CN204439245U - 声表面波温度和压力传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种声表面波温度和压力传感器，包括：衬底，所述衬底上平行安装有两个延迟型声表面波传感器图形，分别为：压力图形和温度图形；所述压力图形和所述温度图形分别包括：单向叉指换能器和多个反射栅，所述压力图形的单向叉指换能器与所述温度图形的单向叉指换能器相连接；所述衬底下固定有基座，所述基座在所述压力图形的多个反射栅下方开设有压力传导孔；所述基座上还设置有盖顶，所述盖顶与所述基座形成一腔体。本实用新型提供的声表面波温度和压力传感器在同一衬底上布置了两个相近的测温和测压传感器，利用相同的温度系数，在精确测温的同时实现对压力测量值的温度自动补偿，达到了同时实现温度和压力精确测量的目的。

Description

声表面波温度和压力传感器

技术领域

本实用新型涉及传感器领域，尤其涉及一种声表面波温度和压力传感器。

背景技术

温度、压力传感器是现代物联网中基础传感器件，而同时具备温度和压力测量的声表面波MEMS(微机电系统，Micro-Electro-Mechanical System)传感器更具有广泛的用途，基于声表面波(Surface Acoustic Wave，简写为SAW)技术原理设计的温度和压力传感器具有单片、纯无源、可进行无线测量和传输等特点，特别适合于对运动部件、密闭腔体、危险环境等情况下的无线传感检测，如汽车轮胎的胎温、胎压自动测量，高压电缆的温度自动测量等。

由于外界条件变化，导致声表面波在衬底(基片)上的传播速度发生改变，从而导致声表面波器件的特性发生变化，检测这些变化，即可实现对各种物理量的传感检测，如压力、温度、气体、加速度、扭矩传感等等。目前实现声表面波传感的原理主要有两种，一种是谐振型设计，主要通过检测回波谐振频率变化来实现传感。另一种是延迟型设计，主要通过检测回波相位来实现传感。当用于无线、无源传感标签时，谐振型结构由于受器件储能特性的限制，回波衰落很快，可用的测量时间有限，所以在频率解调时分辨率误差难以消除，测量精度不高。而延迟型结构采用延时或相位检测，工作原理与回波衰落无关，回波信号可准确重现，理论上可达到很高的检测精度。

实现声表面波压力传感的一个难点是温度因素的剔除，由于声表面波器件传输特性均受温度影响，所以在检测压力传感量时必须尽可能消除温度传感量的影响，否则压力测量精度难以提高。目前公开的可同时测量压力和温度的声表面波传感器普遍存在压力温度补偿技术复杂，精度不高等缺点，特别在作为无线标签非接触识别时，由于只能从空间接收回波信号然后进行数据处理，所以压力测量精度更难以保证。

实用新型内容

在下文中给出关于本实用新型的简要概述，以便提供关于本实用新型的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本实用新型的穷举性概述。它并不是意图确定本实用新型的关键或重要部分，也不是意图限定本实用新型的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。

针对目前可同时测量压力和温度的声表面波传感器普遍存在压力温度补偿技术复杂、精度不高等缺点的技术问题，本实用新型提供一种声表面波温度和压力传感器，包括：

衬底，所述衬底上平行安装有两个延迟型声表面波传感器图形，所述两个延迟型声表面波传感器图形分别为：压力图形和温度图形；

所述压力图形和所述温度图形分别包括：单向叉指换能器和多个反射栅，所述压力图形的单向叉指换能器与所述温度图形的单向叉指换能器相连接；

所述衬底下固定有基座，所述基座在所述压力图形的多个反射栅下方开设有压力传导孔，所述压力传导孔用于将外界压力传导给所述压力图形；

所述基座上还设置有盖顶，所述盖顶与所述基座形成一腔体，所述腔体为一密闭空间。

本实用新型提供的声表面波温度和压力传感器在同一衬底上布置了两个相近的测温和测压传感器，利用相同的温度系数，在精确测温的同时实现对压力测量值的温度自动补偿，达到了同时实现温度和压力精确测量的目的。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型中声表面波温度和压力传感器结构图；

图2为本实用新型中声表面波温度和压力传感器侧视图；

图3为本实用新型中声表面波传感器图形布局图；

图4为本实用新型中压力、温度回波信号排列位置示意图。

附图标记：

1-盖顶；     2-基座；        3-声表面波传感器图形；

4-衬底；     5-流体隔膜；    6-腔体；       7-输入输出电极；

71、72-压焊丝；              8-压力传导孔；

30-温度图形单向叉指换能器；

32-温度图形参考反射栅；

34-温度图形主反射栅；

36-温度图形第一辅助反射栅；

38-温度图形第二辅助反射栅；

30-压力图形单向叉指换能器；

32-压力图形参考反射栅；

34-压力图形主反射栅；

36-压力图形第一辅助反射栅；

38-压力图形第二辅助反射栅。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。在本实用新型的一个附图或一种实施方式中描述的元素和特征可以与一个或更多个其它附图或实施方式中示出的元素和特征相结合。应当注意，为了清楚的目的，附图和说明中省略了与本实用新型无关的、本领域普通技术人员已知的部件和处理的表示和描述。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创 造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

