CN201464095U - 一种集成式声表面波无线压力传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种集成式声表面波无线压力传感器，包括两个SAW反射型延迟线，通过镍导电柱、导电胶与JSR膜封装成一体，与无线天线连接的匹配网络；第一SAW反射型延迟线包括一个控制电极宽度单相单向换能器，和3个短路栅反射器应用于压力检测，第二SAW反射型延迟线包括11个短路栅反射器：8个反射器用于8位电子标签，另外3个则用于温度检测；由EWC/SPUDT通过无线天线接收来自于无线读取单元的电磁波信号并转换成SAW信号，声波沿压电基片表面传播，并分别由各个反射器反射，反射的声波通过EWC/SPUDT重新转换成电磁波信号，由无线天线传回无线读取单元，并通过信号处理的方法以评价时域响应的相位变化来实现对胎内压力以及温度的同时检测。

Description

一种集成式声表面波无线压力传感器

技术领域

本实用新型涉及一种无线压力传感器，特别是涉及一种应用于汽车轮胎压监控系统(TPMS)的压力监控的声表面波(Surface acoustic wave：SAW)集成温度检测与电子标签的压力传感器。

背景技术

近年来，安全性一直是推动汽车轮胎压力监控系统(TPMS)发展的主要动力，因为许多交通事故的发生都与轮胎有关，因此TPMS有望成为发展最快的汽车电子应用。据统计，轮胎压力异常将破坏汽车的稳定性并影响汽车的驾驶和制动，每年因此而导致的交通事故高达数十万起。另外，大约20％的轮胎仍处于40％的亚充气状态(under-inflated)，这不仅显著的降低了轮胎的寿命，而且还增加了燃料消耗。根据固特异(goodyear)公司的数据，亚充气状态下每下降3个PSI将使燃料增加1％。采用TPMS在汽车轮胎处于25％的亚充气状态时向驾驶员发出警告，以有效的防止轮胎破损，从而避免汽车在轮胎充气不足的情况下负重行使而导致的交通事故。这样TPMS不仅有助于预防交通事故，而且每年节约的燃料消耗和汽车维护费可达17亿美元。美国交通部国家高速公路交通安全管理局(NHTSA)要求自2007年起，所有在美国出售的汽车都必须装备TPMS。因此，未来TPMS的市场将非常巨大。咨询公司Strategy Analytics指出，未来数年中，轮胎压力监控有望成为汽车电子系统中增长最快的领域，2010年将达到300万套。

近年来，SAW技术开始应用于无线TPMS系统之中，而且业已成为当前TMPS的一个重要发展趋势。其主要优点是传感器部分不需要电池供电，而且质量较小，目前已经开发出的实验传感器只有5g左右，同时可在高温等恶劣环境下工作。这样，相对于其他类型的压力传感器具有明显优势。目前有报道有两种SAW结构模式应用于TMPS。一种是基于谐振器模式(文献1：W.Buff et al，“Passive remote sensing for temperature andpressure using SAW resonator devices”，IEEE Trans.UFFC.，Vol.45，No.5，1998，pp.1388-1392).该传感器由两个SAW单端谐振器构成.其基本原理是将一单端SAW谐振器置于振动基片上振动膜拉伸区域(一般位于振动膜的中心位置)，而另外一个谐振器置于振动膜压力传感区域以外(即振动膜压缩区域，一般位于振动膜的边缘位置)，作为对压力传感器的温度补偿.由于胎压变化引起振动膜的弯曲变形，表面应力/应变分布改变，导致SAW速度的线性变化，从而引起传感器频率变化，以此实现对外围压力的无线检测，并通过频率差分输出模式来对外围环境温度变化进行补偿.然而，由于SAW谐振器谐振频率的高温灵敏度，传感器系统输出信号将受到射频通道的谐振部分、天线与匹配网络的严重干扰.还有，由于压力检测的谐振器与温度补偿谐振器难以处于同一方位，这样，由于基片表面的热梯度误差不可能完全有效实现温度的补偿效应.另外一种无线SAW压力传感器则采用SAW反射型延迟线结构模式，这种器件通常由一个叉指换能器与沿声波传播方向设置的三个反射器组成.采用这种SAW反射型延迟线的无线压力传感器由一个SAW反射型延迟线，封装底座以及用黏合剂将SAW反射型延迟线与封装底座密封形成的具有参考压力的密封腔.基于这种SAW反射型延迟线结构的无线压力传感器的基本原理是：SAW反射型延迟线的叉指换能器与无线天线相连，并将无线天线接收来自读取单元(Reader unit)的电磁波信号转换成SAW信号，并沿压电基片表面传播，继而声波信号为反射器所反射，并通过叉指换能器重新转换成电磁波信号，通过无线天线为接收器所接收。这样，将这种SAW压力传感器内置于轮胎之中，胎内压力引起振动膜的弯曲变形导致振动膜表面应变分布变化，从而引起SAW速度的变化，继而导致时域反射信号的时延(相位)变化，这样就可以实现对胎压的实时检测。据报道的原型采用SAW反射型延迟线的压力传感器的压力检测的分辨率达到了1％，如文献2：M.Jungwirth et al，“Micromechanical precision pressure sensor incorporating SAW delay line”，Acta.Mechanica.，Vol.158，2002，pp.227-252所介绍。由于这种SAW压力传感器由单个器件构成，结构简单，又采用如文献3：M.Jungwirth et al，“Micromechanical precision pressure sensor incorporatingSAW delay line”，Acta.Mechanica.，Vol.158，2002，pp.227-252中所描述的差分温度补偿方法，可以使系统不易受到检测环境影响因素的干扰，具有良好的温度稳定性；以相位作为传感器输出信号，具有较高的灵敏度分辨率，且器件本身可以实现绝对无源，因此，这种压力传感器具有良好的应用前景，引起人们极大的兴趣。

