CN1571919A - 具有第三阶弹性常数的热稳定的表面声波传感器 - Google Patents

具有第三阶弹性常数的热稳定的表面声波传感器 Download PDF

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Abstract

一种表面声波(SAW)传感器，其包括设置在衬底(23)上的转换器(24)，其中转换器(24)在衬底(23)上取向，声波传播的方向使得与衬底第三阶弹性常数随温度的变化相关的传感器输出随温度的变化与和衬底线性温度膨胀系数以及衬底第一阶弹性常数和衬底密度随温度的变化的相关的传感器输出随温度的变化总和大致相同并相反。由此减小温度变化对于传感器输出的作用。这可以通过35°配置或通过反射格栅相对于垂直方向在3.1°的角度上倾斜来实现。另外给出具有盘形的牢固组件。特定的应用是扭矩测量。

Description

具有第三阶弹性常数的热稳定的表面声波传感器
技术领域
本发明涉及SAW传感器，也就是说使用表面声波(SAW)器件来检测物理参数的传感器。
背景技术
本领域普通技术人员将理解到，SAW器件可用来检测SAW器件衬底的物理尺寸的变化。SAW器件的谐振频率(在SAW谐振器情况下)或SAW器件的群延迟或相延迟(延迟线SAW器件的情况下)随SAW器件的尺寸变化而变化。因此，通过将SAW器件布置成使其物理条件的变化产生SAW器件衬底尺寸的变化，SAW器件可用来提供所述物理条件的测量。通常是，SAW器件可以应力计的方式使用。此技术的一个特定应用是测量扭矩。在这种情况下，SAW器件的一个所需特性是它们可在SAW器件及其相关讯问电路之间不设置硬线电连接的情况下进行讯问。这一事实与SAW器件可以无源进行操作的事实(换言之，它们可在没有与SAW器件直接相关的电源的情况下进行操作)相结合使其对于测量转动轴内的扭矩来说是理想的。
一种根据两个SAW谐振器的现有技术系统示意地表示在图1中。在此系统中，两个SAW谐振器相对于轴线以±45°角度的取向固定在轴上。当扭矩作用在轴上时，由于SAW器件之一在张力下而另一个在压力下，谐振器的谐振频率在相反方向上改变。讯问单元测量与扭矩成正比的两个频率之间的差别。RF信号通过无触点RF耦合器作用在SAW器件上。相对于轴线在±45°上的SAW谐振器的取向确保传感器最大的灵敏度。
根据两个SAW谐振器的另一系统示意地表示在图2中。在此系统中，两个具有反射格栅的SAW延迟线同样相对于衬底晶轴线(与所述轴线对准)以±45°角度进行定位。在这种情况下，讯问单元在两个延迟线的脉冲响应中测量脉冲之间的群延迟或相延迟差别。该差别同样与扭矩成正比。延迟线器件可以如图1所示在两个不同衬底上制造，或者它们可以在图2所示的单个衬底上制造。
由于SAW谐振器的谐振频率或SAW延迟线器件的延迟特性取决于器件的不同表面元件之间的相互间距和SAW的相速度，必须注意确保补偿由于温度变化引起的衬底物理尺寸和SAW相速度的变化。对于温度补偿的需要在敏感扭矩测量装置的情况中尤为重要，其中由将要测量的扭矩引起的应力产生的衬底尺寸和SAW相速度的变化很小，并且因此在数值上与温度变化引起的尺寸或相速度变化差不多。
在现有技术中，通过控制器件的表面部件相对于衬底晶轴线的取向，将稳定温度问题解决到某种程度。更特别是，必须注意布置器件的表面部件使得SAW器件两者的声波传播方向相对于衬底晶轴线是相同的。通过此方式，由于频率温度系数(TCF)相同，可以假设测量两个谐振频率或两个延迟之间的差别自动地从结果中排除温度变化。
在图1所示类型的器件中，使用ST切割石英和声波的X轴传播来获得频率或延迟的最小绝对温度变化，这是由于它给出零值的线性TCF和围绕转折温度的小二次温度变化。在图2所示类型的器件中，认为±45°对准是符合需要的，以便使得轴扭曲变形在SAW器件衬底内引起的应力最大。SAW器件轴相对于衬底X轴在相同角度(45°)上对准的事实意味着两个SAW轴的TCF是相同的，并且可以相信即使TCF是非零值，也可以消除SAW器件性能随温度的变化。
但是，我们现在已经发现该方法不能提供扭矩传感器的完全温度稳定性；它只在没有扭矩作用在轴上的情况下工作良好。当作用扭矩时，压缩的SAW器件的TCF不同于张力下的SAW器件的TCF。在具有零值TCF的ST-X切割石英衬底的情况下，应力改变转折温度。因此扭矩传感器的灵敏度随温度变化。例如，如果两个SAW器件以X方向上的所述取向制在ST切割石英上时，当温度从-40℃变化到+90℃时，灵敏度增加37％。该变化在许多工业应用中是不能接受的。
灵敏度随温度变化的主要原因是：
1.线性温度膨胀系数，
2.非零值的第三阶弹性常数，
3.第一阶弹性常数随温度的变化，
4.衬底密度随温度的变化，
5.第三阶弹性常数随温度的变化。
在传统ST-X切割石英衬底的情况下，这些因素中最后一个(第三阶弹性常数随温度的变化)显著大于其他因素，并决定不同因素的最终结果。在ST-X切割石英衬底的情况下，由第三阶弹性常数随温度的变化造成的灵敏度随温度的变化到达很大的程度。
我们现在已经发现可以显著降低总体温度灵敏度的方式。通过将衬底第三阶弹性常数随温度的变化降低到如下水平可以实现这种所希望的特性，即通过上面列举的其他四个因素的最终结果最大限度地消除所述变化。换言之，我们发现如果上面列举的因素5降低到与因素1～4的总作用大致相同并相反的水平时，可以制造出灵敏度随温度变化非常小的器件。
发明内容
按照本发明的一个优选实施例，SAW器件的表面部件布置在ST-切割石英上，使得表面声波相对于ST切割石英的X轴在一个角度下传播，其中衬底的第三阶弹性常数随温度的变化与线性温度膨胀系数、非零值的第三阶弹性常数、第一阶弹性常数随温度的变化以及衬底密度随温度的变化的总变化大致相同并相反。
