專(zhuān)利名稱：采用復(fù)合模的聲表面波壓力傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種傳感器技術(shù)領(lǐng)域的壓力傳感器，具體是一種采用復(fù)合模的聲 表面波壓力傳感器。
背景技術(shù)：
實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輪胎壓力、溫度等參數(shù)的"智能輪胎"，可以對(duì)輪胎爆裂提前預(yù)警， 避免意外災(zāi)難的發(fā)生，同時(shí)可以有效地改進(jìn)車(chē)輛的可操縱性、節(jié)省燃油、延長(zhǎng)輪 胎的使用壽命和提高車(chē)輛的舒適性。隨著在美國(guó)和歐洲的立法，"智能輪胎"受 到世界各國(guó)的廣泛重視，擁有廣闊的應(yīng)用前景。它是一種量大面廣、市場(chǎng)和潛在 市場(chǎng)巨大、經(jīng)濟(jì)效益可觀的新產(chǎn)品。眾所周知，汽車(chē)輪胎壓力傳感器對(duì)產(chǎn)品的技 術(shù)指標(biāo)要求很高，可是卻需要低成本。換言之，汽車(chē)輪胎壓力傳感器是一種要求 具有軍品特性、民品價(jià)格的高科技產(chǎn)品。
目前國(guó)際上開(kāi)發(fā)的汽車(chē)輪胎壓力傳感器類(lèi)別和花色品種繁多，各有千秋。按 照其工作機(jī)制大致可以分成5類(lèi)
①需輪胎內(nèi)電池供電的硅壓阻式或電容式壓力傳感器;②利用電磁感應(yīng)法從 外界供電(125KHz)的硅壓阻式或電容式壓力傳感器；③勿需輪胎內(nèi)電池供電的 磁阻式壓力傳感器;④勿需輪胎內(nèi)電池供電的晶體諧振與電容復(fù)合式壓力傳感器 (其調(diào)制載頻為2.45GHz);⑤不用輪胎內(nèi)電池供電的被動(dòng)式聲表面波壓力傳感器 (系統(tǒng)載頻各個(gè)國(guó)家有所差別)。SAW (基于聲表面波)技術(shù)的"智能輪胎"利用 SAW器件本身工作在射頻頻段和純無(wú)源的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了傳感器敏感端工作時(shí)不需 要任何電池供電并且信息無(wú)線傳輸。與需電池供電的"智能輪胎"傳感器相比， 其使用環(huán)境溫度超過(guò)125'C后仍能正常工作的特點(diǎn)也是一大優(yōu)勢(shì)。 經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)的檢索發(fā)現(xiàn)
英國(guó)傳感技術(shù)有限公司申報(bào)的公開(kāi)號(hào)是CN1653321的中國(guó)專(zhuān)利中提出，采用 三組SAW敏感部件， 一組SAW敏感部件接受由導(dǎo)壓外殼變換而產(chǎn)生的力(壓力一 力)，另外兩組SAW敏感部件處于無(wú)應(yīng)變的區(qū)域，以便提供壓力和溫度的參考基準(zhǔn)。
美國(guó)霍尼韋爾國(guó)際公司申報(bào)的公開(kāi)號(hào)為CN1813178的中國(guó)專(zhuān)利，該專(zhuān)利采用
單片式壓電基片結(jié)構(gòu)在該基片上設(shè)置了一組或多組微結(jié)構(gòu)的SAW溫度敏感部
件、 一組或多組微結(jié)構(gòu)的SAW壓力敏感部件以及1個(gè)或多個(gè)觸點(diǎn)。這些觸點(diǎn)有助 于維持傳感器的氣密性，并且從基片下面伸出，用于壓力傳感器系統(tǒng)的支撐和電 連接。它的SAW壓力敏感部件接受經(jīng)導(dǎo)壓外殼變換產(chǎn)生的力(壓力一力)，SAW 溫度敏感部件處于無(wú)應(yīng)變的區(qū)域，以便提供溫度的參考基準(zhǔn)。
專(zhuān)利公開(kāi)號(hào)為CN1619954的中國(guó)專(zhuān)利，提出了一種改善措施，可是其安裝工 藝仍然沒(méi)有完全解決封裝盒凸起與作用晶片物理位置的一致性問(wèn)題。此外，由于 封裝盒和其凸起是金屬材料構(gòu)成的，以前的技術(shù)沒(méi)有考慮"封裝盒上的凸起裝置
的金屬材料"熱膨脹系數(shù)與SAW石英晶體基片的匹配性，這都嚴(yán)重地影響了傳 感器分辨率、壓力準(zhǔn)確性、 一致性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性。
