TWI251077B - Saw sensor with improved temperature stability - Google Patents

Description

1251077 (Ο 玖、發礴:說瞒 (發明說明應敘明··發明所屬之技術領域、先前技術、内容、實施方式及圖式簡單說明) 技術領域 本發明係關於表面聲波感測器，即利用表面聲波（SAW) 元件感測一物理參數之感測器。 熟悉技術人士當瞭解，SAW裝置可用於偵測該SAW裝置的 基板之物理尺寸變化。SAW裝置（對一 SAW共鳴器而言）之共 鳴頻率或SAW裝置（對一延遲線SAW裝置而言）之群組延遲 或相位延_遲隨SAW裝置的基板之物理尺寸變化而改變。因 此，若配置SAW裝置，使得一物理狀況的變化將導致SAW 裝置的基板之物理尺寸變化，則SAW裝置可用於提供一對 涉及之該物理狀況之量測。通常，可以此種方式利用SAW 裝置作應變計。該技術之一具體應用係轉矩測量。與此相 關，SAW裝置之一較理想特徵係：不需要在SAW裝置和與其 相關聯的訊問電路之間提供硬體電性連接即可訊問SAW裝 置。該特徵與另一特徵，即SAW裝置可被動作業（換言之， SAW裝置無需直接電源供應即可作業）一起使其成為測量旋 轉軸中轉矩的理想裝置。 先前技術

圖1示意性顯示一採用先前技術、基於二SAW共鳴器之系 統。該系統中，二SAW共鳴器牢固在一軸上，其方向相對 於軸之軸線成±45°。在軸上作用一轉矩時，二SAW共鳴器之 共鳴頻率向相反方向變化，因為其一係受拉，而另一則係 受壓。一訊問單元測量二頻率之間的差異，其與轉矩成比 例。通過無接觸RF耦合器將RF信號應用於SAW裝置。SAW

1251077 (2) 共鳴器之方向與軸之軸線成土45°確保感測器之靈敏度最 大。

圖2示意性顯示另一基於二SAW延遲線裝置之系統。該系 、统中’帶有反射格柵的二SAW延遲線亦置於與基板（其與# 之轴線調準）之晶#成土45°處。此例中，訊問單元測量二延 遲線的脈衝回應中脈衝之間的群組延遲差異或相位延遲差 異。該差異亦與轉矩成比例。延遲線裝置可在如圖1所示之 二不同基板上製造，亦可在如圖2所示之一單一基板上製 造。 一 SAW共鳴器之共鳴頻率或一 SAW延遲線裝置之延遲特 徵係取決於該裝置的眾多表面組件與SAW的相位速度之間 的相互間隔，因此應嚴格確保因溫度變化引起之基板的物 理尺寸和SAW的相位速度之任何改變皆得到補償。對於靈 敏轉矩測量裝置，溫度補償之需要尤為迫切，因為該類裝 置中，需〜測量的藉由因轉矩引起之應變產生的基板尺寸和-SAW相位速度的變化係很小，在數值上可與溫度改變引起 之尺寸或相位速度的變化相比較。 先的技術中’溫度穩定度問題係藉由控制裝置之表面組 件相對於基板晶軸之方向而在一定程度上得到解決。更具 體而言，即嚴格佈置裝置之表面組件，使得聲波傳播相對 於基板晶軸之方向對於二SAW裝置係相同。由此便可假設 在相等的頻率溫度係數（TCF)條件下，測量二共鳴頻率或二 延遲之間的差異之結果中自動消除了溫度變化值。 圖1所示之類型裝置中，頻率或延遲之最小絕對溫度變化

1251077 (3) 值係利用ST切口石英和聲波之X軸傳播獲得，因為此狀況 .下線形TCF為零且在一翻轉溫度附近之二次溫度變化值很 小。圖2所示之類型裝置中，為使軸之扭轉變形在SAW裝置 中引起之應變最大，一般認為±45。調準較理想。這一事實， 即二SAW裝置軸線係調準成與基板之X軸成相同角度（45°)， 意味著二SAW軸線之TCFs係相同，並且咸信如此即消除了 SAW裝置之性能中溫度相關之變化，即便TCFs為非零。

