CN115356009B - 一种双腔室结构的声表面波温度压力复合传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种双腔室结构的声表面波温度压力复合传感器，包括盖板，设置在盖板下部的基片，设置在盖板、基片之间的中间层，设置在基片上部的压力腔室、参考腔室，中间层设置在压力腔室和参考腔室的两侧。本发明通过封装设计使温度/参考谐振器处于一个腔室，压力谐振器处于另一个腔室，利用增加固支边界隔离感压膜形变的传递，降低温度/参考谐振器的压力影响，便于独立解耦，提升传感器测量精度，继承了经典三个谐振器集成的优势，所用双腔室相邻设置，既保证了三个谐振器处于几乎一致的温度场中，提供实时温度补偿；又降低了湿度、振动等外界共模干扰的影响，提升传感器稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，具体涉及一种双腔室结构的声表面波温度压力复合传感器。
背景技术
声表面波以其沿基片表面传播而对外界环境扰动极为灵敏，在物理、化学、生物等参量的检测中获得了广泛应用。基于声表面波原理的压力传感器相对于其他类型的压力传感器而言具有其独特优点，即耐高温、小体积、高灵敏度、良好的稳定性与可靠性，特别是借助于无线阅读系统可以实现无线无源检测，在高温、强辐射、密闭等复杂恶劣环境中展现出极大的测量优势，具有广阔的应用前景。
英国Transense公司和法国FEMTO-ST公司等基于声表面波器件特点，提出了经典的三个谐振器(压力、温度、参考谐振器)集成的温度压力复合传感器设计方案。即压力谐振器位于感压膜的压力传感区，而另外两个谐振器则位于压力传感区之外，其中参考谐振器与压力谐振器平行设置，以获得相同的温度响应信号，对压力谐振器予以温度补偿，而温度谐振器则倾斜设置，利用压电基片的各向异性，不同传播方式温度系数不同的特点，通过与补偿参考谐振器的频率差以获得对环境温度的检测。经分析可以发现，该方法的一个主要优势是：优化封装结构，消除或降低外界压力和温度参量的非线性耦合。即在理想情况下，当外界压力变化时，温度/参考谐振器不受压力影响；同时，当外界温度变化时，封装等结构的热应力也不会对压力谐振器带来影响。
然而，从Transense公司和FEMTO-ST公司公开的传感器测试数据中可以看出，温度/参考谐振器存在明显受压力影响的情况，导致复合传感器中温度和压力测试数据存在交叉耦合，难以独立解耦，在一定程度上降低了测试精度。造成上述问题的主要原因是，三个谐振器在封装结构上共用了同一压力参考腔，在压力作用下压力谐振器感压膜片的形变不可避免地会引起温度/参考谐振器基底的共同形变，影响了温度/参考谐振器的频率输出。
发明内容
本发明是为了解决谐振器集成结构中压力和温度参量的非线性耦合问题，本发明提供一种双腔室结构的声表面波温度压力复合传感器，该传感器在温度/参考谐振器和压力谐振器中间增加了隔离区域，形成了两个相互独立且相邻的双腔室，通过封装设计使温度/参考谐振器处于一个腔室，压力谐振器处于另一个腔室，利用增加固支边界隔离感压膜形变的传递，降低温度/参考谐振器的压力影响，便于独立解耦，提升传感器测量精度，继承了经典三个谐振器集成的优势，所用双腔室相邻设置，既保证了三个谐振器处于几乎一致的温度场中，提供实时温度补偿；又降低了湿度、振动等外界共模干扰的影响，提升传感器稳定性。
本发明提供一种双腔室结构的声表面波温度压力复合传感器，包括盖板，设置在盖板下部的基片，设置在盖板、基片之间的中间层，设置在基片上部的压力腔室、参考腔室，中间层设置在压力腔室和参考腔室的两侧；
基片为片状结构，基片包括基片本体、设置在基片本体下部的盲孔和设置在盲孔上部的感压膜，基片本体设置在感压膜的两侧，压力腔室设置在感压膜的上部；
中间层与压力腔室、参考腔室通过直接键合或间接键合方式相连，中间层用于隔离压力腔室、参考腔室使压力腔室、参考腔室为相互独立且相邻的双腔室封装结构；