雖然CN1653321和CN1813178專(zhuān)利各有特色，但是它們的聲表面波力敏元件 工作模式皆為瑞利波模式，彈性元件體和傳感結(jié)構(gòu)都是采用硬質(zhì)量環(huán)的周邊固支
平膜片(簡(jiǎn)支水晶杯)結(jié)構(gòu)。這類(lèi)結(jié)構(gòu)不僅占據(jù)的壓電基片面積大，而且由于被 測(cè)體的溫場(chǎng)與壓力場(chǎng)不是處于同一區(qū)域，因此溫度修正和補(bǔ)償所使用的數(shù)據(jù)并不 是同一位置、同一時(shí)刻的壓力和溫度實(shí)測(cè)值，因此不能進(jìn)行準(zhǔn)確的溫度修正和補(bǔ) 償。瑞利波模式的聲表面波器件品質(zhì)因數(shù)(Q值)僅為幾千，且對(duì)晶片表面的缺 陷(劃痕、孿晶、氣孔)很敏感，耐表面污染(灰塵、油污、水氣)能力差，老 化特性欠佳；水晶杯封裝結(jié)構(gòu)僅在小撓度工作條件下具有線性特征，不僅量程范 圍窄，而且壓力靈敏度低。此外，水晶杯的膜片厚度很難加工均勻，從而導(dǎo)致膜 片的應(yīng)變分布不對(duì)稱，線性特性不好，壓力過(guò)載能力差， 一致性欠佳。
專(zhuān)利CN1653321中的壓力——力轉(zhuǎn)換器和力的傳遞結(jié)構(gòu)全都是采用壓力傳 感器的金屬封裝盒和盒上的凸起結(jié)構(gòu)，即利用金屬封裝盒及盒上的凸起結(jié)構(gòu)把被 測(cè)壓力轉(zhuǎn)變?yōu)榱?，并通過(guò)該凸起結(jié)構(gòu)與晶片的物理接觸，把此力傳遞給彈性元件 體和敏感裝置——聲表面波器件，導(dǎo)致聲表面波頻率的變化。實(shí)際上，金屬盒蓋 凸起結(jié)構(gòu)的彈性系數(shù)和溫度系數(shù)與彈性元件體和敏感裝置(皆釆用石英晶體材 料)的彈性系數(shù)和溫度系數(shù)通常并不相等。
專(zhuān)利CN1653321的壓力——力轉(zhuǎn)換器和力的傳遞特性主要由下述3個(gè)因子的
位置關(guān)系決定的:金屬封裝盒以及盒上的凸起結(jié)構(gòu)與晶片的物理接觸位置的定位 精度、叉指換能器(包括反射柵陣)的制作尺寸精度以及它在晶向和晶片上的物 理位置精度。這個(gè)專(zhuān)利的力傳遞結(jié)構(gòu)要求在2維空間位置的設(shè)計(jì)和加工上都必須 具有高精度。因此，利用目前的常規(guī)工藝制作，其一致性很差。
專(zhuān)利CN1653321封裝盒上的凸起結(jié)構(gòu)實(shí)際上是一種金屬凹坑。因此在使用壓 力傳感器期間，該金屬凹坑極易沉積灰塵、油污和水分，它們可造成壓力傳感器 的預(yù)應(yīng)力的變化，從而形成零位漂移和測(cè)量誤差。當(dāng)轎車(chē)、重型卡車(chē)和摩托車(chē)的 輪胎外胎進(jìn)水后，壓力傳感器表面和金屬凹坑有時(shí)會(huì)積存水或結(jié)冰。顯然，這種 機(jī)構(gòu)有時(shí)會(huì)損壞壓力傳感器。此外，此種凸起的橫截面積較大，即端部尖銳化欠 佳，其應(yīng)力集中效果差。
利用封裝盒和其凸起結(jié)構(gòu)與晶片的物理接觸，把力傳遞給彈性元件體和敏感
裝置一一聲表面波器件，但是也帶來(lái)了副作用把外界的振動(dòng)和安裝應(yīng)力等也傳
遞給彈性元件體和敏感裝置，給測(cè)量帶來(lái)較大誤差，甚至可能會(huì)損傷SAW基片。 總之，有必要探索高靈敏度的聲表面波模式和新式導(dǎo)壓和敏感結(jié)構(gòu)，以便縮
小壓力傳感器的體積，增加傳感器的壓力靈敏度、準(zhǔn)確度，改善傳感器抗污染、
耐惡劣環(huán)境(特別是抗噪聲、耐機(jī)械振動(dòng)和沖擊)能力，提高其一致性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種采用復(fù)合模的聲表面 波壓力傳感器，使其利用掠面體波模式和瑞利波模式的復(fù)合模的聲表面波敏感元 件，并還包括微型縮頸式導(dǎo)力頂針片、帶頂針片和蘑菇狀加壓帽的硬心球殼導(dǎo)壓 金屬膜片、由硼硅酸鹽玻璃構(gòu)成的具有盲孔的圓筒形導(dǎo)力筒、隔離干擾應(yīng)力并且 應(yīng)力靈敏度不隨施力位置改變的石英懸臂梁等關(guān)鍵部件的配合，獲得高精密、高 穩(wěn)定、耐惡劣環(huán)境工作的特性。
本發(fā)明是通過(guò)如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明包括蘑菇狀加壓帽、硬心球殼
