專利名稱：聲表面波測量傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型屬于聲表面波傳感技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種聲表面波測量傳感器，該 傳感器為無線無源聲表面波物理參數(shù)測量傳感器，其可以同時大范圍和高精確度檢測外界 待測物理量的變化。
背景技術(shù)：
由于聲表面波傳感器結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重量輕、穩(wěn)定性好、無線連接、無須電源驅(qū) 動并且敏感度高，可用于多種復(fù)雜惡劣環(huán)境中，自上個世紀(jì)八十年代，美、德、日等國家廣泛 開展對無線無源聲表面波傳感器的研究。聲表面波傳感器采用表面聲波傳感技術(shù)，直接從 射頻信號中獲取工作能量，無需集成電源驅(qū)動電路，所需能量由外界獲得，并且產(chǎn)生相應(yīng)的 數(shù)據(jù)處理算法和測量方法。無線無源聲表面波傳感器已經(jīng)在很多領(lǐng)域取得成功應(yīng)用。在現(xiàn)有其中一種方案 中，聲表面波傳感器的結(jié)構(gòu)簡單，但由于聲表面波傳輸?shù)奶匦?，傳感器測量物理量的測量范 圍和精度不能同時保證，也就是說，如果保證聲表面波傳感器有大的測量范圍，則測量精度 就比較低；如果保證聲表面波傳感器有高的測量精度，則測量范圍不會很大，在現(xiàn)有聲表面 波傳感器中很難找到既有大的測量范圍，同時又能保證高精度的聲表面波傳感器。在現(xiàn)有 的另外一種方案中，由于聲表面波傳感器結(jié)構(gòu)本身的原因，每一個傳感器的測量周期只對 傳感器發(fā)出一個射頻脈沖查詢信號，因此獲得的傳感器信息量少，不能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍高精 度的測量。
實用新型內(nèi)容本實用新型要解決的技術(shù)問題是提供一種聲表面波測量傳感器，其可克服現(xiàn)有的 缺陷，能實現(xiàn)被測物理量的大范圍高精確度檢測，并且具有無線無源、結(jié)構(gòu)簡單、體積小、重 量輕和零老化率等特點，適合在復(fù)雜環(huán)境下工作。為實現(xiàn)上述目的，本實用新型所采用的技術(shù)方案為一種聲表面波測量傳感器，包括壓電基底、叉指換能器、反射器及天線；上述的壓電基底，用于感應(yīng)待測物理量；上述的叉指換能器與所述的反射器經(jīng)過表面微加工工藝沉積在所述的壓電基底 上表面；上述的叉指換能器接收聲表面波傳感器工作所需驅(qū)動能量，并通過天線返回射頻 脈沖回波信號；上述的反射器，用于反射在壓電基底上傳輸?shù)穆暠砻娌◤亩a(chǎn)生射頻脈沖回波信號。優(yōu)選地，上述的反射器包括第一反射器、第二反射器及第三反射器，所述的第一反 射器、第二反射器及第三反射器位于由所述的叉指換能器產(chǎn)生的聲表面波傳輸路徑上。優(yōu)選地，上述的壓電基底是采用壓電晶體薄片制作而成。3[0013]優(yōu)選地，上述的壓電晶體薄片是Y切Z方向。優(yōu)選地，上述的第一反射器、第二反射器、第三反射器及叉指換能器的金屬指條方 向垂直于所述的壓電基底上表面的Z方向。上述的聲表面波測量傳感器，其還進(jìn)一步包括有天線，所述的天線為外部天線或 經(jīng)過阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的天線。優(yōu)選地，上述的叉指換能器與所述的反射器為金屬薄膜，優(yōu)選地，其為金屬鋁薄膜。優(yōu)選地，上述的第一反射器為參考反射器。優(yōu)選地，上述的第一反射器和第二反射器的組合作為參考反射器。采用上述技術(shù)方案后，本實用新型是基于聲表面波的延遲線理論，和對聲表面波 傳感器檢測到的物理量反饋信號如何應(yīng)用聲表面波延遲線理論進(jìn)行參數(shù)分析的方法。與 現(xiàn)有的傳感器相比，本實用新型具有以下技術(shù)特點根據(jù)聲表面波信號產(chǎn)生特點，通過控制 RF脈沖查詢信號的寬度，充分利用反射器所返回的信號，使得本實用新型能夠在保證一定 信號強(qiáng)度的前提下，保證大范圍和高精度對物理量進(jìn)行檢測；解決了現(xiàn)有技術(shù)中聲表面波 傳感器在測量信號的范圍和精度上只能滿足其中一項指標(biāo)，不可以兼顧的問題；結(jié)構(gòu)簡單， 通過改變RF脈沖查詢信號的寬度巧妙解決了現(xiàn)有技術(shù)的難題；通過一定參數(shù)分析方法使 得被測量的物理量產(chǎn)生相應(yīng)反饋信號，解決了傳感器大范圍精確檢測物理量的問題。