压力腔室用于放置压力谐振器并通过感压膜的形变进行压力感应、测量和输出测量结果，参考腔室用于放置参考谐振器并进行参考参数的感应、测量和输出测量结果；参考参数包括温度参数。
本发明所述的一种双腔室结构的声表面波温度压力复合传感器，作为优选方式，压力腔室包括设置在感应膜上部的压力腔室本体和设置在压力腔室本体中的声表面波压力谐振器，压力腔室本体的上部为盖板、底部两侧为中间层，压力腔室本体为密封结构，声表面波压力谐振器设置在感应膜的上表面、压力腔室本体的感压区域中心。
本发明所述的一种双腔室结构的声表面波温度压力复合传感器，作为优选方式，参考腔室包括设置在基片本体上的参考腔室本体和设置在参考腔室本体中的参考谐振器，参考腔室本体为密封结构，参考腔室本体的上部为盖板、底部两侧为中间层，参考谐振器设置在基片本体的上表面，参考谐振器用于进行参考参数的感应、测量和输出测量结果。
本发明所述的一种双腔室结构的声表面波温度压力复合传感器，作为优选方式，参考谐振器包括声表面波温度谐振器和声表面波参考谐振器；
声表面波参考谐振器与声表面波压力谐振器的种类相同。
本发明所述的一种双腔室结构的声表面波温度压力复合传感器，作为优选方式，声表面波温度谐振器和声表面波参考谐振器设置在参考腔室本体的感压区域中心处，声表面波温度谐振器倾斜设置。
本发明所述的一种双腔室结构的声表面波温度压力复合传感器，作为优选方式，基片的上部设置金属电极，金属电极与声表面波压力谐振器、声表面波温度谐振器和声表面波参考谐振器均电连接；
金属电极的材料为Al、Au、Cu、Pt或金属复合材料。
本发明所述的一种双腔室结构的声表面波温度压力复合传感器，作为优选方式，声表面波压力谐振器、声表面波温度谐振器和声表面波参考谐振器通过汇流条并联并从中间层中跨引线输出。
本发明所述的一种双腔室结构的声表面波温度压力复合传感器，作为优选方式，盖板的材料为压电单晶材料或半导体材料，盖板的材料为以下任意一种：石英、铌酸锂、钽酸锂、硅酸镓镧、硅和碳化硅；
基片的材料为压电单晶材料，基片的材料为以下任意一种：石英、铌酸锂、钽酸锂和硅酸镓镧。
本发明所述的一种双腔室结构的声表面波温度压力复合传感器，作为优选方式，中间层的材料为绝缘材料，中间层材料的热膨胀系数与盖板、基片的差值范围为-10％～10％，压力腔室和参考腔室为气密性腔室。
本发明所述的一种双腔室结构的声表面波温度压力复合传感器，作为优选方式，压力腔室和参考腔室的形状为以下任意一种：矩形、圆形或椭圆形结构；
压力腔室的最大尺寸与感压膜的最大尺寸相同。
本发明的技术解决方案是：
一种双腔室结构的声表面波温度压力复合传感器，其特征在于包括：盖板、基片、中间层、压力腔室、参考腔室、声表面波压力谐振器、声表面波参考谐振器、声表面波温度谐振器、感压膜。压力腔室和参考腔室之间通过中间层进行隔离，形成相互独立且相邻的双腔室封装结构。
盖板为石英、铌酸锂、钽酸锂、硅酸镓镧等压电单晶材料或硅、碳化硅等半导体材料。
基片为石英、铌酸锂、钽酸锂、硅酸镓镧等压电单晶材料。
基片上设置有金属电极，形成声表面波压力谐振器、声表面波参考谐振器、声表面波温度谐振器。金属电极材料为Al、Au、Cu、Pt或金属复合材料。
中间层位于基片和盖板之间，三者通过直接键合或间接键合方式形成整体双腔室结构，即压力腔室和参考腔室，并在整体结构上形成感压膜。
中间层为绝缘材料，中间层材料和盖板、基片的材料热膨胀系数接近，三者热膨胀系数的差值为±10％，形成具有气密性的双腔室。
声表面波压力谐振器设置在感压膜的内表面，位于压力腔室的感压区域中心处。
声表面波参考谐振器和温度谐振器设置在基片的内表面，位于参考腔室的感压区域中心处。
压力腔室和参考腔室为矩形、圆形或椭圆形结构。
声表面波压力谐振器、声表面波参考谐振器、声表面波温度谐振器经过汇流条实现电学并联，并从中间层中跨引线输出。
本发明具有以下优点：