導(dǎo)壓金屬膜片、金屬導(dǎo)力柱、過(guò)壓保護(hù)裝置、金屬外殼側(cè)壁、導(dǎo)力頂針片、導(dǎo)力
筒、石英懸臂梁式敏感元件、底殼、過(guò)壓保護(hù)裝置，其中硬心球殼導(dǎo)壓金屬膜 片、金屬外殼側(cè)壁和底殼組成一個(gè)氣密性的容器，硬心球殼導(dǎo)壓金屬膜片的上表 面通過(guò)金屬導(dǎo)力柱與蘑燕狀加壓帽相連，其下表面固定著一枚導(dǎo)力頂針片，導(dǎo)力
頂針片與導(dǎo)力筒剛性相連，在導(dǎo)力筒內(nèi)部設(shè)有石英懸臂梁式敏感元件，石英懸臂 梁式敏感元件的一端通過(guò)玻璃粉料與導(dǎo)力筒的盲孔端面相連，另一端通過(guò)玻璃粉 料使與金屬外殼側(cè)壁的盲孔結(jié)合，過(guò)壓保護(hù)裝置設(shè)置在底殼的內(nèi)表面上。
所述蘑菇狀加壓帽的邊緣設(shè)有第一突起裝置，金屬外殼側(cè)壁的頂端設(shè)有第二 突起裝置，第一突起裝置和第二突起裝置的功能是限位過(guò)壓保護(hù)。
所述蘑燕狀加壓帽，其外形尺寸大于或等于硬心球殼導(dǎo)壓金屬膜片的外形尺 寸，且其外表面涂覆了一層聚四氟乙烯薄膜，以防止灰塵、油污和水分在壓力傳 感器蘑菇狀加壓帽的外表面的沉積和落入硬心殼導(dǎo)壓金屬膜片上；否則，如果灰 塵、油污和水分落在導(dǎo)壓金屬膜片上，那么它們的重量改變壓力傳感器的預(yù)應(yīng)力， 不僅帶來(lái)零位漂移，而且給壓力的精密測(cè)量帶來(lái)一定的誤差。
所述金屬導(dǎo)力柱，其數(shù)目為1 3根，均勻分布在蘑菇狀加壓帽和硬心球殼 導(dǎo)壓金屬膜片之間，以使被測(cè)壓力能夠均勻地、不失真地傳遞給硬心球殼導(dǎo)壓金 屬膜片。
所述金屬外殼側(cè)壁，其與懸臂梁式敏感元件相連的一側(cè)設(shè)有兩個(gè)或兩個(gè)以上 的下凹的隔振裝置，隔震裝置分別設(shè)置在石英懸臂梁式敏感元件的上方和下方， 金屬外殼側(cè)壁的另一側(cè)面上也設(shè)有一個(gè)下凹的隔振裝置，以更好地隔離外界振動(dòng) 的傳入。
所述導(dǎo)力頂針片，由鎂合金組成或在其表面設(shè)有一層鎂合金箔，導(dǎo)力頂針片 的厚度從硬心殼導(dǎo)壓金屬膜片至導(dǎo)力筒逐漸變薄，導(dǎo)力頂針片的中間位置設(shè)置有 縮頸凹槽，以便改善傳感器的抗機(jī)械振動(dòng)和沖擊能力，防止導(dǎo)力筒或懸臂梁式敏 感元件的破損；導(dǎo)力頂針片的長(zhǎng)度為130Mm 25腿，具體長(zhǎng)度取決于壓力測(cè)量范 圍和對(duì)技術(shù)指標(biāo)的要求，以保證傳感器具有良好的靈敏度和很好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。
所述石英懸臂梁式敏感元件，包括壓電石英晶片、瑞利波模式SAW器件、 掠面體波SSBW器件，壓電石英晶片表面上設(shè)置有一個(gè)瑞利波模式SAW器件和一 個(gè)掠面體波SSBW器件，瑞利波模式SAW器件激發(fā)的瑞利波與掠面體波SSBW器件 激發(fā)的掠面體波的傳播方向成90。角，掠面體波SSBW器件采用端面反射型單端 口諧振器，瑞利波模式SAW器件采用反射型延遲線結(jié)構(gòu)或者單端口諧振器。這樣 的設(shè)計(jì)使得傳感器不僅具有高靈敏度、高溫度穩(wěn)定性，而且可以有效地利用瑞利 波模式SAW在表面?zhèn)鞑?，而掠面體波模式SSBW在表層傳播的原理，兩者在微小
的空間內(nèi)各有自己的傳播路徑，互不干擾。換言之，利用聲表面波的瑞利波模式 和掠面體波模式能量在一片壓電石英晶片上分布深淺的差別，使它們立體交叉， 實(shí)現(xiàn)同時(shí)測(cè)量壓力和溫度的功能，瑞利波SAW器件和掠面體波SSBW器件的這種 設(shè)置極大縮小了晶片表面積，從而縮小了傳感器的外形尺寸。
所述壓電石英晶片，其左邊部分為長(zhǎng)等腰梯形，右邊部分為矩形，左邊的等 腰梯形形狀能夠形成等強(qiáng)度梁，右邊矩形部分可便于安裝在金屬外殼側(cè)壁上，左 邊部分和右邊部分之間還設(shè)有通孔槽，并以圓滑過(guò)度弧相銜接，通孔槽和圓滑過(guò) 度弧是為了防止或抑制外界的振動(dòng)和外應(yīng)力導(dǎo)入而制作的，也能夠起到抑制晶片 邊緣的聲反射作用。