圖1是本實用新型傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施方式
下面將結(jié)合附圖及實施例對本實用新型作進(jìn)一步說明。如圖1所示，本實用新型公開一種聲表面波測量傳感器，其包括壓電基底1、叉指 換能器2、反射器3及天線4，其中；壓電基底1，其為待測物理量的感應(yīng)機(jī)構(gòu)，其厚度可以根據(jù)所檢測的物理量的種類 和量程的不同(如壓力的大小，溫度的變化范圍)，在設(shè)計時通過選取不同厚度的待加工晶 圓的進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。該壓電基底1是由具有壓電特性的晶圓材料構(gòu)成，在本實施例中，該 晶圓材料為Y切Z方向的鈮酸鋰壓電晶體薄片。叉指換能器2及反射器3經(jīng)過表面微加工工藝沉積在壓電基底1上表面，是具有 特定形狀和厚度的金屬薄膜，在本實施例中，該金屬薄膜為金屬鋁薄膜，另外，叉指換能器2 與反射器3的金屬指條方向垂直于壓電基底1上表面的Z方向。反射器3包括第一反射器31、第二反射器32及第三反射器33，該第一反射器31、 第二反射器32及第三反射器33位于由叉指換能器2產(chǎn)生的聲表面波傳輸路徑上，會對經(jīng) 過的聲表面波反射回部分能量給叉指換能器2，即由反射器3產(chǎn)生的射頻脈沖回波信號。叉能換能器2通過叉指換能器引出線與外部天線直接相連接，或者，與經(jīng)過阻抗 匹配網(wǎng)絡(luò)的天線4連接，直接從射頻脈沖查詢信號中獲取聲表面波傳感器工作所需驅(qū)動能 量，并返回由第一反射器31、第二反射器32及第三反射器33反射回的相應(yīng)于檢測物理量帶 有不同相位信息的射頻脈沖回波信號。[0027]在進(jìn)行物理量檢測時，可以將第一反射器31作為參考反射器，與第二反射器32的 RF(RF，其為radio frequency的縮寫，其意思是指射頻)脈沖回波信號比較檢測物理量，參 考反射器的聲表面波反饋信號通過與第二反射器32的RF脈沖回波信號相比較來測得相對 相位差，由于相位與待測物理量具有一定的對應(yīng)關(guān)系，從而測得物理量的實際值。在第一反 射器31作為參考反射器的情況下，由于參考反射器與第二反射器32的聲表面波反饋信號 在聲表面波傳感器以外傳播路徑上所消耗的時間是相同的，所以相互抵消。這樣參考反射 器的射頻脈沖回波信號通過與第二反射器32的聲表面波反饋信號相比較的相位差，只反 映待測物理量所產(chǎn)生的相位變化。另外，本實用新型還可以將第一反射器31與第二反射器32的組合作為參考反射 器，與第三反射器33的RF脈沖回波信號比較檢測物理量。實施時，由叉指換能器2把通過天線4接收到的特定頻率的RF脈沖查詢信號轉(zhuǎn)換 為能夠在壓電基底1上表面?zhèn)鬏數(shù)谋砻媛暡ǎ撀暠砻娌ǖ膫鬏敺较驗閴弘娀?的上表 面Z方向，由第一反射器31、第二反射器32和第三反射器33所反射的表面聲波也是沿著壓 電基底1上表面Z方向進(jìn)行傳播的。由于聲表面波傳感器的壓電基底1對外界溫度變化敏 感，當(dāng)作用在聲表面波傳感器壓電基底1上的溫度發(fā)生變化時，聲表面波在壓電基底1上表 面的傳輸特性被改變，在壓電基底1上表面叉指換能器2與第一反射器31、第二反射器32 和第三反射器33之間的距離就會發(fā)生相應(yīng)的變化，從而影響到聲表面波在壓電基底1上表 面的傳播時間，因此由第一反射器31、第二反射器32和第三反射器33所反射的聲表面波的 相位會隨外界溫度的變化做出相應(yīng)的變化，與聲表面波傳感器溫度相對應(yīng)的射頻脈沖返回 信號的相位也會發(fā)生變化。