目前应用于压力传感器的SAW反射型延迟线，一般采用普通的双向换能器结构。另外，为获得良好的温度稳定性，均采用压电系数较小的石英作为压电基片，因此，现有的SAW反射型延迟线损耗较大(一般都在50～60dB)，信噪比低，这就严重影响到了对检测参量的检测范围以及无线读取距离(readout distance：与器件损耗呈反比关系，文献4：C.E.Cook，M.Bernfeld：Radar signals，Norwood，MA，Artech House，1993))。另外，现有的反射型延迟线的未能实现陡直尖锐的反射系数S₁₁的时域反射峰，这就不利于时域时延信号的准确提取。

另外，现有技术的SAW反射型延迟线采用单指条或者叉指换能器型作为反射器。叉指型的反射器具有较大的反射系数，因此可以较好的改善器件损耗与信噪比，但是由于叉指电极指间反射以及声电再生引起较大的时域噪声。单指型的反射器可以降低器件时域噪声，但是较小的反射系数导致器件损耗较大，信噪比低。

此外，由于声波传播衰减，通常延迟线较长的传播路径导致源自各个反射器的反射峰均一性差，离换能器越远，其损耗越大，信噪比越低，直接影响到时域时延信号的提取。

还有，传感器系统的一个重要发展趋势是功能的集成化，这样有利于实现对多参量的实时检测，也有利于系统小型化与便携式的实现。现有技术应用于TPMS的采用SAW反射型延迟线的无线压力传感器功能单一，无法实现对轮胎内部温度、压力等参量的同时检测。

实用新型内容

本实用新型的目的在于解决上述SAW反射型延迟线型无线压力传感器中所存在的问题；为了实现具有良好信噪比，低损耗与低时域噪声均一时域反射峰的特点，从而提供一种采用41°YXLiNbO₃为压电基片，以铝为叉指电极，采用控制电极宽度单相单向换能器EWC/SPUDT与短路栅反射器结构的SAW反射型延迟线；由两个SAW反射型延迟线密封形成密封腔实现参考压力，腔体的振动膜由一个SAW反射型延迟线构成，用于压力检测，而另外一个SAW反射型延迟线则作为腔体封装底层，并作为温度传感器与电子标签，以此同时实现对温度、压力的同时检测.

本实用新型的目的是这样实现的：

本实用新型提供的一种集成式SAW无线压力传感器，如图1b所示，包括第一SAW反射型延迟线1、第二SAW反射型延迟线2和吸声胶；其特征在于；还包括阻抗匹配网络4、镍导电柱10、导电膜和JSR膜9；

所述的第一SAW反射型延迟线1由第一压电基片3作为振动膜，和沿所述的第一压电基片3表面的上下边涂覆条形的第一导电膜28，再沿声波传播方向顺序设置第一块吸声胶27、第一控制电极宽度单相单向换能器12、第一反射器13、第二反射器14与第三反射器15，以及第二块吸声胶27-2组成；

所述的第二SAW反射型延迟线2由第二压电基片3’，和沿所述的第二压电基片3’表面的上下边，在其第二压电基片3’的上表面涂覆第二条形导电膜28’，再在所述的第二压电基片3’上沿声波传播方向顺序设置第三块吸声胶27-3、第二控制电极宽度单相单向换能器12’、11个反射器，以及设置在该压电基片3’另一端的吸声胶27-4组成；

所述的第一控制电极宽度单相单向换能器12与第二控制电极宽度单相单向换能器12’以铝做电极，至少有2个以上叉指电极对33，和在2个叉指电极对33之间设置一电极宽度为1/4λ的反射电极32，其中λ：声波波长；所述的反射电极32与所述的叉指电极对33之间的距离为3/16λ；所述的叉指电极对33由两个1/8λ的电极组成；

所述的第二SAW反射型延迟线同时作为压力传感器的封装底座，所述的第一SAW反射型延迟线1作为振动膜，通过所述的镍导电柱10将两个SAW反射型延迟线中的两个EWC/SPUDT电连接，涂覆于第一SAW反射型延迟线1与第二SAW反射型延迟线2四周的JSR膜9结合导电胶11，用于第一SAW反射型延迟线1与第二SAW反射型延迟线2的封装，并形成具有参考压力的密封腔体36；

所述的阻抗匹配网络4如图5所示，为第二SAW反射型延迟线与2的EWC/SPUDT12’的输入端N1与所述的无线天线5的信号端N3连接电路中的串联一个电感34和一个并联一个电感35；所述的无线天线5的接地端N4与第一EWC/SPUDT 12与第二EWC/SPUDT 12’接地端N2直接相连，以此实现封装后第一SAW反射型延迟线1与第二SAW反射型延迟线2与所述的无线天线(5)之间的阻抗匹配。