所述壓電石英晶片，其兩側(cè)設(shè)有機(jī)械切口，機(jī)械切口為半圓形、方形或V 形凹槽應(yīng)力集中裝置，以便提高壓力靈敏度；壓電石英晶片與金屬外殼側(cè)壁固定 的一端設(shè)有矩形切口 ，以使復(fù)合模表面波石英懸臂梁式敏感元件插入金屬外殼側(cè) 壁并且固定牢固；壓電石英晶片在與導(dǎo)力筒相連的一端設(shè)有圓弧，以增強(qiáng)與導(dǎo)力 筒的結(jié)合力。
所述過(guò)壓保護(hù)裝置，其設(shè)置在導(dǎo)力筒處于滿量程壓力值的1. 5-2. 5倍時(shí)位移 的極限位置，以便防止在過(guò)壓時(shí)石英懸臂梁式敏感元件受到損壞。
所述導(dǎo)力筒、壓電石英晶片和玻璃粉料，其之間的熱膨脹系數(shù)必須相互匹配， 以減少由于溫度變化產(chǎn)生的熱應(yīng)力給壓力測(cè)量帶來(lái)的誤差。
本發(fā)明的壓力傳感器其內(nèi)部充滿等于1個(gè)大氣壓的氮?dú)?，這樣不僅為測(cè)量壓 力(表壓)提供了參考?jí)毫Γ铱梢詼p少氧氣對(duì)SAW器件金屬電極的氧化，改 善傳感器的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。
本發(fā)明當(dāng)被測(cè)壓力作用到蘑菇狀加壓帽上后，通過(guò)均勻分布的金屬導(dǎo)力短支 柱將壓力傳遞到硬心球殼導(dǎo)壓金屬膜片上，然后把"壓力"變換為"力"。在蘑 菇狀加壓帽的外表面涂覆了一層聚四氟乙烯薄膜，以防止灰塵、油污和水分在壓 力傳感器外表面的沉積；此外，由于蘑燕狀加壓帽的外形尺寸大于或等于硬心球 殼導(dǎo)壓金屬膜片的外形尺寸，也可防止灰塵、油污和水分落入硬心殼導(dǎo)壓金屬膜 片上。再通過(guò)一端固定在硬心球殼導(dǎo)壓金屬膜片上的導(dǎo)力頂針片將壓力進(jìn)一步傳 遞到導(dǎo)力筒，由于導(dǎo)力頂針片由鎂合金構(gòu)成(或者焊接一層鎂合金箔)，而鎂合 金耐凹陷特性好，由沖撞而引起的凹陷小于其他金屬。再加上金屬外殼側(cè)壁上設(shè)
有的下凹隔振裝置，因此可以改善傳感器的抗機(jī)械振動(dòng)和沖擊能力，防止導(dǎo)力筒 或石英懸臂梁式表面波敏感元件的破損。由硼硅酸鹽玻璃構(gòu)成的具有盲孔的導(dǎo)力 筒的形狀頗像一根試管，其內(nèi)部設(shè)置了光刻有復(fù)合模(聲表面波的掠面體波模式 和瑞利波模式的復(fù)合)表面波元件的石英懸臂梁式敏感元件。同時(shí)根據(jù)材料力學(xué) 知識(shí)，即使在不同的位置施加力F在導(dǎo)力筒上，在呈長(zhǎng)形等腰梯形石英懸臂梁 內(nèi)各橫截面產(chǎn)生的應(yīng)力是相等的，在表面上任意位置的應(yīng)變也相等。當(dāng)導(dǎo)力筒處 于滿量程壓力值的1. 5-2. 5倍時(shí)，其極限位移正是過(guò)壓保護(hù)裝置的外邊緣，因此 能夠防止在過(guò)壓時(shí)傳感器的石英懸臂梁式敏感元件受到損壞。傳遞到導(dǎo)力筒的力 將引起石英懸臂梁式敏感元件的壓電石英晶片應(yīng)力的改變，從而導(dǎo)致該晶片上的 瑞利波模式SAW器件和掠面體波SSBW器件的波速同時(shí)發(fā)生變化，因此兩個(gè)器件 的輸出信號(hào)(頻率或傳播時(shí)延)發(fā)生變化。顯然，若能測(cè)量出其信號(hào)的變化量， 便可知道其壓力值。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益的效果
本發(fā)明能夠在同一工作頻率的條件下，制作一種體積小、壓力靈敏度高(比 常規(guī)SAW壓力傳感器的靈敏度高15倍左右)、準(zhǔn)確度好、一致性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性佳， 抗污染，耐機(jī)械振動(dòng)沖擊和適宜在較寬溫區(qū)工作能力強(qiáng)的聲表面波壓力傳感器； 特別是能夠提供一種應(yīng)力靈敏度高，可是其應(yīng)力靈敏度卻不受施力位置影響的導(dǎo) 力筒與長(zhǎng)形等腰梯形石英力敏懸臂梁相結(jié)合的力敏裝置，從而解決了目前聲表面 波壓力傳感器設(shè)計(jì)和生產(chǎn)中的一大難題。