叉指換能器2經(jīng)叉指換能器引出線與外部天線直接相連接，或與天線4經(jīng)過無源 阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)連接，直接從無線射頻信號收發(fā)器發(fā)射的射頻脈沖查詢信號中獲取聲表面波 傳感器驅(qū)動所需能量，并返回由第一反射器31、第二反射器32和第三反射器33反射回對應(yīng) 溫度值的帶有不同相位信息的RF脈沖回波信號。由于無線無源聲表面波傳感器是通過天 線接收和傳遞測量信息的，并且在實際工作中無法保證分別接在聲表面波傳感器信號收發(fā) 系統(tǒng)上的天線和傳感器上天線間的距離保持恒定不變，由于天線間的距離也可以影響傳感 器中第一反射器31、第二反射器32和第三反射器33返回的溫度測量信號，因此，在每次測 量中必須有參考反射器的存在才能夠進(jìn)行溫度的測量。(根據(jù)設(shè)定脈沖查詢信號的不同寬 度，本實用新型所利用的參考反射器信號亦不同。)在RF脈沖信號測量過程中。由聲表面 波傳感器的基本測量機(jī)理可知，只要通過分析聲表面波傳感器射頻脈沖返回信號的相位變 化來進(jìn)行溫度的測量，對相位變化來說，由于RF脈沖返回信號是周期變化的，因此測量得 到的相位只能在0度到360度之間周期變化，如果聲表面波傳感器每次只對溫度進(jìn)行一次 測量，測量結(jié)果在測量范圍和測量精度之間只能夠滿足一項要求，通常不能滿足一些實際 測量的需求，因此本實用新型提出在對溫度進(jìn)行測量時，使用兩次傳感器的RF脈沖返回信 號進(jìn)行溫度的測量，具體實現(xiàn)方法如下列敘述所示。上述的傳感器在進(jìn)行參數(shù)分析時，尤其是在進(jìn)行溫度值檢測時，為得到大范圍精 確的溫度測量結(jié)果，溫度檢測分為兩步來完成。首先聲表面波傳感器會接收一個脈沖寬度 較窄的RF脈沖查詢信號，這時第一反射器31作為參考反射器，通過檢測第一反射器31和 第二反射器32反射的RF脈沖信號間的相對相位差，可以首先獲得被測量外界溫度所屬的溫度區(qū)間，這一過程雖然不能夠保證溫度的測量有很高的精度，但可以知道待測溫度的大 概范圍，為下一步準(zhǔn)確高精度測量溫度作為參照；然后聲表面波傳感器會接收一個脈沖寬 度較寬的RF脈沖查詢信號，這時第一反射器31和第二反射器32反射的RF脈沖返回信號較 寬，它們之間有重疊的部分，因此把第一反射器31和第二反射器32同時作為參考反射器， 看作一個反射器來處理，通過檢測參考反射器和第三反射器33反射的RF脈沖信號間的相 對相位差，可以進(jìn)一步獲得被測量外界溫度準(zhǔn)確的溫度值，這部分的測量雖然不能夠反映 大范圍的溫度變化，但是可以提供很好的溫度的測量精量精度，把這兩次的溫度測量結(jié)果 綜合分析，便可以得到實際的溫度值。由于該傳感器是無源傳感器，傳感器通過外界獲得的 能量有限，通過這種方式也可以使離叉指換能器2較遠(yuǎn)的第三反射器33反射回穩(wěn)定的聲表 面波反射信號?？梢?，本實用新型中的參考反射器的選取是隨RF脈沖查詢信號寬度的變化 而變化的，和以往固定參考反射器的方法是截然不同的，通過不同參考反射器的選取，便可 以是聲表面波傳感器達(dá)到對外界溫度的大范圍準(zhǔn)確測量。下面通過詳細(xì)的理論分析說明如何通過對聲表面波傳感器檢測到的射頻脈沖回 波信號應(yīng)用聲表面波延遲線理論進(jìn)行參數(shù)分析的方法。通過此方法，可使得處理后的反饋 信號對溫度進(jìn)行大范圍精確度高的測量。在本設(shè)計中可變參考反射器(可以是第一反射器31，也可以是第一反射器31和 第二反射器32的組合)的反饋信號通過與第二反射器32射頻脈沖回波信號或第三反射器 33射頻脈沖回波信號的比較測得的相對相位差，反映聲表面波傳感器受溫度影響所產(chǎn)生的 相位變化。中頻信號頻率與相位的變化是隨著反射器反饋信號時間延遲的不同而改變的。由 于在時間的延遲上受溫度變化的影響相對較小，達(dá)到納秒數(shù)量級，用現(xiàn)有技術(shù)水平的硬件 電路難以實現(xiàn)準(zhǔn)確分辨，因此相位的變化能夠更加準(zhǔn)確地反映溫度所發(fā)生的一系列變化。 由聲表面波傳感器中叉指換能器2經(jīng)與其相連接的外部天線4接收的RF脈沖查詢信號可 由下式給出S(t) = A cos[(co0+y t/2)t+θ J⑴其中ω ^是信號的初始頻率值；μ是的整數(shù)倍；t是時間；Qtl和A分別是信號 的初始相位和初始幅值。相應(yīng)由叉指換能器2返回的射頻脈沖信號通過混頻器和低通濾波器后的響應(yīng)可以被表示為I, ( ) =5,cos + ω0 - μ / 2] = BiCos + ψ\ i = 1,2,3(2)其中，COi= “、，釣=6^,—風(fēng)2/2，81為信號的幅值。從上面的公式可以看出，頻率μ、和相位轉(zhuǎn)移仍都與延遲時間、相關(guān)。由于通常 情況下比μ ti大很多，因此相位對延遲時間的影響比頻率更顯著。在本實施例中，通過以第一反射器31作為參考反射器的射頻脈沖回波信號和第 二反射器32射頻脈沖回波信號的相位差被用來測量外界溫度的大概變化范圍區(qū)間，通過 以第一反射器31和第二反射器32共同作為參考反射器的射頻脈沖回波信號和第三反射器 33射頻脈沖回波信號的相位差被用來測量外界溫度的準(zhǔn)確值。參考反射器(即第一反射 器31)的射頻脈沖回波信號和第二反射器32射頻脈沖回波信號的相位變化的差異可用如下公式表示φτχ = [ω0 -μ(t2 +^)/2]^-^) = Κ、τη(3)其中，K1 = ω 0- μ (t2 + t J / 2。τ T1 = t2-t^ 且 τ T1 = 2dT1/v,T0n =2d\x!v(4)其中，是聲表面波在初始溫度Ttl下從第一反射器31到第二反射器32再返回第 一反射器31產(chǎn)生的總延遲時間；劣,是在初始溫度Ttl下第一反射器31和第二反射器32之 間的距離；τ n和dT1是在溫度T下測得的相應(yīng)數(shù)值；ν是聲表面波在壓電基底1上的傳播 速度。參考反射器的射頻脈沖回波信號(即第一反射器31和第二反射器32的組合)和 第三反射器33射頻脈沖回波信號的相位變化的差異可用如下公式表示Ψτ 二 [叫-“(^3 ^hl)1 2] {(3 ~hl) = K2TT2(5)其 中，K2 = ω 0-μ (t3+t12) /2, τ T2 = t3_t12，且 τ Τ2 = 2dT2/v, τ°2 = 2d°r2 / ν(6)其中，<2是聲表面波在初始溫度Ttl下從參考反射器到第三反射器再返回參考反射 器產(chǎn)生的總延遲時間；劣2是在初始溫度Ttl下參考反射器和第三反射器之間的距離；τ T2和 dT2是在溫度T下測得的相應(yīng)數(shù)值。與聲表面波速度成反比的延遲時間對溫度的變化十分敏感，從現(xiàn)有技術(shù)中可知延 遲時間τ Τ和溫度T之間有下面的關(guān)系Tr =2 /Γ/ν = τ°[ + α(Γ-Γ0)](7)其中α是傳感器中壓電基底1的溫度系數(shù)。 由方程C3)和方程(7)，可得到下面的方程 φ,η = αΚ^,Τ + ΚλταΤλ (\-aTQ) = aT + b(8)其中，α= αΚ,τ°η，b = KlT0n (l — )。從上式可知，如果相應(yīng)的相位偏差為，那么溫度的變化值可以表示為Δ7；= Δ 卿Ja =1αΤλω0α=(9)同理由方程(5)和方程(7)，可得到下面的方程Δ72=Δ^2/α = -^-(10)2αΤ2ω0α方程(9)和方程(10)中，等式右面的所有變量都是已知的，因此可以通過測得相 位變化的差值而得到溫度的變化值。根據(jù)聲表面波傳感器設(shè)計上的要求，在初始溫度Ttl下參考反射器和第三反射器 33之間的距離劣2和在初始溫度Ttl下第一反射器31和第二反射器32之間的距離<相比要7大出很多，通常情況下劣> = 10，因此根據(jù)聲表面波檢測溫度傳感器的原理，可見通過 方程(9)所反映的溫度變化范圍可以是比較寬的一個范圍，但是傳感器的絕對測量精度不 高，只能通過方程(9)獲得所測量溫度的大概范圍，而方程(10)可以達(dá)到方程(9)十倍以 上的測量精度，但是測量范圍有限，因此在基于方程(9)的前提下，通過方程(10)便可以得 到寬范圍和高測量精度的聲表面波傳感器的測量結(jié)果。T1和T2之間有一定的函數(shù)關(guān)系。T1對溫度的分辨率不高，主要表示獲得測量溫度 的大概范圍，T2溫度在某個范圍內(nèi)的準(zhǔn)確值。T =/lVmhseO+!^，其中m為當(dāng)T2變化360 度時T1變化的角度數(shù)，然后對T1Ai的數(shù)值只取整數(shù)部分，這樣T為傳感器最終測得的溫度 值，并且相位的變化范圍在0度到360* (m+1)度之間。因此可見，通過本實用新型這種結(jié)構(gòu) 的設(shè)計，以簡單的方式實現(xiàn)了聲表面波傳感器對待測物理量的大范圍精確測量。以上所述，僅為本實用新型較佳的具體實施方式
，但本實用新型的保護(hù)范圍并不 局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本實用新型揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到 的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本實用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本實用新型的保護(hù)范圍應(yīng)該 以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。
權(quán)利要求1. 一種聲表面波測量傳感器，其特征在于包括壓電基底、叉指換能器、反射器及天線.一入 ，所述的壓電基底，用于感應(yīng)待測物理量；所述的叉指換能器與所述的反射器經(jīng)過表面微加工工藝沉積在所述的壓電基底上表所述的叉指換能器接收聲表面波傳感器工作所需驅(qū)動能量，并通過天線返回射頻脈沖 回波信號；所述的反射器，用于反射在壓電基底上傳輸?shù)穆暠砻娌◤亩a(chǎn)生射頻脈沖回波信號。
2.如權(quán)利要求1所述的聲表面波測量傳感器，其特征在于所述的反射器包括第一反 射器、第二反射器及第三反射器，所述的第一反射器、第二反射器及第三反射器位于由所述 的叉指換能器產(chǎn)生的聲表面波傳輸路徑上。
3.如權(quán)利要求1或2所述的聲表面波測量傳感器，其特征在于所述的壓電基底是采 用壓電晶體薄片制作而成。
4.如權(quán)利要求3所述的聲表面波測量傳感器，其特征在于所述的壓電晶體薄片是Y 切Z方向。
5.如權(quán)利要求2所述的聲表面波測量傳感器，其特征在于所述的第一反射器、第二反 射器、第三反射器及叉指換能器的金屬指條方向垂直于所述的壓電基底上表面的Z方向。
6.如權(quán)利要求1或2所述的聲表面波測量傳感器，其特征在于其還進(jìn)一步包括有天 線，所述的天線為外部天線或經(jīng)過阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)的天線。
7.如權(quán)利要求1或2所述的聲表面波測量傳感器，其特征在于所述的叉指換能器與 所述的反射器為金屬薄膜。
8.如權(quán)利要求2所述的聲表面波測量傳感器，其特征在于所述的第一反射器為參考 反射器。
9.如權(quán)利要求2所述的聲表面波測量傳感器，其特征在于所述的第一反射器和第二 反射器的組合作為參考反射器。
專利摘要本實用新型涉及一種聲表面波測量傳感器，包括壓電基底、叉指換能器及反射器；壓電基底，用于感應(yīng)待測物理量；叉指換能器與反射器經(jīng)過表面微加工工藝沉積在壓電基底上表面；叉指換能器經(jīng)和它相連接的天線接收聲表面波傳感器工作所需驅(qū)動能量，并通過天線返回射頻脈沖回波信號；反射器，用于產(chǎn)生射頻脈沖回波信號。與現(xiàn)有的傳感器相比，本實用新型具有以下技術(shù)特點能夠在保證一定信號強(qiáng)度的前提下，保證大范圍和高精度對物理量進(jìn)行檢測；解決了現(xiàn)有技術(shù)中聲表面波傳感器在測量信號的范圍和精度上只能滿足其中一項指標(biāo)，不可以兼顧的問題；結(jié)構(gòu)簡單；通過一定參數(shù)分析方法使得被測量的物理量產(chǎn)生相應(yīng)反饋信號，解決了傳感器大范圍精確檢測物理量的問題。
文檔編號G01D5/48GK201837405SQ201020571149
公開日2011年5月18日 申請日期2010年10月20日 優(yōu)先權(quán)日2010年10月20日
發(fā)明者朱克敏, 李天利 申請人:朱克敏, 李天利