最好是，在本发明实施例的情况下，在-40℃到+90℃的温度范围内，以上五个因素随温度的总变化造成小于10％的灵敏度变化，并最好是小于6％。这种特性比传统SAW器件的情况好大约六倍，在传统SAW器件中，ST-X切割石英用作衬底并且SAW器件的表面部件布置成表面声波沿X轴传播。
将理解到表面声波传播轴相对于ST-切割石英衬底的X轴在0°或±45°之外的角度上的提议与本领域中被接受的理论相反，也就是希望利用表面声波在ST-切割石英衬底的X轴方向上传播时实现的零值线性TCF或利用表面声波在相对于X轴在±45°上传播时获得的最大灵敏度。
在本发明的优选实施例中，使用ST-切割石英作为衬底，SAW器件的表面部件布置成表面声波相对于X轴在30°到40°之间的角度上传播。在本发明的特别优选实施例中，声波相对于X轴在大致等于35°的角度上传播。
为了从垂直于所述传播角度取向的格栅获得最佳反射，格栅带最好是金或铜或造成石英衬底表面显著大量负载的材料，而不是铝，铝通常位于沿ST-切割石英的轴线取向的格栅内。
附图说明
只通过实例并参考附图，本发明将从其优选实施例的以下说明中得到更好的理解，附图中：
图1表示利用两个SAW谐振器布置在分开衬底上的现有技术扭矩材料器件；
图2表示利用两个SAW谐振器布置在公共衬底上的现有技术扭矩材料器件；
图3表示本发明的第一优选实施例；
图4表示本发明的第二实施例；
图5表示用于两个或多个SAW谐振器的拆开的保护包装件；以及
图6表示用于SAW谐振器的组装后的保护包装件。
具体实施方式
首先参考图1，其表示测量轴1上扭矩的配置。该配置包括固定在轴表面上的SAW器件2、3，每个器件相对于轴的转动轴线4以大致45°取向。SAW器件包括通常是石英材料的相互分开的衬底，衬底上布置表面导体以便形成表面声波器件。表面声波器件可以是谐振器或延迟线器件。该器件通过无触点的RF连接6、7由讯问装置5讯问。所述配置是公知的。因此，SAW器件的表面部件布置在衬底上，使得表面声波的传播方向平行于ST-切割石英晶体的X轴或Y-切割LiNbO3的Z轴。
在图2所示的配置中，两个SAW器件8、9布置在单个石英衬底10上。器件8、9都是延迟线器件，每个器件包括声波发送器/接收器11和两个反射格栅12。在每个器件8、9的情况下，声波传播方向沿着ST-切割石英衬底的各自X轴。
如上所述，图1和2的配置是传统的。
现在参考图3，其中表示本发明的优选实施例。轴20上固定一对SAW器件21、22。每个SAW器件包括布置在公共衬底23上的表面部件。衬底可以是任何适当材料并通常是ST切割石英。
SAW器件21、22都是延迟线或谐振器器件，其结合有声波转换器24和反射格栅25。
衬底23固定在轴20上，其中衬底X轴线26与轴转动轴线27对准。形成SAW器件21、22的表面部件布置成每一声波的传播轴28、29相对于衬底的X轴在35°的角度上。对此配置，每个SAW器件不具有现有技术零值TCF所具有的优点。但是，我们发现采用这种类型的配置，由第三阶弹性常数随温度的变化产生的灵敏度随温度的变化与线性温度膨胀系数、非零值第三阶弹性常数、第一阶弹性常数随温度的变化和衬底密度随温度的变化产生的温度灵敏度接近并信号相反。实际上，我们发现采用这种配置，可在-45℃到+90℃的温度范围内实现灵敏度的总体大约6％变化。另外，可以相信通过适当选择轴的特性，还可进一步降低灵敏度随温度的变化，这是由于轴弹性常数随温度变化产生的相等并相反变化来补偿所述残留的6％变化。
虽然本发明特别参考两个SAW器件布置在公共衬底上的实施例进行说明，将理解到本发明可例如以图1所示的方式适用于采用两个或多个分开SAW器件的配置。在这种情况下，每个SAW器件布置在其各自衬底上，使得声波传播方向相对于ST切割石英衬底在适当角度上。
同样，将理解到虽然本发明特别参考扭矩测量进行说明，所述的技术可适用于其他测量中，以便降低要么存在的灵敏度随温度的变化。
本发明就ST-切割石英进行说明。采用这种衬底，声波传播相对于X轴的优选方向是±35°。但是，本发明可使用其他衬底。本发明采用其他衬底的关键方面是相对于衬底限定轴线的传播方向使得由于第三阶弹性常数变化产生的频率灵敏度随温度的变化与线性温度膨胀系数、非零值第三阶弹性常数、第一阶弹性常数随温度的变化和衬底密度随温度的变化的组合作用产生的频率灵敏度随温度的变化相同并相反，因此不同因素的变化用来减小器件灵敏度随温度的变化。
所述实施例具有扭矩灵敏度随温度变化小的优点(大约6％)。但是，它在室温下具有频率的非零值线性温度系数(TCF)的缺陷。这意味着两种谐振器的谐振频率随温度的绝对变化将大于沿ST-切割石英衬底的X轴取向的器件。在某些应用中，这可以是不可接受的。
图4所示的另一实施例具有使用单个衬底30的优点，衬底30用于两个SAW谐振器31、32，谐振器相互成90°取向(给出对于扭矩的最大灵敏度)，并且两个谐振器具有零值TCF。从-40℃到+90℃的范围内，扭矩灵敏度随温度的变化是大约12％，比前一实施例更差，但好于ST-X切割石英上制造的传统器件。两种SAW谐振器具有相对于由Y+34°切割石英制成的衬底的X轴在45°上取向的轴33、34。IDT的电极和格栅反射器相对于相关的谐振器轴线33、34在3.1°～3.2°的角度上倾斜，以便补偿SAW的相方向和群速度之间的差别。
最后，所示SAW传感器的衬底可通过粘合剂(胶)焊料或任何其他结合技术直接连接在轴上，如图3和4所示，并且器件的工作表面可通过最好由石英制成的盖保护，并且通过例如粘合剂连接在衬底上。更稳定的结构可使用图5和6所示的组件35。组件35是盘形(最好是圆柱形)，并且SAW器件36、37(或是在分开衬底上或是在单个衬底38上)以所需角度牢固地连接在组件35的底部上。组件35由盖39密封并通过使用粘合剂或焊料或围绕组件的周边进行焊接，从而连接在轴40上。