(1)本发明的一种双腔室结构的声表面波温度压力复合传感器，通过封装设计使温度/参考谐振器处于一个腔室，压力谐振器处于另一个腔室，利用增加固支边界隔离感压膜形变的传递，降低温度/参考谐振器的压力影响，便于独立解耦，提升传感器测量精度。
(2)本发明的一种双腔室结构的声表面波温度压力复合传感器，继承了经典三个谐振器集成的优势，所用双腔室相邻设置，既保证了三个谐振器处于几乎一致的温度场中，提供实时温度补偿；又降低了湿度、振动等外界共模干扰的影响，提升传感器稳定性。
附图说明
图1为一种双腔室结构的声表面波温度压力复合传感器剖视结构示意图；
图2为一种双腔室结构的声表面波温度压力复合传感器俯视结构示意图
图3为一种双腔室结构的声表面波温度压力复合传感器的幅频特性测试曲线；
图4为一种双腔室结构的声表面波温度压力复合传感器的压力测试曲线。
附图标记：
1、盖板；2、基片；21、基片本体；22、盲孔；23、感压膜；3、中间层；4、压力腔室；41、压力腔室本体；42、声表面波压力谐振器；5、参考腔室；51、参考腔室本体；52、参考谐振器；521、声表面波温度谐振器；522、声表面波参考谐振器。
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
实施例1
如图1～2所示，一种双腔室结构的声表面波温度压力复合传感器，包括盖板1，设置在盖板1下部的基片2，设置在盖板1、基片2之间的中间层3，设置在基片2上部的压力腔室4、参考腔室5，中间层3设置在压力腔室4和参考腔室5的两侧；
盖板1的材料为压电单晶材料或半导体材料，盖板1的材料为以下任意一种：石英、铌酸锂、钽酸锂、硅酸镓镧、硅和碳化硅；
基片2为片状结构，基片2包括基片本体21、设置在基片本体21下部的盲孔22和设置在盲孔22上部的感压膜23，基片本体21设置在感压膜23的两侧，压力腔室4设置在感压膜23的上部；
基片2的材料为压电单晶材料，基片2的材料为以下任意一种：石英、铌酸锂、钽酸锂和硅酸镓镧；
中间层3与压力腔室4、参考腔室5通过直接键合或间接键合方式相连，中间层3用于隔离压力腔室4、参考腔室5使压力腔室4、参考腔室5为相互独立且相邻的双腔室封装结构；
中间层3的材料为绝缘材料，中间层3材料的热膨胀系数与盖板1、基片2的差值范围为-10％～10％，压力腔室4和参考腔室5为气密性腔室；
压力腔室4用于放置压力谐振器并通过感压膜23的形变进行压力感应、测量和输出测量结果，参考腔室5用于放置参考谐振器并进行参考参数的感应、测量和输出测量结果；参考参数包括温度参数；
压力腔室4包括设置在感应膜23上部的压力腔室本体41和设置在压力腔室本体41中的声表面波压力谐振器42，压力腔室本体41的上部为盖板1、底部两侧为中间层3，压力腔室本体41为密封结构，声表面波压力谐振器42设置在感应膜23的上表面、压力腔室本体41的感压区域中心；
参考腔室5包括设置在基片本体21上的参考腔室本体51和设置在参考腔室本体51中的参考谐振器52，参考腔室本体51为密封结构，参考腔室本体51的上部为盖板1、底部两侧为中间层3，参考谐振器52设置在基片本体21的上表面，参考谐振器52用于进行参考参数的感应、测量和输出测量结果；
参考谐振器52包括声表面波温度谐振器521和声表面波参考谐振器522；
声表面波参考谐振器522与声表面波压力谐振器42的种类相同；
声表面波温度谐振器521和声表面波参考谐振器522设置在参考腔室本体51的感压区域中心处，声表面波温度谐振器521倾斜设置；
基片2的上部设置金属电极，金属电极与声表面波压力谐振器42、声表面波温度谐振器521和声表面波参考谐振器522均电连接；
金属电极的材料为Al、Au、Cu、Pt或金属复合材料；
声表面波压力谐振器42、声表面波温度谐振器521和声表面波参考谐振器522通过汇流条并联并从中间层3中跨引线输出；