本發(fā)明能大幅度地增加壓力靈敏度，縮小傳感器的外形尺寸，提高測(cè)量的準(zhǔn) 確度、 一致性和長(zhǎng)期穩(wěn)定性，改善其抗污染(灰塵、油污和水分等)能力，耐機(jī) 械振動(dòng)沖擊和適宜在較寬溫區(qū)工作能力，有效地利用瑞利波模式SAW在表面?zhèn)?播，而掠面體波模式SAW在表層傳播的原理，使兩者在微小的空間內(nèi)各有自己的 傳播路徑，立體交叉，互不干擾，縮小體積，減少了被測(cè)壓力場(chǎng)中的溫度梯度， 提高溫補(bǔ)的精確性和適時(shí)跟隨性，為聲表面波壓力傳感器的精確、適時(shí)溫補(bǔ)提供 一種新方法。此外，特別提供了一種應(yīng)力靈敏度很高的石英力敏懸臂梁，可是其 靈敏度不隨施力位置改變，從而解決了目前聲表面波壓力傳感器設(shè)計(jì)和生產(chǎn)的一 大難題。
本發(fā)明涉及，并且不限于汽車(chē)、摩托車(chē)輪胎壓力和溫度的無(wú)線檢測(cè)應(yīng)用。本 發(fā)明特別適用于惡劣環(huán)境中的轎車(chē)、重型卡車(chē)和高檔摩托車(chē)的壓力、溫度無(wú)線監(jiān)


圖1是本發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明中的導(dǎo)力頂針片的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是本發(fā)明中的石英懸臂梁式敏感元件和導(dǎo)力筒部分的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4是本發(fā)明的實(shí)施例一中石英懸臂梁式敏感元件的結(jié)構(gòu)示意其中(a)是實(shí)施例一中石英懸臂梁式敏感元件的俯視圖，(b)是實(shí)施例一
中石英懸臂梁式敏感元件的側(cè)視圖。
圖5是本發(fā)明實(shí)施例一中掠面體波SSBW器件是一種端面反射型掠面體波諧
振器時(shí)的結(jié)構(gòu)示意其中(a)是端面反射型掠面體波諧振器結(jié)構(gòu)示意圖，(b)是端面反射型掠
面體波諧振器局部剖面圖。
圖6是本發(fā)明的實(shí)施例二中石英懸臂梁式敏感元件的結(jié)構(gòu)示意其中，圖(a)是實(shí)施例二中石英懸臂梁式敏感元件的俯視圖，(b)是實(shí)施
例二中石英懸臂梁式敏感元件的側(cè)視圖。
圖7是本發(fā)明的實(shí)施例三中石英懸臂梁式敏感元件的結(jié)構(gòu)示意其中(a)是實(shí)施例三中石英懸臂梁式敏感元件的俯視圖，(b)是實(shí)施例三
中石英懸臂梁式敏感元件的側(cè)視圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說(shuō)明本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案 為前提下進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過(guò)程，但本發(fā)明的保護(hù) 范圍不限于下述的實(shí)施例。
實(shí)施例一
如圖l、圖2、圖3所示，本實(shí)施例包括蘑菇狀加壓帽2、金屬導(dǎo)力柱4、 硬心球殼導(dǎo)壓金屬膜片7、金屬外殼側(cè)壁8、導(dǎo)力頂針片9、導(dǎo)力筒IO、石英懸 臂梁式敏感元件13、底殼14、過(guò)壓保護(hù)裝置17，其中硬心球殼導(dǎo)壓金屬膜片 7、金屬外殼側(cè)壁8、底殼14組成一氣密性的容器，硬心球殼導(dǎo)壓金屬膜片7的 上表面通過(guò)金屬導(dǎo)力柱4與蘑菇狀加壓帽2相連，下表面固定導(dǎo)力頂針片9，導(dǎo)
力頂針片9與導(dǎo)力筒10剛性相連，導(dǎo)力筒10內(nèi)部設(shè)有石英懸臂梁式敏感元件 13，石英懸臂梁式敏感元件13的一端通過(guò)第一玻璃粉料16與導(dǎo)力筒10的側(cè)面 相連，另一端通過(guò)第二玻璃粉料12與金屬外殼側(cè)壁8的盲孔11相連，過(guò)壓保護(hù) 裝置17設(shè)置在底殼14上。
所述蘑燕狀加壓帽2的邊緣設(shè)有第一突起裝置5，金屬外殼側(cè)壁8的頂端設(shè) 有第二突起裝置6，第一突起裝置5和第二突起裝置6是一種限位過(guò)壓保護(hù)裝置。
所述蘑菇狀加壓帽2，其外形尺寸大于或等于硬心球殼導(dǎo)壓金屬膜片7的外 形尺寸，且其外表面涂覆了一層聚四氟乙烯薄膜3，以防止灰塵、油污和水分在 蘑菇狀加壓帽2的外表面的沉積和落入硬心殼導(dǎo)壓金屬膜片7上。否則，如果灰 塵、油污和水分落在導(dǎo)壓金屬膜片7上，那么它們的重量將改變傳感器的預(yù)應(yīng)力， 給壓力的測(cè)量帶來(lái)一定的誤差。