如图1、图2和图3所示，本实用新型提供一种声表面波温度和压力传感器，包括：

衬底4，所述衬底4上平行安装有两个延迟型声表面波传感器图形3，所述两个延迟型声表面波传感器图形分别为：压力图形和温度图形；

所述压力图形和所述温度图形分别包括：单向叉指换能器30、31和多个反射栅32～38，所述压力图形的单向叉指换能器31与所述温度图形的单向叉指换能器30相连接；

所述衬底4下固定有基座2，所述基座2在所述压力图形的多个反射栅下方开设有压力传导孔8，所述压力传导孔8用于将外界压力传导给所述压力图形；

所述基座上还设置有盖顶1，所述盖顶1与所述基座2形成一腔体6，所述腔体6为一密闭空间。

本发明提供的声表面波温度和压力传感器在同一衬底上相近的布置了两个延迟型声表面波传感器图形，分别为温度图形和压力图形，并且在所述压力图形反射栅的下方开设了压力传导孔，所述温度图形和所述压力图形处于相同的温度环境下，利用相同的温度系数，在精确测温的同时，实现对压力测量值的温度自动补偿，达到同时实现对温度和压力的精确测量。

上述两个延迟型声表面波传感器图形为：温度图形和压力图形，安装在同一衬底4上，一方面，被检测的物理量作用于衬底上，例如温度和压力等，使得声表面波的传播速度发生变化，从而导致声表面波传感器的频率或者相位发生变化，检测这些变化，即可实现对温度和压力等物理量的测量；另一方面采用相同的编码设计和相同的温度系数，安装在不同的位置，一个用于温度测量，一个用于压力测量，当温度和压力同时作用于芯片时，温度图形只返回温度信息，压力图形返回压力和温度的合成信息，由于两组图形具有相同的温度性能，所以从压力信息中扣除温度信息，即可实现温度自动补偿后的压力信息，从而实现温度和压力的精确测量。

如图2所示，所述基座2上的压力传导孔8设置在所述压力图形的 下方，使得外界的压力通过所述压力传导孔8加在所述衬底4上，声表面波在该区域的传播速度随外界压力的变化而变化，并且温度图形不受外界压力的影响，保证了温度和压力测量的精度；并且所述压力传导孔设置于所述压力图形的多个反射栅下方，保证上述的两个叉指换能器30、31不受压力传导的影响，外界的压力只对所述压力图形的反射栅部分起作用。

通过所述基座2与所述盖顶1形成一个密闭的腔体6，所述腔体6是用作进行温度和压力检测时的基准腔体，结合上述的压力传导孔8保证了上述的两个声表面波传感器图形处于相同的温度区间和不同的压力区间，温度变化相同，保证了温度补偿的精确性。

如图3所示，所述压力图形和所述温度图形分别包括：单向叉指换能器和多个反射栅，将所述压力图形的单向叉指换能器31与所述温度图形的单向叉指换能器30相连接完成信号的声电转换，并保证能量定向发射，以减少器件的损耗，使得压力图形和温度图形能够处于相同的温度环境下，并有相同的温度系数。

可选的，所述多个反射栅平行设置，用于接收输入信号，并向所述单向叉指传感器发射基于温度和/或压力信息的波形。

可选的，所述多个反射栅具体为：距所述单向叉指换能器由近到远平行排列的参考反射栅、主反射栅、第一辅助反射栅和第二辅助反射栅。所述温度图形包括：单向叉指换能器30，反射栅32、34、36、38，所述声表面波压力传感器图形包括：单向叉指环能器31，反射栅33、35、37、39，一个输入脉冲将返回一串携带相位信息的输出脉冲；

具体如图3所示，所述温度图形包括的四个反射栅分别为参考反射栅32、主反射栅34、第一辅助反射栅36、和第二辅助反射栅38，在基准温度下，所述基准温度一般为25℃，参考反射栅32与叉指换能器30的传输延迟时间为τ0，0.2μS≤τ0≤1.5μS；参考反射栅32与主反射栅34之间的延迟为τ1，τ1的选择要保证在整个测温、测压区间内相位变化Ф＝(2πf)τ1<2π，避免相位模糊，参考反射栅32与第一辅助反射栅36之间的延迟时间为M＊τ1，与第二辅助反射栅38之间的延迟时间为N＊τ1，M为大于1的奇数、N为大于1的偶数，且N大于M，通过所述第一辅助反射栅和所述第二辅助反射栅提高了相位变化梯度，并能够改善温度测量精度。