压力腔室4和参考腔室5的形状为以下任意一种：矩形、圆形或椭圆形结构；
压力腔室4的最大尺寸与感压膜23的最大尺寸相同，压力腔室4与感压膜23可同时为长宽相同的矩形结构或者直径相同的圆形结构或者长短轴相同的椭圆形结构。
实施例2
如图1～2所示，一种双腔室结构的声表面波温度压力复合传感器，其特征在于包括：盖板1、基片2、中间层3、压力腔室4、参考腔室5、声表面波压力谐振器42、声表面波参考谐振器522、声表面波温度谐振器521、感压膜23。压力腔室4和参考腔室5之间通过中间层3进行隔离，形成相互独立且相邻的双腔室封装结构。
盖板1和基片2均选用压电石英单晶材料。
基片上2设置有金属铝电极，形成声表面波压力谐振器42、声表面波参考谐振器522、声表面波温度谐振器521。
中间层3位于基片2和盖板1之间，三者通过玻璃浆料间接键合方式形成整体双腔室结构，即压力腔室4和参考腔室5，并在所述整体结构上形成感压膜23。
中间层3为绝缘材料，中间层3的材料和盖板1、基片2材料的热膨胀系数接近，三者热膨胀系数的差值为±2％，形成具有气密性的双腔室。
声表面波压力谐振器42设置在感压膜23的内表面，位于压力腔室4的感压区域中心处。
声表面波参考谐振器522和温度谐振器521设置在基片2的内表面，位于参考腔室5的感压区域中心处。
压力腔室4为圆形结构，参考腔室5为矩形结构。
声表面波压力谐振器42、声表面波参考谐振器522、声表面波温度谐振器521经过汇流条实现电学并联，并从中间层中跨引线输出。
实施例1～2的测试结果如下：
如图3所示，本发明提供的三个谐振器的幅频特性测试曲线，由三个谐振峰组成，其中压力谐振峰为fP，参考谐振峰为fR，温度谐振峰为fT。
如图4所示，本发明提供的双腔室结构的声表面波温度压力复合传感器的压力性能测试曲线，常温下压力测量范围100kPa～600kPa。圆圈实线为压力谐振器的频率fP-压力变化曲线，叉号虚线为参考谐振器的频率fR-压力变化曲线，方块虚线为温度谐振器的频率fT-压力变化曲线。由图可见，在压力测量范围内，温度/参考谐振器的频率变化6kHz，压力谐振器的频率变化235kHz，由此可得耦合影响占比为6/235＝2.55％。
对比Transense公司的公开文献“A Second Generation In-Car Tire PressureMonitoring System Based on Wireless Passive SAW Sensors”中，常温下压力测量范围0～150psi，温度/参考谐振器的相对频率变化约为0.06，压力谐振器的相对频率变化约为0.95，其耦合影响占比为0.06/0.95＝6.32％。FEMTO-ST公司的公开文献“Micro-machinedAll Quartz Package Passive Wireless SAW Pressure and Temperature Sensor”中，常温下压力测量范围0～522bar，温度/参考谐振器的频率变化约为20kHz，压力谐振器的频率变化约为305kHz，其耦合影响占比为20/305＝6.55％。
因此，采用本发明实施例提供的双腔室结构的声表面波温度压力复合传感器，其耦合影响是已公开文献结果的40％，取得了明显的改善效果。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种双腔室结构的声表面波温度压力复合传感器，其特征在于：包括盖板(1)，设置在所述盖板(1)下部的基片(2)，设置在所述盖板(1)、所述基片(2)之间的中间层(3)，设置在所述基片(2)上部的压力腔室(4)、参考腔室(5)，所述中间层(3)设置在所述压力腔室(4)和所述参考腔室(5)的两侧；
所述基片(2)为片状结构，所述基片(2)包括基片本体(21)、设置在所述基片本体(21)下部的盲孔(22)和设置在所述盲孔(22)上部的感压膜(23)，所述基片本体(21)设置在所述感压膜(23)的两侧，所述压力腔室(4)设置在感压膜(23)的上部；