所述金屬導(dǎo)力柱4，其數(shù)目為1 3根，均勻分布在加壓帽3和硬心球殼導(dǎo) 壓金屬膜片7之間，以使被測(cè)壓力能夠均勻地、不失真地傳遞給硬心球殼導(dǎo)壓金 屬膜片7。
所述金屬外殼側(cè)壁8，其與石英懸臂梁式敏感元件13相連的一側(cè)設(shè)有兩個(gè) 或兩個(gè)以上的下凹的隔振裝置21，隔震裝置分別設(shè)置在石英懸臂梁式敏感元13 件的上方和下方，金屬外殼側(cè)壁8的另一側(cè)面上也設(shè)有一個(gè)下凹的隔振裝置21， 以更好地隔離外界振動(dòng)的傳入。
所述導(dǎo)力頂針片9，由鎂合金組成或在其表面設(shè)有一層鎂合金箔18，其厚度 從硬心殼導(dǎo)壓金屬膜片7至導(dǎo)力筒10逐漸變薄，中間位置設(shè)置有縮頸凹槽19， 以便改善傳感器的抗機(jī)械振動(dòng)和沖擊能力，防止導(dǎo)力筒10或懸臂梁式敏感元件 13的破損。
所述導(dǎo)力頂針片9，其長(zhǎng)度為130Mm 155Mm，具體長(zhǎng)度取決于壓力測(cè)量范圍 和對(duì)技術(shù)指標(biāo)的要求，以保證傳感器具有良好的靈敏度和很好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。
如圖4所示，所述懸臂梁式敏感元件13，包括壓電石英晶片61、瑞利波 模式SAW器件20、掠面體波模式SAW器件27，其中，壓電石英晶片61選擇旋轉(zhuǎn) Y切石英，瑞利波模式SAW器件20、掠面體波模式SAW器件27位于壓電石英晶 片61的同一側(cè)，聲表面波傳播方向與晶片X軸成50。角，掠面體波模式SSBW 器件27激發(fā)的掠面體波35與瑞利波模式SAW器件20激發(fā)的瑞利波34的傳播方
向成90°角，瑞利波模式SAW器件20負(fù)責(zé)測(cè)量壓力，掠面體波模式SSBW器件 27負(fù)責(zé)測(cè)量溫度。
所述瑞利模式的SAW器件20，由叉指換能器25和兩個(gè)第一反射柵36構(gòu)成， 叉指換能器25位于兩個(gè)第一反射柵36之間，構(gòu)成單端口諧振器。
如圖5所示，所述掠面體波模式SSBW器件27，為一種端面反射型掠面體波 諧振器，由第二叉指換能器28和兩側(cè)的端面101組成，端面101分為三層起 平滑作用的第1級(jí)反射端面102 、粗糙的第2級(jí)反射端面103、第3級(jí)反射端面 104,第1級(jí)反射端面102和第2級(jí)端面103之間為平滑的臺(tái)階105，第2級(jí)端 面103與第3級(jí)端面104之間為粗糙的臺(tái)階105，端面的底部為壓電石英晶片61 的下表面41。
所述端面反射型掠面體諧振器是利用SSBW波和體聲波的能量在壓電石英晶 片61表層和內(nèi)部分布的差異(SSBW波的絕大多數(shù)能量分布在壓電石英晶片61 表層，而體聲波的能量勻布在壓電石英晶片61內(nèi)部)，利用第1級(jí)反射端面102 使SSBW波在壓電石英晶片61表層內(nèi)諧振，而此反射臺(tái)階端面卻阻斷了其下方的 體聲波諧振的影響。換言之，由于體聲波的諧振與SSBW波的諧振不重合，因此 與體聲波諧振相關(guān)的寄生信號(hào)被有效地抑制。
目前關(guān)于端面反射型掠面體諧振器已有多個(gè)專(zhuān)利，例如CN1128436《端面反 射型表面波諧振器》、CN11402427《端面反射型表面波濾波器》和CN1202041A《具 有端面反射型表面波諧振器的梯形濾波器》等。
所述壓電石英晶片61，其左邊部分22呈長(zhǎng)等腰梯形，右邊部分23為矩形， 左邊的等腰梯形形狀能夠形成等強(qiáng)度梁，右邊部分23可便于安裝在金屬外殼側(cè) 壁8上，左邊部分22和右邊部分23之間還設(shè)有通孔槽30，并以圓滑過(guò)度弧24 相銜接，通孔槽30和圓滑過(guò)度弧24是為了防止或抑制外界的振動(dòng)和外應(yīng)力導(dǎo)入 而制作的，也能夠起到抑制晶片邊緣的聲反射作用。
所述壓電石英晶片61，其兩側(cè)設(shè)有機(jī)械切口29、 32，切口 29、 32可以為半 圓形、方形或V形凹槽應(yīng)力集中裝置，以便提高壓力靈敏度；壓電石英晶片61 與金屬外殼側(cè)壁8固定的一端，設(shè)有矩形切口31，以使石英懸臂梁式敏感元件 13插入金屬外殼側(cè)壁8并且固定牢固；壓電石英晶片61在與導(dǎo)力筒10相連的 一端設(shè)有圓弧33，以增強(qiáng)與導(dǎo)力筒10的結(jié)合力。