由每一个EWC/SPUDT通过无线天线5接收来自于无线读取单元8所发射的电磁波信号6，并转换成SAW信号，并沿每一块压电基片表面传播；并分别由各个反射器反射回各自的EWC/SPUDT，并重新转换成电磁波信号7，由无线天线5传回读取单元8；通过信号处理方法以评价时域响应的相位变化来实现对轮胎内压力以及温度的检测。

所述的反射器为短路栅反射器(具体结构如图3b所示)；其中，所述的短路栅反射器由至少2个1/4波长宽度的电极组成。在上述的技术方案中，所述的第一反射器13与第二反射器14置于压电基片振动膜3的拉伸区域St内，其中第一反射器13位于压电基片3的中心位置，第二反射器14则位于压电基片3的拉伸区域St与压缩区域Co交界处；第三反射器15则置于压缩区Co内，如图2b所示。

在上述的技术方案中，所述的第一压电基片(3)和第二压电基片(3’)，是一块Y向旋转41°沿X方向传播的铌酸锂基片，其机电耦合系数为17.2％，声传播速度为4750m/s，一阶延迟温度系数85ppm/℃.

在上述的技术方案中，第一和第二EWC/SPUDT12与12’的指对数为10-20，以获得较为陡直尖锐的时域反射峰。

在上述的技术方案中，为补偿声波衰减的影响，第一SAW反射型延迟线1与第二SAW反射型延迟线2中的所述的反射器的电极数均按照以下规律设置：对第一SAW反射型延迟线1中，离第一EWC/SPUDT 12最近的第一反射器具有最少的电极数(例如3个宽度为λ/4的电极)，第二反射器14与第三反射器15具有相同，且比所述的第一反射器的电极数多。对第二SAW反射型延迟线2中，离第二EWC/SPUDT 12’最近的第A个反射器16、第B个反射器17到第C个反射器18具有5个电极数，第D个反射器19到21具有6个电极，第E个反射器22到-第F个反射器23具有7个电极，第G个反射器24到第H个反射器25则具有8个电极，第I个反射器26则具有9个电极。

在上述的技术方案中，为尽可能降低反射器之间的多次反射引起的声波衰减与反射峰间噪声，第二SAW反射型延迟线2的第A-K个反射器16～26分布为两路，即用于8位电子标签的第A-H个反射器16～23置于一条路径，用于温度检测的第I-K个反射器24～26置于另一条路径。

在上述方案中，第一与第二SAW反射型延迟线1与2采用接近的SAW传播距离，即终端反射器15与26离第一与第二EWC/SPUDT12与12’的距离接近，这样可以有效的避免在封装时由于时域谐波信号的重叠引起反射器反射峰信号的异化。在本实用新型中，第一SAW反射型延迟线1的SAW传播距离为8934.3μm(时延约3.76μs)，而第二SAW反射型延迟线2的SAW传播距离为8561.7μm(时延约3.6μs)。

在上述的技术方案中，所述的第一SAW反射型延迟线1的第一反射器13与第一EWC/SPUDT 12之间的距离为2727μm，所述的第二SAW反射型延迟线2的第A个反射器16与第二EWC/SPUDT 12’之间的距离为3272.4μm，以此提供区隔环境噪声回波与传感器信号所需的至少1.2μs的足够时延。

本实用新型的优点在于：

本实用新型提供的应用于无线压力传感器的SAW反射型延迟线，是一种集成温度检测与电子标签的SAW无线压力传感器，它包括两个通过镍导电柱、导电胶与JSR膜密封封装的2个SAW反射型延迟线，以及与无线天线连接的匹配网络；该SAW反射型延迟线采用了一种控制电极宽度单向单相换能器的结构，它是利用分布的反射电极32反射引起的前向与反向传播的声波相位叠加，有效提升前向声波，而抑制甚至抵消反向声波的传播，这样就可以有效的改善期间损耗。还采用了一种短路栅反射器的结构，由于该反射器具有较高的反射系数与零声电再生反射，使得SAW反射型延迟线具有良好的信噪比，同时降低反射峰间噪声。(在本实用新型中时域S₁₁信号中反射峰损耗约40dB)，改善了传感器的信噪比；通过优化设计SAW反射型延迟线的反射器电极指数、反射器声孔径，传播路径等，获得均一损耗与信噪比的时域反射器反射峰。以及通过优化配置反射器的位置，以此获得传感器的温度补偿与灵敏度改善。通过匹配网络设计实现传感器与无线天线的阻抗匹配，以降低损耗，改善传感器的信噪比性能。

本实用新型提供的应用于无线压力传感器的SAW反射型延迟线，用高压电系数的41°YX LiNbO₃ 3作为压电基片，该压电基片具有较高的声波速度(4750m/s)，和压电耦合系数(17.2％)，以及一阶延迟温度系数85ppm/℃.