Claims (9)

1.一种表面声波(SAW)传感器，其包括设置在衬底上的转换器，其中转换器在衬底上取向，使其声波传播的方向使得与衬底第三阶弹性常数随温度的变化相关的传感器输出随温度的变化与和衬底线性温度膨胀系数以及衬底第一阶弹性常数和衬底密度随温度的变化相关的传感器输出随温度的变化总和大致相同并相反。
2.如权利要求1所述的SAW传感器，其特征在于，衬底是ST-切割石英，并且两个转换器在衬底上取向，使其声波传播的各自方向相对于衬底X轴在30°和42°之间的角度上，转换器相对于X轴对称布置。
3.如权利要求2所述的SAW传感器，其特征在于，所述角度在30°和40°之间。
4.如权利要求3所述的SAW传感器，其特征在于，所述角度是35°。
5.如权利要求1所述的SAW传感器，其特征在于，衬底是Y+34°切割石英，并且两个转换器在衬底上取向，使其声波传播的各自方向相对于衬底的X方向在大致45°上。
6.如上述权利要求任一项所述的SAW传感器，其特征在于，该传感器还包括以材料带为形式的反射格栅，该材料带相互平行取向，并具有转换器的电极。
7.如权利要求6所述的SAW传感器，其特征在于，反射格栅定位在衬底上使得一条直线分开格栅和转换器，该直线相对于声波传播方向在一个角度上延伸。
8.如权利要求7所述的SAW传感器，其特征在于，所述直线相对于衬底的X轴在45°的角度上延伸。
9.如权利要求5所述的SAW传感器，其特征在于，其还包括以材料带为形式的反射格栅，该材料带相对于声波传播方向的垂直方向在3.1°～3.2°的角度上倾斜。
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