所述過(guò)壓保護(hù)裝置17，其設(shè)置在導(dǎo)力筒10處于滿量程壓力值的1. 5倍時(shí)位 移的極限位置，以便防止在過(guò)壓時(shí)石英懸臂梁式敏感元件13受到損壞。
所述導(dǎo)力筒IO、壓電石英晶片61和玻璃粉料16、 12,其之間的熱膨脹系數(shù) 必須相互匹配，以減少由于溫度變化產(chǎn)生的熱應(yīng)力給壓力測(cè)量帶來(lái)的誤差。
本實(shí)施例的壓力傳感器，其內(nèi)部應(yīng)充滿等于1個(gè)大氣壓的氮?dú)?，這樣不僅為 測(cè)量壓力(表壓)提供了參考?jí)毫?，而且可以減少氧氣對(duì)SAW器件金屬電極的氧 化，改善傳感器的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。
實(shí)施例二
如圖6所示，本實(shí)施例中與實(shí)施例一的結(jié)構(gòu)不同之處在于瑞利波模式SAW 器件20設(shè)在壓電石英晶片21的上表面，掠面體波SSBW器件27設(shè)在壓電石英晶 片21的下表面，聲表面波傳播方向與晶片X軸成50。角，掠面體波SSBW器件 27激發(fā)的掠面體波35與瑞利波模式SAW器件20激發(fā)的瑞利波34的傳播方向成 90°角。瑞利波模式SAW器件20負(fù)責(zé)測(cè)量溫度，掠面體波SSBW器件27負(fù)責(zé)測(cè) 量壓力。
顯然，實(shí)施例二采用瑞利波模式SAW器件20和掠面體波SSBW器件27之間 的組合，通過(guò)空間立體交叉，實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力、溫度的測(cè)量。 實(shí)施例三
如圖7所示，本實(shí)施例與實(shí)施例一的結(jié)構(gòu)不同之處在于瑞利波模式SAW 器件20由一個(gè)叉指換能器25和三個(gè)第二反射柵35、 36和37 (或三個(gè)以上)排 成一行組成反射型延遲線(標(biāo)簽)結(jié)構(gòu)，掠面體波SSBW器件27是由第二叉指換 能器28和兩個(gè)第三反射柵組成。瑞利波模式SAW器件20設(shè)置在壓電石英晶片 61的上表面，掠面體波SSBW器件27設(shè)置在壓電石英晶片61的下表面，兩者在 壓電石英晶片61上能量分布的深淺不同，通過(guò)它們的空間立體交叉，實(shí)現(xiàn)對(duì)壓 力、溫度的測(cè)量。
權(quán)利要求
1、一種采用復(fù)合模的聲表面波壓力傳感器，其特征在于，包括蘑菇狀加壓帽、硬心球殼導(dǎo)壓金屬膜片、金屬導(dǎo)力柱、過(guò)壓保護(hù)裝置、金屬外殼側(cè)壁、導(dǎo)力頂針片、導(dǎo)力筒、石英懸臂梁式敏感元件、底殼、過(guò)壓保護(hù)裝置，其中硬心球殼導(dǎo)壓金屬膜片、金屬外殼側(cè)壁和底殼組成一個(gè)氣密性的容器，硬心球殼導(dǎo)壓金屬膜片的上表面通過(guò)金屬導(dǎo)力柱與蘑菇狀加壓帽相連，其下表面固定著一枚導(dǎo)力頂針片，導(dǎo)力頂針片與導(dǎo)力筒剛性相連，在導(dǎo)力筒內(nèi)部設(shè)有石英懸臂梁式敏感元件，石英懸臂梁式敏感元件的一端通過(guò)玻璃粉料與導(dǎo)力筒的盲孔端面相連，另一端通過(guò)玻璃粉料與金屬外殼側(cè)壁的盲孔結(jié)合，過(guò)壓保護(hù)裝置設(shè)置在底殼的內(nèi)表面上。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的采用復(fù)合模的聲表面波壓力傳感器，其特征是， 所述蘑菇狀加壓帽的邊緣設(shè)有第一突起裝置，金屬外殼側(cè)壁的頂端設(shè)有第二突起 裝置，第一突起裝置和第二突起裝置用于限位過(guò)壓保護(hù)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的采用復(fù)合模的聲表面波壓力傳感器，其特征 是，所述蘑菇狀加壓帽，其外形尺寸大于或等于硬心球殼導(dǎo)壓金屬膜片的外形尺 寸，且其外表面涂覆了一層聚四氟乙烯薄膜。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的采用復(fù)合模的聲表面波壓力傳感器，其特征是， 所述金屬導(dǎo)力柱，其數(shù)目為1 3根，均勻分布在蘑菇狀加壓帽和硬心球殼導(dǎo)壓 金屬膜片之間。