本实用新型采用在压电基片两端涂覆吸声胶，主要用于消除声波的边缘反射，以降低器件边缘反射引起的时域噪声。

本实用新型为获得较为陡直尖锐的时域反射峰，采用有限降低EWC/SPUDT的指对数(10到20对)，相对于已有技术是一条较为有效的途径。

本实用新型中提供的两个SAW反射型延迟线通过镍导电柱、导电胶以及JSR膜密封形成密封腔，第一SAW反射型延迟线由第一EWC/SPUDT与三个短路栅反射器构建，作为振动膜形成对压力的检测，另外第二SAW反射型延迟线2包含第二EWC/SPUDT，与分两路设置的11个反射器，其中8个反射器为一路用于8位电子标签，另外3个反射器则作为温度传感器实现对温度的检测。第二SAW反射型延迟线同时作为压力传感器的封装底座，以此构建用于TPMS的集成式的无线压力传感器。

附图说明

图1a是本实用新型应用于TPMS的集成式SAW无线压力传感系统的结构示意图

图1b是本实用新型集成式SAW无线压力传感器的剖面图；

图1c是本实用新型中第一SAW反射型延迟线的平面图

图1d是本实用新型中第二SAW反射型延迟线的平面图

图2a是本实用新型的第一SAW反射型延迟线的结构示意图

图2b是本实用新型的第一SAW反射型延迟线的反射器优化配置原理示意图

图3a是本实用新型第一和第二SAW反射型延迟线中所采用的EWC/SPUDT结构示意图

图3b是本实用新型第一和第二SAW反射型延迟线中所采用的短路栅反射器的结构示意图

图4a是本实用新型的第一SAW反射型延迟线的结构图

图4b是本实用新型的第二SAW反射型延迟线的结构图；

图5是本实用新型的集成式SAW压力传感器与无线天线之间的阻抗匹配网络示意图；

图6是本实用新型的第一SAW反射型延迟线的时域响应曲线图；

图7是本实用新型的第二SAW反射型延迟线的时域响应曲线图；

图8是本实用新型中封装后集成式SAW压力传感器的时域S₁₁响应曲线图；

图面说明如下：

1.第一SAW反射型延迟线    2.第二SAW反射型延迟线

3.第一压电基片           3’.第二压电基片            4.阻抗匹配网络

5.无线天线             6.电磁波信号            7.传感器信号

8.无线读取单元         9.JSR膜                 10.镍导电柱

11.导电胶              12.第一EWC/SPUDT        12’第二EWC/SPUDT

13.第一反射器          14.第二反射器           15.第三反射器

16.第A反射器           17.第B反射器            18.第C反射器

19.第D反射器           20.第E反射器            21.第F反射器

22.第G反射器           23.第H反射器            24.第I反射器

25.第J反射器           26.第K反射器            27-1.第一块吸声胶

27-2.第二块吸声胶      27-3.第三块吸声胶       27-4.第四块吸声胶

28.第一导电膜          28′.第二导电膜         29.第一反射器反射的回波

30.第二反射器反射的回波                        31.第三反射器反射的回波

32.反射电极            33.叉指电极对           34.串联电感

35.并联电感            36.密封腔体

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案以及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例对本实用新型做进一步详细说明。

参考图1a与b，制作一应用于TPMS的集成温度检测与电子标签的SAW无线压力传感器，包括：第一SAW反射型延迟线1与第二SAW反射型延迟线2，镍导电柱10，JSR膜9，导电胶11以及SAW无线压力传感器与无线天线5之间的阻抗匹配网络4。

参考图1c，本实施例的第一SAW反射型延迟线1，是用于压力检测的延迟线，包括：第一压电基片3，在沿第一压电基片3上表面的上下两条边涂覆条形的第一导电膜28，再沿声波传播方向顺序设置第一块吸声胶27-1、第一控制电极宽度单相单向换能器12、第一反射器13、第二反射器14与第三反射器15，以及第二块吸声胶(27-2)组成；

参考图1d，本实施例的第二SAW反射型延迟线2，是用于电子标签与温度检测的延迟线，由第二压电基片3’，和沿第二压电基片3’的上下两条边，在其上表面涂覆第二条形导电膜28’，再在第二压电基片3’上沿声波传播方向顺序设置第三块吸声胶27-3、第二控制电极宽度单相单向换能器12’、11个反射器，以及设置在该压电基片3另一端的吸声胶27-4组成；该11个反射器为短路栅反射器。

本实施例的压电基片采用沿Y向旋转41°，X方向传播的铌酸(LiNbO₃)基片；其第一SAW反射型延迟线1的压电基片3作为振动膜，其尺寸为(a×b，a：6mm，b：16mm)，即长16mm，宽6mm，厚度为350μm的41°YXLiNbO₃；其第SAW反射型延迟线2的压电基片3’作为封装底座，其尺寸为(a×b，a：6mm，b：18mm)，即长18mm，宽6mm，厚度为350μm的41°YXLiNbO₃；该压电基片具有较高的声波速度(4750m/s)，压电耦合系数(17.2％)和一阶延迟温度系数85ppm/℃。