然而，吾人已發現該方法並不為轉矩感測器提供完全的 溫度穩定度，僅在沒有轉矩施於軸時才有作用。其原因在 於線性TCF取決於基板中’的應變。作用一轉矩時，受壓SAW 裝置之TCF與受拉SAW裝置之TCF不同。對於具有零TCF之 ST-X切口石英，應變修改翻轉溫度。因此，轉矩感測器之 靈敏度隨溫度變化。例如，若二SAW裝置係在ST切口石英 上製造，方向沿X軸，則當溫度從-40QC變化至+90°C時，其 靈敏度提'^ 3 7%。變化值如此之大在許多工業應用中不會接 受。

構成靈敏度之溫度變化值的主要因素係： 1. 線性溫度膨脹係數； 2. 非零第三序彈性常數； 3. 第一序彈性常數之溫度變化值； 4. 基板密度之溫度變化值； 5. 第三序彈性常數之溫度變化值。 對於傳統ST-X切口石英基板，該等因素之最後一項，即 第三序彈性常數之溫度變化值，遠大於其他因素，在眾多

1251077 因素之淨結果中占主導地位。對於ST_X切口石英基板，靈 敏度之溫度變化值在很大裎度上係因第三序彈性常數之溫 度變化值引起。 吾人已發現一方法’藉由該方法可大大減小總體溫度敏 感度。該理想特徵係藉由減小基板之第三序彈性常數之溫 度變化值至一水平，在該水平，其在很大程度上與上述其 他四因素之淨結果相抵消。換言之，吾人發現：若上述因 素5減至一水平，在該水平，其基本上與因素1至4的總影響 相同，，但符號相反，則可製造一裝置，其靈敏度隨溫度之 變化值非常低。 發明内容 根據本發明之一較佳具體實施例，一 SAW裝置之表面組 件佈置在一 ST切口石英基板上，使得表面聲波以與ST切口 石英之X軸成一角度傳播，在該角度，第三序彈性常數之溫 度變化值"基本上與線性溫度膨脹係數、非零第三序彈性常 數、第一序彈性常數之溫度變化值、基板密度之溫度變化 值四因素變化值之總和相同，但符號相反。 對於本發明之具體實施例，在-40°C至+90°C溫度範圍内， 較佳者係上述五因素之溫度變化值之總和所導致的靈敏度 變化值小於10%，更佳者係大約6%。此一性能大約為傳統 SAW裝置性能的六倍，傳統裝置使用ST-X切口石英作基板， SAW裝置的表面組件佈置成如此，使得表面聲波沿X轴傳 播〇 應瞭解，表面聲波傳播軸線與5丁切口石英基板成一不為 (5) 1251077 的角度與技術中已接受的觀點相反，該觀點認為 『理想者係利用零線性TCF特徵，其可藉由使表面聲波沿 J切口石英基板之X抽傳播而實;見，或最大靈敏度，其可 稭由使表面聲波沿與X軸成±45。傳播而獲得。 本發明之較佳具體實施例中 尺用ST切口石奂作_基板， 裝置之表面組件放置成如此 使侍衣面聲波傳播方向 相對於X軸之角度在3〇〇至4〇〇之間 > 门。本發明I 一特佳具體實 地例中’表面聲波傳播方向相對、 :- 钌於X軸<角度尽質上等於 0 D 〇 為使格柵（其方向與上述傳播 得播用度正交）之反射達到最優， 格栅之條格較佳者係金或鋼， 或其他能佔有石英基板表面 大部分質量的材料，而不要使 甘—、二 卜 文從用鋁，其在方向沿S Τ切口石 英之X軸之格柵中係—標準材料。 下面將參考相關圖紙，對太 ^對本發明之一較佳具體實施例， 其僅作為範例，進行插述 ^ 田逆以更好瞭解本發明。 實施方式 首先參考圖1，其顯示夕斯笨 配置用於測量一轴1承載的轉矩。 該配置封包含牢固於細的矣、 的表面又SAW裝置2、3，各裝置之方 向與轴之旋轉軸線4本皙μ * 貝上成45。。SAW裝置各自封包含相應 之基板，其通常係為石英姑 央材枓，其上佈置有表面導體以形 成一表面聲波裝置。表而敌 w聲波裝置可係共鳴器或延遲線裝 置。該等裝置藉由一訊問裝罢- 门策置3通過無接觸RF連接6、7訊問。 上述配置係已知配置。冷人i 义今為止，SAW裝置的表面組件在 基板上係佈置成如此，体段甘 1更件其万向和表面聲波傳播方向係 •10 (6) 1251077 與ST切口石英基板晶體之χ軸或γ切口 LiNb〇3之义轴^ ^ ，·圖2所示之配置中，二SAW裝置8、9係佈置在一單_T石英 基板10之上。裝置8、9均係延遲線裝置，其各封包本一聲 波傳送/接收器11和二反射式格柵12。對於各裝置8、9,其 方向和聲波傳播方向係沿ST切口石英基板之相應的乂轴 線0 如上文所述，圖1及2之配置係傳統配置。 現在參考圖3，其顯示本發明的一較佳具體實施例。一軸 20上寧定有一對SAW裝置21、22。各SAW裝置均封包含佈置 於共同基板23上之表面組件。基板可係任何合適材料作成， 通常係S T切口石英。 SAW裝置21、22均係延遲線裝置或共鳴器裝置，其整合有 聲波轉換器24和反射式格柵25。 基板23牢固於軸20，基板之乂軸線26本質上與轴之旋轉軸 線27調準T形成SAW裝置21、22之表面組件係放置成如此， 使得各聲波之傳播袖線28、29相對於基板之X軸成35。角度。 對於該配置，各SAW裝置不具有先前技術中可認知的零TCF 之優點。然而，吾人發現，對於此類型配置，因第三序彈 性常數之溫度變化值產生的靈敏度之溫度變化值，與因線 性溫度膨脹係數、非零第三序彈性常數、第一序彈性常數 之溫度變化值、基板密度之溫度變化值產生的淨靈敏度之 溫度變化值接近，而符號相反。在實施中吾人發現，利用 此配置，在-45°C至+90〇C溫度範圍内，可實現約在6%之總 體靈敏度變化值。而且，咸信藉由適當地選擇軸20之特徵， -11-