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用復(fù)合模的聲表面波壓力傳感器，其特征是，所述金屬外殼側(cè)壁，其與懸臂梁式敏感元件相連的一側(cè)設(shè)有兩個(gè)或兩個(gè)以上的下 凹的隔振裝置，隔震裝置分別設(shè)置在石英懸臂梁式敏感元件的上方和下方，金屬 外殼側(cè)壁的另一側(cè)面上也設(shè)有一個(gè)下凹的隔振裝置。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用復(fù)合模的聲表面波壓力傳感器，其特征是，所述導(dǎo)力頂針片，由鎂合金組成或在其表面設(shè)有一層鎂合金箔，導(dǎo)力頂針片的厚 度從硬心殼導(dǎo)壓金屬膜片至導(dǎo)力筒逐漸變薄，導(dǎo)力頂針片的中間位置設(shè)置有縮頸凹槽；導(dǎo)力頂針片的長(zhǎng)度為130Mm 25誦。
7、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的采用復(fù)合模的聲表面波壓力傳感器，其特征是， 所述石英懸臂梁式敏感元件，包括壓電石英晶片、瑞利波模式SAW器件、掠面 體波SSBW器件，壓電石英晶片表面上設(shè)置有一個(gè)瑞利波模式SAW器件和一個(gè)掠 面體波SSBW器件，瑞利波模式SAW器件激發(fā)的瑞利波與掠面體波SSBW器件激發(fā) 的掠面體波的傳播方向成90。角，掠面體波SSBW器件采用端面反射型單端口諧 振器，瑞利波模式SAW器件采用反射型延遲線結(jié)構(gòu)或者單端口諧振器。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的采用復(fù)合模的聲表面波壓力傳感器，其特征是， 所述壓電石英晶片，其左邊部分為長(zhǎng)等腰梯形，右邊部分為矩形，左邊的等腰梯 形形狀能夠形成等強(qiáng)度梁，右邊矩形部分用于固定在金屬外殼側(cè)壁上，左邊部分 和右邊部分之間還設(shè)有通孔槽，并以圓滑過(guò)度弧相銜接。
9、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的采用復(fù)合模的聲表面波壓力傳感器，其特征是， 所述壓電石英晶片，其兩側(cè)設(shè)有機(jī)械切口，機(jī)械切口為半圓形、方形或V形凹槽 應(yīng)力集中裝置，壓電石英晶片與金屬外殼側(cè)壁固定的一端設(shè)有矩形切口，壓電石 英晶片在與導(dǎo)力筒相連的一端設(shè)有圓弧。
10、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的采用復(fù)合模的聲表面波壓力傳感器，其特征是， 所述掠面體波SSBW器件采用端面反射型單端口諧振器時(shí)，單端口諧振器由一個(gè) 叉指換能器和兩側(cè)的端面，端面分為三層起平滑作用的第1級(jí)反射端面、粗糙 的第2級(jí)反射端面、第3級(jí)反射端面，第1級(jí)反射端面和第2級(jí)端面之間為平滑 的臺(tái)階，第2級(jí)端面與第3級(jí)端面之間為粗糙的臺(tái)階，端面的底部為壓電石英晶 片的下表面。
全文摘要
一種傳感器技術(shù)領(lǐng)域的采用復(fù)合模的聲表面波壓力傳感器，包括蘑菇狀加壓帽、硬心球殼導(dǎo)壓金屬膜片、金屬導(dǎo)力柱、過(guò)壓保護(hù)裝置、金屬外殼側(cè)壁、導(dǎo)力頂針片、導(dǎo)力筒、石英懸臂梁式敏感元件、底殼、過(guò)壓保護(hù)裝置，其中硬心球殼導(dǎo)壓金屬膜片、金屬外殼側(cè)壁和底殼組成一個(gè)氣密性容器，硬心球殼導(dǎo)壓金屬膜片的上表面通過(guò)金屬導(dǎo)力柱與蘑菇狀加壓帽相連，其下表面固定著一枚導(dǎo)力頂針片，導(dǎo)力頂針片與導(dǎo)力筒剛性相連，在導(dǎo)力筒內(nèi)部設(shè)有石英懸臂梁式敏感元件，石英懸臂梁式敏感元件的一端通過(guò)玻璃粉料與導(dǎo)力筒的盲孔端面相連，另一端利用玻璃粉料與金屬外殼側(cè)壁的盲孔結(jié)合。本發(fā)明的靈敏度比常規(guī)表面波傳感器高15倍以上，適宜汽車(chē)輪胎壓力的無(wú)線監(jiān)測(cè)。
文檔編號(hào)G01L1/16GK101354302SQ20081020003
公開(kāi)日2009年1月28日 申請(qǐng)日期2008年9月18日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月18日
發(fā)明者江 林, 韜 韓 申請(qǐng)人:上海交通大學(xué)