参考图1b，通过镍导电柱10，JSR膜9以及导电胶11将第一SAW反射型延迟线1与第二SAW反射型延迟线2密封封装并形成密封腔体36。

参考图3a，本实施例的第一EWC/SPUDT 12为以铝做电极，其中叉指电极对33和反射电极32均由

铝膜制作；该单相单向换能器由6个叉指电极对33，和在6个叉指电极对33之间设置的5个电极宽度为1/4λ的反射电极32组成，当然叉指电极对33与反射电极32还可以是10-20之间的任何数；在本实施例中叉指电极对33为15对，反射电极32为14个。反射电极32与叉指电极对33(由两个1/8λ的电极组成)之间的距离为3/16λ。反射电极32的位置决定于压电基片3以及反射电极32的电极材料。图3a所示的控制电极宽度单相单向换能器获得如图2a中三个反射器13～15方向的声波单向辐射的条件是反射电极32置于叉指电极对33的左侧，即与单向辐射的声波相反的方向。

第一SAW反射型延迟线1的第一反射器13，第二反射器14与第三反射器15为短路栅反射器(具体结构如图3b所示)，由最小为2个或者3～10个1/4波长宽度的电极短路组成；第一反射器13与第二反射器14置于压电基片振动膜3的拉伸区域St内，其中第一反射器13位于压电基片3中心位置，第二反射器14则位于压电基片3的拉伸区域St与压缩区域Co交界处；第三反射器15则置于压缩区内，如图2b所示。由于其具有较高的反射系数与零声电再生反射，使得SAW反射型延迟线具有良好的信噪比，同时反射峰间噪声低。

第一SAW反射型延迟线1用于无线压力检测的基本原理是：由EWC/SPUDT 12通过无线天线5接收来自于无线读取单元8所发射的电磁波信号6，并转换成SAW信号，在压电基片3表面沿三个反射器方向传播并分别由3反射器所反射，第一回声波29，第二回声波30与第三回声波31通过EWC/SPUDT12重新转换成电磁波信号7，由无线天线5传回无线读取单元8，并通过信号处理方法(这是本技术领域技术人员可以胜任的)，以评价时域响应的相位变化来实现对轮胎内压力的检测。

本实施例中第一SAW反射型延迟线1的第一反射器13，第二反射器14与第三反射器15，在压电基片3表面的位置可以通过如下方法予以优化配置：一般而言，压电基片振动膜3在压力状态下存在着拉伸St与压缩区域Co，如图2b所示，在拉伸区域St声波速度降低，而压缩区域Co声波速度则升高，这样表现在时域响应的时延/相位变化上出现不同极性。这样可以通过优化配置反射器位置来获得温度补偿与灵敏度性能改善，即第一反射器13与14置于压电基片振动膜3的拉伸区域St内，其中反射器13位于压电基片3中心位置，反射器14则位于压电基片3的拉伸区域St与压缩区域Co交界处；反射器15则置于压缩区内。通过如式ΔΦ＝ΔΦ_2-1-w×ΔΦ_3-2所示的差分方法(文献3：M.Jungwirth et al.“Micromechanical precision pressure sensor incorporating SAW delayline”，Acta.Mechanica.，Vol.158，2002，pp.227-252)，即可有效改善传感器的灵敏度性能并实现温度补偿效应，其中，ΔΦ为传感器压力检测的相位响应，ΔΦ_2-1为第一反射器13与第二反射器14之间的相位变化，ΔΦ3-2为第二反射器反射器14与第三反射器15之间的相位变化，w为加权因子，由反射器之间的距离确定，w＝l₂/l₃，其中，l₂为第一反射器反射器13与第二反射器14之间的距离，而l₃为第二反射器反射器14与第三反射器15之间的距离。为精确确定反射器的位置即分析确压电基片振动膜3的拉伸St与压缩Co区域，有限元分析软件Ansys 8.0来用于计算压力状态下振动膜的弯曲以及表面沿声波传播方向应变的分布状况以确定振动膜压缩Co与拉伸St区域，以此计算其相应相位响应。图2b中显示了基于有限元分析软件对应用于无线压力传感器的声表面波反射型延迟线的压力状态(300kPa)下的相对相位响应特性。41°YX LiNbO₃即压电基片振动膜3，具有较高的声波速度(4750m/s)，压电耦合系数(17.2％)。如图2中所示，振动膜表面存在着两种不同区域，即拉伸区域(St)与压缩区域(Co)，在拉伸区域即振动膜的中心区域，声波速度降低，而压缩区域位于振动膜的边缘，声波速度升高。再根据上述配置方法对SAW反射型延迟线1的三个反射器进行位置的确定。为获得更好的灵敏度与温度补偿特性，第一反射器13置于压电基片振动膜3的拉伸区域St即振动膜的中心位置，第二反射器14则置于拉伸与压缩区域的交界位置，而第三反射器15置于压电基片振动膜3的压缩区域。