1251077 ⑺ 即可能進一步減小靈敏度之溫度相關變化值，因為可藉由 因軸彈性常數隨溫度變化值產生的相同但符號相反之變化 值來補償上述剩餘6°/。變化值。 雖然本發明已參考一具體實施例得到描述，其中二SAW 裝置係佈置在同一基板上，但應明瞭，本發明可應用於利 用二或更多獨立SAW裝置的配置中，例如圖1顯示之方式。 在該等狀況下，各SAW裝置係佈置於相應的基板上，使得 聲波傳播方向與ST切口石英基板之X軸成一合適角度。 亦應明瞭，雖然本發明之描述中特別參考轉矩測量，但 所描述之技術可應用於其他測量中以減小靈敏度之溫度相 關變化值（若不利用該技術，則變化值存在）。 本發明已在S T切口石英基板的背景下得到描述。對於此 一基板，聲波傳播方向相對於X軸之角度較佳係± 3 5。。然而， 本發明亦可利用其他基板。本發明利用其他基板之一關鍵 方面係：聲波傳播方向相對於基板之一定義轴線成一角度， 使得因第三序彈性常數之變化值產生的頻率靈敏度隨溫度 變化值，與因線性溫度膨脹係數、非零第三序彈性常數、 第一序彈性常數之溫度變化值、基板密度之溫度變化值综 合產生的頻率靈敏度隨溫度變化值相等，而符號相反，因 此，各種因素的變化使裝置之靈敏度隨溫度變化值減至最 小0 上述具體實施例具有一優點，即轉矩靈敏度隨溫度變化 值較小（6%左右）。然而，其亦有一缺點，即在室溫下具有 一非零線性頻率溫度係數（TCF)。這意味著，二共鳴器之共 -12· 1251077