所述压力图形与所述温度图形的结构相同，并与所述温度图形在所述衬底上平行排列，包括的四个反射栅分别为参考反射栅31、主反射栅33、第一辅助反射栅35、和第二辅助反射栅37，所述四个反射栅在水平方向上比所述温度图形的相对应的反射栅同步延迟τ1/2，能够保证该图形的回波脉冲在时域上与测温回波脉冲分开。由于两个图形温度变化相同，而压力变化不同，从压力信息中剔除温度变化信息，即可还原真正的压力数值。

如图4所示为本实用新型中压力、温度回波信号排列位置示意图，当外界温度、压力等变化时，声表面波传播速度随温度、压力等发生改变，从而使各反射栅返回脉冲的延迟时间τ发生变化，测试τ的变化与传感参数的对应关系，即可实现温度、压力等传感测量。根据相位与延迟时间的关系Ф＝2πfτ可知，相位变化率较延迟时间的变化率高2πf倍(ΔФ＝2πfΔτ，f>>0),所以测试相位可大大提高传感器的测试精度。

可选的，所述基座2与所述衬底4之间还固定有流体隔膜5，所述流体隔膜5用于将所述压力传导孔8引入的外界压力传递给所述衬底4。所述基座2上表面固定的流体隔膜5为一层弹性较好并且温度传导系数较低的膜，一方面可以将所述压力传导孔8引入的外界压力传递给衬底4，进一步的传给所述延迟型声表面波传感器图形，另一方面隔离外界的影响温度，保证了所述多个延迟型声表面波传感器图形接触的温度相同，保证了对温度和压力的精确测量。

可选的，所述基座两侧衬底以外区域安装有输入输出电极7。

可选的，所述输入输出电极7分别通过压焊丝71、72与所述温度图形和所述压力图形相连接。通过所述压焊丝71、72将所述温度图形与所述压力图形与所述输入输出电极的一端相连，所述输入输出电极的另一端与外界的标签收发天线相连接，将得到的温度和压力信号传递给外界。

可选的，所述盖顶1为陶瓷盖顶或者金属盖顶。

可选的，所述基座2为陶瓷基座或者金属基座。所述盖顶1与所述基座2均采用温度传导系数较高的材料制作，例如但不限于陶瓷或者金属，使得温度可以较快的传导到所述衬底4上。

本实用新型中的声表面波温度和压力传感器通过不同的传感器图形返回温度信息和温度压力的合成信息，从所述温度压力合成信息中扣除温度信息，即可实现温度自动补偿后的压力信息，实现了温度和压力的精确测量。

最后应说明的是：虽然以上已经详细说明了本实用新型及其优点，但是应当理解在不超出由所附的权利要求所限定的本实用新型的精神和范围的情况下可以进行各种改变、替代和变换。而且，本实用新型的范围不仅限于说明书所描述的过程、设备、手段、方法和步骤的具体实施例。本领域内的普通技术人员从本实用新型的公开内容将容易理解，根据本实用新型可以使用执行与在此所述的相应实施例基本相同的功能或者获得与其基本相同的结果的、现有和将来要被开发的过程、设备、手段、方法或者步骤。因此，所附的权利要求旨在在它们的范围内包括这样的过程、设备、手段、方法或者步骤。

Claims (8)

1.一种声表面波温度和压力传感器，其特征在于，包括：

衬底，所述衬底上平行安装有两个延迟型声表面波传感器图形，所述两个延迟型声表面波传感器图形分别为：压力图形和温度图形；

所述压力图形和所述温度图形分别包括：单向叉指换能器和多个反射栅，所述压力图形的单向叉指换能器与所述温度图形的单向叉指换能器相连接；

所述衬底下固定有基座，所述基座在所述压力图形的多个反射栅下方开设有压力传导孔，所述压力传导孔用于将外界压力传导给所述压力图形；

所述基座上还设置有盖顶，所述盖顶与所述基座形成一腔体，所述腔体为一密闭空间。

2.根据权利要求1所述的声表面波温度和压力传感器，其特征在于，所述多个反射栅平行设置，用于接收输入信号，并向所述单向叉指传感器发射基于温度和/或压力信息的波形。

3.根据权利要求2所述的声表面波温度和压力传感器，其特征在于：所述多个反射栅具体为：距所述单向叉指换能器由近到远平行排列的参考反射栅、主反射栅、第一辅助反射栅和第二辅助反射栅。

4.根据权利要求1所述的声表面波温度和压力传感器，其特征在于，所述基座与所述衬底之间还固定有流体隔膜，所述流体隔膜用于将所述压力传导孔引入的外界压力传递给所述衬底。

5.根据权利要求4所述的声表面波温度和压力传感器，其特征在于，所述基座两侧衬底以外区域安装有输入输出电极。

6.根据权利要求5所述的声表面波温度和压力传感器，其特征在于，所述输入输出电极分别通过压焊丝与所述温度图形和所述压力图形相连接。

7.根据权利要求1所述的声表面波温度和压力传感器，其特征在于，所述盖顶为陶瓷盖顶或者金属盖顶。

8.根据权利要求1所述的声表面波温度和压力传感器，其特征在于，所述基座为陶瓷基座或者金属基座。