第二SAW反射型延迟线2采用11个短路栅反射器，分为两路设置，第A-H个反射器16～23为一路径，用于8位电子标签；第I-K个反射器24～26为另一路径.第二EWC/SPUDT 12’通过无线天线5接收来自无线读取单元8的电磁波信号6转换成SAW信号，并在压电基片3’表面传播，并由第A-K个反射器16～26反射回第二EWC/SPUDT12’，并由第二EWC/SPUDT 12’转换成电磁波信号7，通过无线天线5传回无线读取单元8。由于41°YX LiNbO₃压电基片有较高的温度时延系数(85ppm/oC)，外围环境温度的变化将导致声波传播速度的变化，从而使得SAW反射型延迟线2的用于温度(T)检测的反射器24～26时域反射峰时延发生变化，其温度相位灵敏度ΔΦ可以通过式ΔΦ＝l₂/l₁×2πf₀l₁/v₀×TCD×(T-T_ref)＝l₂/l₁×2πf₀×Δτ进行评估(文献6：L.M.Reindl，et al，“Wireless measurement of temperature using surface acoustic waves sensors”，IEEE，Trans.UFFC，Vol.51，No.11，2004，pp.1457-1463)，其中，l₁与l₂分别为第I-J个反射器24，25以及第J-K个反射器25，26之间的距离，f₀为传感器工作频率，v₀为参考温度(通常为室温)条件下声波速度，TCD为基片材料的一阶温度系数，T_ref为参考温度(即室温：20℃)。l₂/l₁值越大越有可能获得更高的检测灵敏度，然而，考虑到声波传播的传播衰减即传播距离越远将导致很大的传播损耗，因此声波传播距离需要控制在一定范围之内以降低声传播损耗，在本实施例中，综合考虑，l₂/l₁值约为3。

另外，由于声波的传播衰减影响，为保持均一的时域响应，第一SAW反射型延迟线1与第二SAW反射型延迟线2的14个反射器的电极结构需要一定的优化设计，以补偿由于声传播衰减引起的时域损耗，在第一SAW反射型延迟线1中，离第一EWC/SPUDT12最近的第一反射器13具有最少的电极数(本实施例中为3个电极)，第二反射器14与第三反射器15则比第一短路栅反射器13的电极数多(本实施例中为5个)。

为补偿声波衰减的影响，第一SAW反射型延迟线1与第二SAW反射型延迟线2中的所述的反射器的电极数均按照以下规律设置：对第一SAW反射型延迟线1中，离第一EWC/SPUDT 12最近的第一反射器具有最少的电极数(例如3个宽度为λ/4的电极)，第二反射器14与第三反射器15具有相同，且比所述的第一反射器的电极数多。对第二SAW反射型延迟线2中，离第二EWC/SPUDT 12’最近的第A个反射器16、第B个反射器17到第C个反射器18具有5个电极数，第D个反射器19到21具有6个电极，第E个反射器22到-第F个反射器23具有7个电极，第G个反射器24到第H个反射器25则具有8个电极，第I个反射器26则具有9个电极。

为降低反射器之间的多次反射引起的声波衰减与反射峰间噪声，用于温度检测与电子标签的第二SAW反射型延迟线2的反射器分布分为两路，即用于8位电子标签的第A-H反射器16～23置于一条路径，用于温度检测的第I-K个反射器24～26置于另外一条路途径。

在本实施例中，还包括一个在第二SAW反射型延迟线2与无线天线5之间的匹配网络4(该匹配网络4是本技术领域技术人员通常实用的)，如图5所示，其中，第二EWC/SPUDT12’的输入端N1与无线天线5的信号端N3电连接，并且在该电路中的串联一个电感34和并联一个电感35；第二EWC/SPUDT 12’的接地端N2与无线天线的接地端N4直接电相连。通过该匹配网络4使得封装后的第一SAW反射型延迟线1、第二SAW反射型延迟线2与无线天线5之间达到阻抗匹配状态，以此获得较低损耗，改善传感器的信噪比性能

第一SAW反射型延迟线1与第二SAW反射型延迟线2采用接近的SAW传播距离，即第一SAW反射型延迟线1的第三反射器15与第二SAW反射型延迟线2的第K反射器26离第一EWC/SPUDT 12与第二EWC/SPUDT 12’的距离接近，这样可以有效的避免在封装时由于时域谐波信号的重叠引起反射器反射峰信号的异化。在本实施例中，SAW反射型延迟线1的SAW传播距离为8934.3μm，而SAW反射型延迟线2的SAW传播距离为8561.7μm。

在本实施例中，为获得较为陡直尖锐的时域反射峰，EWC/SPUDT 12指对数为15，即包含如图3a所示的15个叉指电极对33与分布于电极对之间的14个反射电极32。

在本实施例中，第一SAW反射型延迟线1的第一反射器13与EWC/SPUDT 12之间的距离为2727μm，所述的第二SAW反射型延迟线2的第A个反射器16与第二EWC/SPUDT12’之间的距离为3272.4μm，以此提供区隔环境噪声回波与传感器信号所需的至少1.2μs的足够时延。

吸声胶涂覆于压电基片两端，主要用于消除声波的边缘反射，以降低器件边缘反射引起的时域噪声。

在具体实施例制作的应用于无线压力传感器中，第一SAW反射型延迟线1和第二SAW反射型延迟线2的具体结构，分别如图4a和图4b所示，图中相关结构参数如下：

第一SAW反射型延迟线1和第二SAW反射型延迟线2的工作频率：434MHz；声波波长：10.9μm；

a＝压电基片为41°YXLiNbO₃，其压电基片的宽度：6mm；

b＝第一SAW反射型延迟线1的压电基片3的长度：16mm；

c＝第二SAW反射型延迟线2的压电基片3′的长度：18mm；

A＝第一SPUDT 12的长度：15×λ＝163.5μm；B1＝第一反射器13的长度：5×(1λ/4)＝13.6μm；

B2＝第二反射器14的长度：9×(1/4λ)＝24.5μm；B3＝第三反射器15的长度：9×(1λ/4)＝24.5μm；

C＝SPUDT12的声孔径：110×λ＝1199μm；D＝第一反射器13～第三反射器15的声孔径：125×λ＝1362.5μm；

E＝第一反射器13～第三反射器15的汇流条宽度：30μm；F＝第A反射器16～第K反射器26的汇流条宽度：5×λ＝54.5μm；

G＝第A反射器16～第K反射器26的声孔径：50×λ＝545μm；H₁＝第A反射器16的长度：9×(1/4λ)＝24.5μm；

H2＝第B反射器17的长度：9×(1/4λ)＝24.5μm；H₃＝第C反射器18的长度：9×(1/4λ)＝24.5μm；

H₄＝第D反射器19的长度：11×(1/4λ)＝30μm；H₅＝第E反射器20的长度：11×(1/4λ)＝30μm；

H₆＝第F反射器21的长度：11×(1/4λ)＝30μm；H₇＝第G反射器22的长度：13×(1/4λ)＝35.4μm；

H₈＝第H反射器23的长度：13×(1/4λ)＝35.4μm；H₉＝第I反射器24的长度：15×(1/4λ)＝40.9μm；

H₁₀＝第L反射器25的长度：15×(1/4λ)＝40.9μm；H₁₁＝第K反射器26的长度：17×(1/4λ)＝46.3μm；

l₁＝第一反射器13与第一SPUDT12间的距离：2727μm；

l₂＝第二反射器14与第一反射器13间的距离：5113.8μm；

l₃＝第三反射器15与第二反射器14间的距离：1031.4μm；

l₄＝第A反射器16与第一SPUDT12间的距离：3272.4μm；

l₅＝第B反射器17与第A反射器16间的距离：383.4μm；

l₆＝第C反射器18与第B反射器17间的距离：386.1μm；

l₇＝第D反射器19与第C反射器18间的距离：388.8μm；

l₈＝第E反射器20与第D反射器19间的距离：391.5μm；

l₉＝第F反射器21与第E反射器20间的距离：394.2μm；

l₁₀＝第G反射器22与第F反射器21间的距离：396.9μm；

l₁₁＝第H反射器23与第G反射器22间的距离：399.6μm；

l₁₂＝第I反射器24与第H反射器23间的距离：437.4μm；

l₁₃＝第J反射器25与第I反射器24间的距离：442.8μm；

l₁₄＝第K反射器26与第J反射器25间的距离：1309.5μm；

通过这一反射器设计，第一SAW反射型延迟线1和第二SAW反射型延迟线2将获得均一的反射器时域反射峰，且具有一致的损耗与信噪比。如图6～8所示。图6与图7分别示出了从HP8510网络分析仪中，观察到的封装前第一SAW反射型延迟线1和第二SAW反射型延迟线2的典型时域反射系数S₁₁的响应曲线。图6中3个反射峰来自于第一SAW反射型延迟线1的3个反射器13～15，图7中的11个反射峰，则来自于第二SAW反射型延迟线2的11个反射器16～26。所有反射峰均具有较为均一的损耗与信噪比性能，相应时域S₁₁损耗大小为39～43dB；对于第一SAW反射型延迟线1，3个反射峰分别来自于3个短路栅反射器，其对应时延分别为：1.18，3.53和3.76μs。对SAW反射型延迟线2，11个反射峰分别来自于11个反射器，应用于8位电子标签与温度检测。从上述检测结果来看，实现了较低损耗，良好的信噪比，较为尖锐反射峰以及较低的峰间噪声。

图8为从HP8510网络分析仪中观察到的封装后的集成式SAW压力传感器的时域S₁₁响应的测试曲线。从图中来看，14个时域反射峰来自于第一SAW反射型延迟线和第二SAW反射型延迟线2的14个反射器，第1、12与14个反射峰来自于第一SAW反射型延迟线1的三个反射器，应用于压力检测。从第2到9个反射峰是来自于第二SAW反射型延迟线2的应用于8位电子标签的8个反射器，第10、11与13个反射峰，则是来自于第二SAW反射型延迟线2的应用于温度传感器的3个反射器。封装后反射峰具有较为均匀的损耗与信噪比性能。由于良好的阻抗匹配网络，镍导电柱10以及导电胶11等的引起的损耗并不明显，其损耗仍然保持在45dB左右。由此可以看出，通过评价时域反射峰的时延信号变化将可以直接实现对温度与压力的实时检测。

Claims (9)

1.一种集成式声表面波无线压力传感器，包括第一SAW反射型延迟线(1)、第二SAW反射型延迟线(2)和吸声胶；其特征在于；还包括阻抗匹配网络(4)、镍导电柱(10)、导电膜和JSR膜(9)；

所述的第一SAW反射型延迟线(1)由第一压电基片(3)作为振动膜，和沿所述的第一压电基片(3)表面的上下边涂覆2条条形的第一导电膜(28)，再沿声波传播方向顺序设置第一块吸声胶(27-1)、第一控制电极宽度单相单向换能器(12)、第一反射器(13)、第二反射器(14)与第三反射器(15)，以及第二块吸声胶(27-2)组成；