嗎頻率隨溫度的絕對變化值大於裝置方向（例如）沿sT切口 .石英基板之X軸時的絕對變化值。在有些應用中，這可能不 圖4顯示之進一步具體實施例具有一優點，即對二saw共 鳴器31、32僅使用一單一基板30,共鳴器相互之間成9〇。（使 對轉矩之靈敏度最大），並均具有零線性TCF。在·4〇。至+90°C 範圍内，轉矩靈敏度隨溫度之變化值約在12%，其比前一實 施例糟糕，但比製造於ST-X切口石英上的傳統裝置更好。 二共鳴器均具有軸線33、34，其方向與γ + 34。切口石英 製成之基板之X軸線成45。。IDTs之電極和格柵之反射器相 對於相關共鳴器軸線33、34傾斜一角度3 i。至3 2。，以考慮 SAW之相位方向與群組速度方向之間的差異。 最後，上述SAW感測器之基板可藉由一粘合劑（膠水）焊料 或任·何其他接合技術直接附著在軸上，如圖3和4所示，並 且裝置的i作表面可藉由蓋子保護起來，其較佳係用石英 t成，並附著於基板（例如藉由一枯合劑）。一更健壯設計可 利用一封包35，如圖5和ό所示。封包35係一碟子（圓柱狀較 佳），SAW裝置36、37(或在單獨基板上，或在一單一基板上 38)以一要求角度牢固附著於封包35之底部。封包35係以一 盖子39密封，並使用粘結劑或焊料或者將軸4〇焊接在封包 的周邊，將其附著於軸40。 圖式簡單說明 圖1顯示一利用先前技術、使用二SAW共鳴器之轉矩測量 裝置’各共鳴器係佈置於單獨基板上； •13-

1251077 (9) 圖2顯示一利用先前技術、使用二SAW延遲線裝置之轉矩 .測量裝置，沿遲線係佈置於同一基板上； 圖3顯示本發明之較佳第一具體實施例； 圖4顯示本發明之第二具體實施例； 圖5顯示一拆解之保護封包，用於二或更多SAW共鳴器，及 圖6顯示一組裝之保護封包，用於SAW共鳴器。 圖式代表符號說明 1 轴 2,3 SAW裝置 4 旋轉軸 5 訊問裝置 6,7 RF連接 8,9 SAW裝置 10 單一石英基板 11 、 聲波傳送/接收器 12 反射式格柵 20 軸 21,22 SAW裝置 23 基板 24 聲波轉換器 25 反射式格栅 26 X軸 27 旋轉軸 28,29 傳播軸

-14-

1251077 30 基板 31,32 SAW共鳴器 20 軸 33, 34 旋轉軸 35 封包 36, 37 SAW裝置 38 基板 39 蓋子 40 轴 •15-

Claims (1)

125 1 §7^1137480號專利申請案 中文申請專利範圍替換本(94年11月// > 一 拾、申請專利範圍 1. 一種表面聲波（SAW)感測器，其包含一由一基板上提供之 轉換器，其中該轉換器定向在該基板上，導致該聲波傳 播方向係如此，即使得與該基板第三序彈性常數隨溫度 之變化值相關聯的感測器輸出隨溫度之變化值’基本上 與另外四因素相關聯的感測器輸出隨溫度之變化值之總 和相等，但符號相反，另外四因素係：該基板線性溫度 膨脹係數，該基板非零第三序彈性常數、該基板第一序 彈性常數及該基板密度三者隨溫度之變化值。 2. 如申請專利範圍第1項之表面聲波感測器，其中該基板係 ST切口石英，且二轉換器按方向佈置在該基板上，使得 各自相應的聲波傳播方向與該基板之X軸成一在30。至 42。之間的角度，該二轉換器相對於該X軸係對稱分佈。 3 ·如申請專利範圍第2項之表面聲波感測器，其中該角度係 在30°和40°之間。 4 ·如申請專利範圍第3項之表面聲波感測器，其中該角度為 35。。 5·如申請專利範圍第1項之表面聲波感測器，其中該基板係 Y + 34。切口石英，二轉換器按方向佈置在該基板上，使 得各自相應的聲波傳播方向與該基板之X方向基本上成 45。。 6·如申請專利範圍第1至5項中任一項之表面聲波感測器， 該感測為進一步包含反射式格柵，組成該格柵之材料呈 條帶式，各條帶互相平行，且該格柵具有該轉

1251077 換器之電極。 7. 如申請專利範圍第6項之表面聲波感測器，其中該反射式 格栅係置於該基板上，使得一直線將該格栅和該轉換器 一分為二，該直線以一角度延長至聲波傳播方向。 8. 如申請專利範圍第7項之表面聲波感測器，其中該直線以 一 45°角度延長至該基板之X軸。 9. 如申請專利範圍第5項之表面聲波感測器，其進一步包含 反射式格柵，組成該格柵之材料呈條帶式，各條帶係與 聲波傳播方向成一在3.1°-3.2°至直角之間的角度傾斜。

-2-