所述中间层(3)与所述压力腔室(4)、所述参考腔室(5)通过直接键合或间接键合方式相连，所述中间层(3)用于隔离所述压力腔室(4)、所述参考腔室(5)使所述压力腔室(4)、所述参考腔室(5)为相互独立且相邻的双腔室封装结构；
所述压力腔室(4)用于放置压力谐振器并通过所述感压膜(23)的形变进行压力感应、测量和输出测量结果，所述参考腔室(5)用于放置参考谐振器并进行参考参数的感应、测量和输出测量结果；所述参考参数包括温度参数。
2.根据权利要求1所述的一种双腔室结构的声表面波温度压力复合传感器，其特征在于：所述压力腔室(4)包括设置在所述感应膜(23)上部的压力腔室本体(41)和设置在所述压力腔室本体(41)中的声表面波压力谐振器(42)，所述压力腔室本体(41)的上部为所述盖板(1)、底部两侧为所述中间层(3)，所述压力腔室本体(41)为密封结构，所述声表面波压力谐振器(42)设置在所述感应膜(23)的上表面、所述压力腔室本体(41)的感压区域中心。
3.根据权利要求2所述的一种双腔室结构的声表面波温度压力复合传感器，其特征在于：所述参考腔室(5)包括设置在所述基片本体(21)上的参考腔室本体(51)和设置在所述参考腔室本体(51)中的参考谐振器(52)，所述参考腔室本体(51)为密封结构，所述参考腔室本体(51)的上部为所述盖板(1)、底部两侧为所述中间层(3)，所述参考谐振器(52)设置在基片本体(21)的上表面，所述所述参考谐振器(52)用于进行参考参数的感应、测量和输出测量结果。
4.根据权利要求3所述的一种双腔室结构的声表面波温度压力复合传感器，其特征在于：所述参考谐振器(52)包括声表面波温度谐振器(521)和声表面波参考谐振器(522)；
所述声表面波参考谐振器(522)与所述声表面波压力谐振器(42)的种类相同。
5.根据权利要求4所述的一种双腔室结构的声表面波温度压力复合传感器，其特征在于：所述声表面波温度谐振器(521)和所述声表面波参考谐振器(522)设置在所述参考腔室本体(51)的感压区域中心处，所述声表面波温度谐振器(521)倾斜设置。
6.根据权利要求4所述的一种双腔室结构的声表面波温度压力复合传感器，其特征在于：所述基片(2)的上部设置金属电极，所述金属电极与所述声表面波压力谐振器(42)、所述声表面波温度谐振器(521)和所述声表面波参考谐振器(522)均电连接；
所述金属电极的材料为Al、Au、Cu、Pt或金属复合材料。
7.根据权利要求4所述的一种双腔室结构的声表面波温度压力复合传感器，其特征在于：所述声表面波压力谐振器(42)、所述声表面波温度谐振器(521)和所述声表面波参考谐振器(522)通过汇流条并联并从所述中间层(3)中跨引线输出。
8.根据权利要求1所述的一种双腔室结构的声表面波温度压力复合传感器，其特征在于：所述盖板(1)的材料为压电单晶材料或半导体材料，所述盖板(1)的材料为以下任意一种：石英、铌酸锂、钽酸锂、硅酸镓镧、硅和碳化硅；
所述基片(2)的材料为压电单晶材料，所述基片(2)的材料为以下任意一种：石英、铌酸锂、钽酸锂和硅酸镓镧。
9.根据权利要求1所述的一种双腔室结构的声表面波温度压力复合传感器，其特征在于：所述中间层(3)的材料为绝缘材料，所述中间层(3)材料的热膨胀系数与所述盖板(1)、所述基片(2)的差值范围为-10％～10％，所述压力腔室(4)和所述参考腔室(5)为气密性腔室。
10.根据权利要求1所述的一种双腔室结构的声表面波温度压力复合传感器，其特征在于：所述压力腔室(4)和所述参考腔室(5)的形状为以下任意一种：矩形、圆形或椭圆形结构；
所述压力腔室(4)的最大尺寸与所述感压膜(23)的最大尺寸相同。
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