所述的第二SAW反射型延迟线(2)由第二压电基片(3’)，和沿所述的第二压电基片(3’)表面的上下边，涂覆2条第二条形的导电膜(28’)，再在所述的第二压电基片(3’)上沿声波传播方向顺序设置第三块吸声胶(27-3)、第二控制电极宽度单相单向换能器(12’)、11个反射器，以及设置在该压电基片(3’)另一端的吸声胶(27-4)组成；

所述的第一控制电极宽度单相单向换能器(12)与第二控制电极宽度单相单向换能器(12’)以铝做电极，至少有2个以上叉指电极对(33)，和在2个叉指电极对(33)之间设置一电极宽度为1/4λ的反射电极(32)，其中λ：声波波长；所述的反射电极(32)与所述的叉指电极对(33)之间的距离为3/16λ；所述的叉指电极对(33)由两个1/8λ的电极组成；

所述的第二SAW反射型延迟线同时作为压力传感器的封装底座，所述的第一SAW反射型延迟线(1)作为振动膜，通过所述的镍导电柱(10)将两个SAW反射型延迟线中的两个EWC/SPUDT电连接，涂覆于第一SAW反射型延迟线(1)与第二SAW反射型延迟线(2)四周的JSR膜(9)结合导电胶(11)，用于第一SAW反射型延迟线(1)与第二SAW反射型延迟线(2)的封装，并形成具有参考压力的密封腔体(36)；

所述的阻抗匹配网络(4)为在第二反射型延迟线(2)的第二EWC/SPUDT(12’)的输入端(N1)与无线天线(5)的信号端(N3)电连接电路中串联一个电感(34)和并联一个电感(35)；第二EWC/SPUDT(12’)的接地端(N2)与无线天线的接地端(N4)直接电相连；以此实现封装后的第一SAW反射型延迟线(1)、第二SAW反射型延迟线(2)与所述的无线天线(5)之间的阻抗匹配。

2.按权利要求1所述的集成式声表面波无线压力传感器，其特征在于，所述的第一压电基片(3)和第二压电基片(3’)，是一块Y向旋转41°沿X方向传播的铌酸锂基片，其机电耦合系数为17.2％，声传播速度为4750m/s，一阶延迟温度系数85ppm/℃。

3.按权利要求1所述的集成式声表面波无线压力传感器，其特征在于，所述的第一反射器(13)与第二反射器(14)置于第一压电基片(3)的拉伸区域St内，其中第一反射器(13)位于第一压电基片(3)中心位置，第二反射器(14)则位于第一压电基片(3)的拉伸区域St与压缩区域Co交界处；第三反射器(15)则置于压缩区内。

4.按权利要求1所述的集成式声表面波无线压力传感器，其特征在于，第一EWC/SPUDT(12)和第二EWC/SPUDT(12’)中的指对数为10-20。

5.按权利要求1所述的集成式声表面波无线压力传感器，其特征在于，所述的第一SAW反射型延迟线(1)中3个反射器的电极数按照以下规则设置：离第一EWC/SPUDT(12)最近的第一反射器(13)具有最少的电极数，第二反射器(14)与第三反射器(15)电极数相等，并且比第一反射器(13)电极数多。

6.按权利要求1所述的集成式声表面波无线压力传感器，其特征在于，所述的第二SAW反射型延迟线(2’)中离第二EWC/SPUDT(12’)最近的顺序3个反射器具有最少的电极数，随着距离的增加，反射器的电极数以此递增；所述的11个反射器分成两路设置，排在离第二EWC/SPUDT(12’)最近的8个连续的所述的反射器为一条路径，用于电子标签的反射器，采用相同声孔径，并为EWC/SPUDT(12)声孔径的一半；其余所述的反射器用于温度检测，为另外一条路径设置.

7.按权利要求1所述的集成式声表面波无线压力传感器，其特征在于，所述的反射器为短路栅反射器，其中，所述的短路栅反射器由至少2个1/4波长宽度的电极组成。

8.按权利要求1所述的集成式声表面波无线压力传感器，其特征在于，所述的第一EWC/SPUDT(12)与所述的第一反射器(13)之间的距离为2752.5μm，所述的第二反射器(14)与所述的第一反射器(13)之间的距离为5161.2μm，而所述的第三反射器(15)与所述的第二反射器(14)之间的距离为1041μm。

9.按权利要求1所述的集成式声表面波无线压力传感器，其特征在于，所述的第二EWC/SPUDT(12’)与所述的11个反射器的距离分别如下：其中，第A个反射器(16)与第二EWC/SPUDT(12’)的距离为2727μm，第B个反射器(17)与所述的第A个反射器(16)之间的距离为383μm，第C个反射器(18)与所述的第B个反射器(17)之间的距离为386.1μm，第D个反射器(19)与反射器(18)之间的距离为388.8μm，第E个反射器(20)与反射器(19)之间的距离为391.5μm，第F个反射器(21)与反射器(20)之间的距离为394.2μm，第G个反射器(22)与反射器(21)之间的距离为396.9μm，第H个反射器(23)与反射器(22)之间的距离为399.6μm，第I个反射器(24)与反射器(23)之间的距离为437.4μm，第J个反射器(25)与所述的第I个反射器(24)之间的距离为442.8μm，第K个反射器(26)与所述的第J个反射器(25)之间的距离为1309.5μm。

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