的一些反射器1114、1116和1118，以及在换能器结构1108的另一侧上的换能器结构1108和反射结构1118。谐振器1204与图7c中的相同。
在该变型中所描述的谐振器设备1500测量腔1422处的应力，该腔1422位于谐振器的延迟线上的任何其他位置，除了最长的SAW标签1202的第一换能器-反射器间隙(由距离L11和L21限定)之间。
已经描述了本发明的多个实施方式。然而，应当理解，在不脱离随附权利要求的情况下可以进行各种修改和改进。
Claims (17)
1.一种用于测量应力的谐振器设备(200、300、350、370、500、600、700、800、900、1000、1100、1200、1300、1400、1500)，所述谐振器设备包括：至少两个谐振器(202、204、502、504、602、604、702、704、804、1102、1104、1202、1204、1302、1402)、每个谐振器(202、204、502、504、602、604、702、704、804、1102、1104、1202、1204、1302、1402)包括被布置在位于压电基板(206、306、406)上或压电基板(206、306、406)中的两个反射结构(212、214、216、218、512、514、516、518、712、714、716、718、818、1108、1112、1114、1116、1118、1212、1214、1216、1218)之间的叉指换能器结构(208、210、708、710、810、1108、1110)，其特征在于，
所述至少两个谐振器(202、204、502、504、602、604、702、704、804、1102、1104、1202、1204、1302、1402)按照使得所述至少两个谐振器具有两个不同的波传播方向的方式来布置和定位，并且
每个谐振器(202、204、502、504、602、604、702、704、804、1102、1104、1202、1204、1302、1402)包括至少两个部分，所述至少两个谐振器(202、204、502、504、602、604、702、704、804、1102、1104、1202、1204、1302、1402)的所述两个部分之间的区域形成腔(222、622、722、822、922、1022、1122、1222、1422)，其中，所述腔(222、622、722、822、922、1022、1122、1222、1422)由所述至少两个谐振器(202、204、502、504、602、604、702、704、804、1102、1104、1202、1204、1302、1402)共享。
2.根据权利要求1所述的谐振器设备(200、300、350、370、500、800、900、1000)，其中，所述至少两个谐振器(202、204、502、504、804)的所述至少两个部分中的每一者包括至少一个反射结构(212、214、216、218、512、514、516、518、818)以及对应谐振器(202、204、502、504、804)的所述叉指换能器结构(208、210、810)的一部分。
3.根据前述权利要求1或2中任一项所述的谐振器设备(200、300、350、370、500、600、700、800、900、1000、1100、1200、1300、1400、1500)，其中，所述谐振器(202、204、502、504、602、604、702、704、804、1102、1104、1202、1204、1302、1402)的所述叉指换能器结构(208、210、708、710、810、1108、1110)包括叉指梳状电极(226、224、240、242、724、730)，并且其中，对于所述至少两个谐振器(202、204、502、504、602、604、702、704、804、1102、1104、1202、1204、1302、1402)的至少一个换能器结构(208、210、708、710、810、1108、1110)，所述叉指梳状电极(226、224、240、242、724、730)通过由p＝λ/2给出的布拉格条件来定义，λ是所述换能器结构(208、210、708、710、810、1108、1110)的工作声波波长，并且p是所述换能器结构(208、210、708、710、810、1108、1110)的电极间距。
4.根据前述权利要求1至3中任一项所述的谐振器设备(200、300、350、370、500、600、700、800、900、1000、1100、1200、1300、1400、1500)，其中，所述两个不同的波传播方向彼此形成角度Θ，Θ等于±90°或更小。
5.根据权利要求1至4中的一项所述的谐振器设备(200、300、350、370、500、600、700、800、900、1000、1100、1200、1300、1400、1500)，其中，所述一个谐振器(202、204、502、504、602、604、702、704、804、1102、1104、1202、1204、1302、1402)的所述叉指换能器结构(208、210、708、710、810、1108、1110)的所述电极(226、224、240、242、724、730)以差分方式与所述另一个谐振器(202、204、502、504、602、604、702、704、804、1102、1104、1202、1204、1302、1402)的所述换能器结构(208、210、708、710、810、1108、1110)的所述电极(226、224、240、242、724、730)电连接。
6.根据前述权利要求1至5中任一项所述的谐振器设备(200、300、350、370、500、600、700、800、900、1000、1100、1200、1300、1400、1500)，其中，所述谐振器(202、204、502、504、602、604、702、704、804、1102、1104、1202、1204、1302、1402)中的至少一者按照使得该谐振器的波传播方向与所述压电基板(206、306、406)的晶轴中的一者平行的方式来布置和定位。
7.根据前述权利要求1至5中任一项所述的谐振器设备(200、300、350、370、500、600、700、800、900、1000、1100、1200、1300、1400、1500)，其中，所述谐振器(202、204、502、504、602、604、702、704、804、1102、1104、1202、1204、1302、1402)中的至少一者按照使得该谐振器的波传播方向与所述压电基板(206、306、406)的晶轴中的一者成角度Ψ的方式来布置和定位，特别地，角度Ψ等于±45°。
8.根据前述权利要求1至7中任一项所述的谐振器设备(200、300、350、370、500、600、700、800、900、1000、1100、1200、1300、1400、1500)，其中，所述腔(922、1022)的至少一部分表面被金属化。
9.根据权利要求8所述的谐振器设备(200、300、350、370、500、600、700、800、900、1000、1100、1200、1300、1400、1500)，其中，所述腔(1022)的所述金属化至少包括一个或更多个光栅(1022、1024)。
10.根据前述权利要求1至9中任一项所述的谐振器设备(200、300、350、370、500、600、700、800、900、1000、1100、1200、1300、1400、1500)，其中，所述谐振器(502、504、702、704、804、1202、1204、1302、1402)的所述反射结构(512、514、516、518、712、714、716、718、818、1108、1112、1114、1116、1118)中的每一者包括一个或更多个金属条(220、520、1120)，所述金属条(220、520、1120)彼此连接或接地。
11.根据前述权利要求1至10中任一项所述的谐振器设备(200、300、350、370、500、600、700、800、900、1000、1100、1200、1300、1400、1500)，其中，所述谐振器(202、204、502、504、602、604、702、704、804、1102、1104、1202、1204、1302、1402)是表面声波谐振器(SAW)、体声波谐振器(SAW)、拉夫波或兰姆波或剪切板模式声谐振器。
12.一种差分感测设备(400)，所述差分感测设备(400)包括至少一个根据前述权利要求1至11中任一项所述的谐振器设备(350、370)。
13.根据权利要求12所述的差分感测设备(400)，其中，所述谐振器中的一者的传播方向平行于或垂直于径向方向(408)，以感测径向力。
14.根据权利要求12所述的差分感测设备(400)，其中，所述谐振器中的一者的传播方向相对于径向方向(408)成角度，特别是成45°，以感测切向力。
15.一种差分感测设备(400)，所述差分感测设备(400)包括一个根据权利要求13布置的谐振器设备(350)和一个根据权利要求14布置的谐振器设备(370)。
16.根据权利要求12至15中任一项所述的差分感测设备(400)，所述差分感测设备(400)还包括连接到所述至少一个谐振器设备(350、370)的天线(410)。
17.根据权利要求15或权利要求16所述的差分感测设备(400)，其中，所述至少两个差分谐振器设备(350、370)被设置在同一压电基板(406)上。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20211112 |
|
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |