CN103134606B - 差分式声表面波温度传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种差分式声表面波温度传感器，包括壳体、壳盖、压电基片、第一声表面波谐振器和第二声表面波谐振器，所述压电基片固定在壳体内的底部，所述壳体和壳盖密封连接，其创新点在于：还包括第一压电薄膜，所述第一声表面波谐振器设在压电基片的表面，而第一压电薄膜设在压电基片的剩余表面和第一声表面波谐振器的表面以及外周之上，所述第二声表面波谐振器设在第一压电薄膜的表面。本发明具有结构紧凑、测量精度高，而且生产成本低等优点。
Description
技术领域
本发明具体涉及一种差分式声表面波温度传感器，适用于人体温度监测，或者是危险环境中的高温探测，或者是发电及动力传动等关键旋转机械部件的温度监测和电力变压器等的温度遥感等等。
背景技术
现有的声表面波传感器的一个主要应用是温度传感器。 以声表面波为基础的无源无线温度传感器已经广泛用于现实生活中，例如，在医院对病人体温监测，或者是植入人体内进行体温和血压的实时监测，或者是涡轮发动机运行过程中排气口高温的监测，或者是钢铁业冶炼容器衬套内温场的监测，或者是智能电网中电气连接的关键接点的温度监测，或者车辆轮胎的温度和压力的实时监测等等。
众所周知，现有的声表面波温度传感器的设计主要有谐振器和延迟线两种。一个单端口声表面波谐振器 ，是通过测量谐振器的谐振频率变化来测量温度的变化；一个延迟线滤波器，是通过测量延迟线的时间延迟变化来测量温度的变化。而上述结构的声表面波温度传感器都可以用于在有线和无线两种测量/监测***。
若是应用在对温度测量的精度要求不高的情况下，声表面波温度传感器的设计通常是采用一个单端口谐振器。而这种结构的声表面温度传感器虽然结构简单，成本也低，而且适用于用一个射频读写器同时对多点进行温度监控；但是，像这种使用一个单端口谐振器进行温度测量或其他物理参数测量的声表面波温度传感器存在有下列缺点：
· 由于在生产制造过程中存有可变因素，因此，在产品出厂时需要对每个传感器进行校准;
· 由于设备老化和环境的变化，需要在应用过程中对每个传感器进行定时或不定时的校准;
· 传感器设备老化会直接影响传感器的测量精度;
· 测量结果容易受到传感器和射频读取器之间距离的影响;
· 测量容易受到传感器和射频读写器之间电磁波的干扰。
由于上述的种种限制，使用一个单端口谐振器的声表面波温度传感器组建的温度测量***，没有测量温度的参考信号，测量精度不高，在测量之前需要进行校准，且这种结构的温度测量***的经营成本也是比较高的。
若是温度测量精度成为更关键的***要求时，就有必要采用由两个单端口谐振器组成的声表面波温度传感器来进行温度的差分测量。以往两个单端口谐振器的设计主要有下面两种方式：
· 两个单端口谐振器位于同一压电基片表面的相同声波传播方向，但具有不同的谐振频率;
· 两个单端口谐振器位于同一压电基片表面的不同声波传播方向，且具有不同的谐振频率；
而上述结构的声表面波温度传感器虽然弥补了只用一个谐振器带来的测不准的缺点， 但是增加了传感器的尺寸，也增加了生产成本。
发明内容
本发明的目的是：提供一种结构紧凑、测量精度高，而且生产成本低的差分式声表面波温度传感器，以克服现有技术的不足。
为了达到上述目的，本发明的第一个技术方案是：一种差分式声表面波温度传感器，包括壳体、壳盖、压电基片、第一声表面波谐振器和第二声表面波谐振器，所述压电基片固定在壳体内的底部，所述壳体和壳盖密封连接，其创新点在于：还包括第一压电薄膜，所述第一声表面波谐振器设在压电基片的表面，而第一压电薄膜设在压电基片的剩余表面和第一声表面波谐振器的表面以及外周之上，所述第二声表面波谐振器设在第一压电薄膜的表面。
在上述第一个技术方案中，所述壳体和壳盖分别是金属壳体和金属壳盖，或者分别是陶瓷壳体和金属壳盖。
在上述第一个技术方案中，所述第一压电薄膜是氧化锌或者是氮化铝，压电基片是石英、或者是铌酸锂、或者是钽酸锂，或者是金刚石。
在上述第一个技术方案中，所述第一声表面波谐振器与第二声表面波谐振器在竖直方向的投影相互重合或者部分重迭或者相交。
在上述第一个技术方案中，所述第一声表面波谐振器与第二声表面波谐振器在竖直方向的投影相交时，两者的夹角在 0°~180°范围内。
为了达到上述目的，本发明的第二个技术方案是：一种差分式声表面波温度传感器，包括壳体、壳盖、第一声表面波谐振器和第二声表面波谐振器，所述壳体和壳盖密封连接，其创新点在于：还包括衬底基片、第一压电薄膜和第二压电薄膜，所述衬底基片固定在壳体内的底部，第二压电薄膜设在衬底基片的表面，第一声表面波谐振器设在第二压电薄膜上，第一压电薄膜设在第二压电薄膜的剩余表面和第一声表面波谐振器的表面以及外周，所述第二声表面波谐振器设在第一压电薄膜的表面。
在上述第二个技术方案中，所述壳体和壳盖分别是金属壳体和金属壳盖，或者分别是陶瓷壳体和金属壳盖。
在上述第二个技术方案中，所述第一压电薄膜是氧化锌或者是氮化铝，第二压电薄膜是二氧化硅，衬底基片是硅晶体。
在上述第二个技术方案中，所述第一声表面波谐振器与第二声表面波谐振器在竖直方向的投影相互重合或者部分重迭或者相交。
在上述第二个技术方案中，所述第一声表面波谐振器与第二声表面波谐振器在竖直方向的投影相交时，两者的夹角在0°~180°范围内。
为了达到上述目的，本发明的第三个技术方案是：一种差分式声表面波温度传感器，包括壳体、壳盖、第一声表面波谐振器和第二声表面波谐振器，所述壳体和壳盖密封连接，其创新点在于：还包括压电基片、第一压电薄膜和第二压电薄膜，所述压电基片固定在壳体内的底部，第二压电薄膜设在压电基片的表面，第一声表面波谐振器设在第二压电薄膜上，第一压电薄膜设在第二压电薄膜的剩余表面和第一声表面波谐振器的表面以及外周，所述第二声表面波谐振器设在第一压电薄膜的表面。
在上述第三个技术方案中，所述壳体和壳盖分别是金属壳体和金属壳盖，或者分别是陶瓷壳体和金属壳盖。
在上述第三个技术方案中，所述第一压电薄膜是氧化锌，而第二压电薄膜是氮化铝；或者所述第一压电薄膜是氮化铝，而第二压电薄膜是氧化锌，压电基片是金刚石。
在上述第三个技术方案中，所述第一声表面波谐振器与第二声表面波谐振器在竖直方向的投影相互重合或者部分重迭或者相交。
在上述第三个技术方案中，所述第一声表面波谐振器与第二声表面波谐振器在竖直方向的投影相交时，两者的夹角在 0°~180°范围内。
本发明所具有的积极效果是：由于采用了上述的差分式温度传感器结构后，将两个声表面波谐振器设置在两个不同的物理表面，且布置成层状结构；与已有技术中将两个声表面波谐振器设置在同一压电基片表面上相比，本发明的芯片尺寸至少减小了50%；又由于两个不同的物理表面上声表面波的传播特性（声波速度，机电耦合系数等）的不同，使得两个声表面谐振器的温度系数亦不同，因此，两个谐振器的由温度变化而引起的谐振频率变化亦不同，其中一个声表面波谐振器用于提供参考或基准温度测量信号，另一个声表面波谐振器用于提供差分温度信号，通过分析两个声表面波谐振器的不同谐振频率的频率差，能够高精度地获取被测体的微小温度变化，从而实现高精度的差分式温度测量。
附图说明
图1是本发明第一种具体实施方式的结构示意图；
图2是本发明第二种具体实施方式的结构示意图；
图3是本发明第三种具体实施方式的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图以及给出的实施例，对本发明作进一步的说明，但并不局限于此。
实施例1
如图1所示，一种差分式声表面波温度传感器，包括壳体1、壳盖2、压电基片3、第一声表面波谐振器4和第二声表面波谐振器6，所述压电基片3固定在壳体1内的底部，所述壳体1和壳盖2密封连接，其创新点在于：还包括第一压电薄膜5，所述第一声表面波谐振器4设在压电基片3的表面，而第一压电薄膜5设在压电基片3的剩余表面和第一声表面波谐振器4的表面以及外周之上，所述第二声表面波谐振器6设在第一压电薄膜5的表面。
如图1所示，所述壳体1和壳盖2分别是金属壳体和金属壳盖，或者分别是陶瓷壳体和金属壳盖。
本发明所述第一压电薄膜5是氧化锌或者是氮化铝，压电基片3是石英、或者是铌酸锂、或者是钽酸锂，或者是金刚石, 或者是其他压电晶体。
如图1所示，为了使得本发明的结构紧凑，减小传感器的尺寸，本发明所述第一声表面波谐振器4与第二声表面波谐振器6在竖直方向的投影相互重合或者部分重迭或者相交。
本发明所述第一声表面波谐振器4与第二声表面波谐振器6在竖直方向的投影相交时，两者的夹角在 0°~180°范围内, 具体数值由两方向声表面波时延温度系数之差的最大值而定，这样可以确保第一声表面波谐振器4与第二声表面波谐振器6的差分测量的灵敏度为最佳。
实施例1中第一声表面波谐振器4和第二声表面波谐振器6所产生的声波能量均集中在压电基片3和第一压电薄膜5底部一个声波波长的深度以内，同时这两个不同声波传播路径的时延温度系数（TCD）或频率温度系数（TCF）是不同的。通过分析来自两个不同声表面波谐振器的谐振频率的频率差，就可以高精度地获取被测体温度的微小变化。
实施例2
如图2所示，一种差分式声表面波温度传感器，包括壳体1、壳盖2、第一声表面波谐振器4和第二声表面波谐振器6，所述壳体1和壳盖2密封连接，其创新点在于：还包括衬底基片3’、第一压电薄膜5和第二压电薄膜8，所述衬底基片3’固定在壳体1内的底部，第二压电薄膜8设在衬底基片3’的表面，第一声表面波谐振器4设在第二压电薄膜8上，第一压电薄膜5设在第二压电薄膜8的剩余表面和第一声表面波谐振器4的表面以及外周，所述第二声表面波谐振器6设在第一压电薄膜5的表面。
本发明所述壳体1和壳盖2分别是金属壳体和金属壳盖，或者分别是陶瓷壳体和金属壳盖。
本发明所述第一压电薄膜5是氧化锌或者是氮化铝，第二压电薄膜8是二氧化硅，衬底基片3’是硅晶体。
如图2所示，为了使得本发明的结构紧凑，减小传感器的尺寸，本发明所述第一声表面波谐振器4与第二声表面波谐振器6在竖直方向的投影相互重合或者部分重迭或者相交。
本发明所述第一声表面波谐振器4与第二声表面波谐振器6在竖直方向的投影相交时，两者的夹角在 0°~180°范围内, 具体数值由两方向声表面波时延温度系数之差的最大值而定，这样可以确保第一声表面波谐振器4与第二声表面波谐振器6的差分测量的灵敏度为最佳。
实施例3
如图3所示，一种差分式声表面波温度传感器，包括壳体1、壳盖2、第一声表面波谐振器4和第二声表面波谐振器6，所述壳体1和壳盖2密封连接，其创新点在于：还包括压电基片3、第一压电薄膜5和第二压电薄膜8，所述压电基片3固定在壳体1内的底部，第二压电薄膜8设在压电基片3的表面，第一声表面波谐振器4设在第二压电薄膜8上，第一压电薄膜5设在第二压电薄膜8的剩余表面和第一声表面波谐振器4的表面以及外周，所述第二声表面波谐振器6设在第一压电薄膜5的表面。
本发明所述壳体1和壳盖2分别是金属壳体和金属壳盖，或者分别是陶瓷壳体和金属壳盖。
本发明所述第一压电薄膜5是氧化锌，而第二压电薄膜8是氮化铝；或者所述第一压电薄膜5是氮化铝，而第二压电薄膜8是氧化锌，压电基片3是金刚石。
如图3所示，为了使得本发明的结构紧凑，减小传感器的尺寸，本发明所述第一声表面波谐振器4与第二声表面波谐振器6在竖直方向的投影相互重合或者部分重迭或者相交。
本发明所述第一声表面波谐振器4与第二声表面波谐振器6在竖直方向的投影相交时，两者的夹角在 0°~180°范围内，具体数值由两方向声表面波时延温度系数之差的最大值而定，这样可以确保第一声表面波谐振器4与第二声表面波谐振器6的差分测量的灵敏度为最佳。
若本发明实施例1、实施例2以及实施例3的第一声表面波谐振器4和第二声表面波谐振器6在竖直方向的投影重合时，声波传播方向是一致的，但谐振频率是不同的；若第一声表面波谐振器4和第二声表面波谐振器6在竖直方向的投影交叉时，确保了两个声表面波谐振器所产生的声波传播方向有一个非零的角度，具有不同的谐振频率，确保了两个声表面波谐振器具有不同的时延温度系数（TCD）或频率温度系数（TCF），通过分析从两个声表面波谐振器的不同谐振频率的频率差，我们可以高精度地获取被测体的微小温度变化。
本发明为了确保第一声表面波谐振器4和第二声表面波谐振器6同时发回测量信号，并且保证信号强度最强，第一声表面波谐振器4和第二声表面波谐振器6并联连接，并通过引线键合到壳体1内的底部。
本发明实施例1、实施例2以及实施例3中，第一声表面波谐振器4用于提供参考或基准温度测量信号，第二声表面波谐振器6用于提供差分温度信号，第一声表面波谐振器4和第二声表面波谐振器6的取向被以这样一种方式来确定：将第一声表面波谐振器4选在时延温度系数（TCD）最小的传播方向上， 而将第二声表面波谐振器6选在时延温度系数（TCD）最大的传播方向上。这样就可以最大限度的提高温度测量的灵敏度。当然，也可以是第二声表面波谐振器6用于提供参考或基准温度测量信号，第一声表面波谐振器4用于提供差分温度信号，这时两个声表面波谐振器取向的决定原则依然由两方向声表面波时延温度系数之差的最大值而定。
本发明使用时，将差分式声表面波温度传感器连接到一个小的射频天线上。射频信号先由射频询问器发出，被本发明所接收；受温度影响而修改后的信号由射频天线发射回来，再由询问器接收。来自本发明的射频信号包含了被测体的温度信息，通过处理来自两个共振频率偏移的差异，我们可以实时且高精度地测量/监视被测对象的温度变化。因为在传感器使用时不需要另加电源，实现的温度传感是完全无线和无源的。
本发明所公开的结构也可以用于差分式压力传感器，差分式振动传感器，或其他物理参数的差分式测量。
Claims (15)
1.一种差分式声表面波温度传感器，包括壳体（1）、壳盖（2）、压电基片（3）、第一声表面波谐振器（4）和第二声表面波谐振器（6），所述压电基片（3）固定在壳体（1）内的底部，所述壳体（1）和壳盖（2）密封连接，其特征在于：还包括第一压电薄膜（5），所述第一声表面波谐振器（4）设在压电基片（3）的表面，而第一压电薄膜（5）设在压电基片（3）的剩余表面和第一声表面波谐振器（4）的表面以及外周之上，所述第二声表面波谐振器（6）设在第一压电薄膜（5）的表面。
2.根据权利要求1所述的差分式声表面波温度传感器，其特征在于：所述壳体（1）和壳盖（2）分别是金属壳体和金属壳盖，或者分别是陶瓷壳体和金属壳盖。
3.根据权利要求1所述的差分式声表面波温度传感器，其特征在于：所述第一压电薄膜（5）是氧化锌或者是氮化铝，压电基片（3）是石英、或者是铌酸锂、或者是钽酸锂、或者是金刚石。
4.根据权利要求1所述的差分式声表面波温度传感器，其特征在于：所述第一声表面波谐振器（4）与第二声表面波谐振器（6）在竖直方向的投影相互重合或者部分重迭。
5.根据权利要求1所述的差分式声表面波温度传感器，其特征在于：所述第一声表面波谐振器（4）与第二声表面波谐振器（6）在竖直方向的投影相交时，两者的夹角在 0°~180°范围内。
6.一种差分式声表面波温度传感器，包括壳体（1）、壳盖（2）、第一声表面波谐振器（4）和第二声表面波谐振器（6），所述壳体（1）和壳盖（2）密封连接，其特征在于：还包括衬底基片（3’）、第一压电薄膜（5）和第二压电薄膜（8），所述衬底基片（3’）固定在壳体（1）内的底部，第二压电薄膜（8）设在衬底基片（3’）的表面，第一声表面波谐振器（4）设在第二压电薄膜（8）上，第一压电薄膜（5）设在第二压电薄膜（8）的剩余表面和第一声表面波谐振器（4）的表面以及外周，所述第二声表面波谐振器（6）设在第一压电薄膜（5）的表面。
7.根据权利要求6所述的差分式声表面波温度传感器，其特征在于：所述壳体（1）和壳盖（2）分别是金属壳体和金属壳盖，或者分别是陶瓷壳体和金属壳盖。
8.根据权利要求6所述的差分式声表面波温度传感器，其特征在于：所述第一压电薄膜（5）是氧化锌或者是氮化铝，第二压电薄膜（8）是二氧化硅，衬底基片（3’）是硅晶体。
9.根据权利要求6所述的差分式声表面波温度传感器，其特征在于：所述第一声表面波谐振器（4）与第二声表面波谐振器（6）在竖直方向的投影相互重合或者部分重迭。
10.根据权利要求6所述的差分式声表面波温度传感器，其特征在于：所述第一声表面波谐振器（4）与第二声表面波谐振器（6）在竖直方向的投影相交时，两者的夹角在 0°~180°范围内。
11.一种差分式声表面波温度传感器，包括壳体（1）、壳盖（2）、第一声表面波谐振器（4）和第二声表面波谐振器（6），所述壳体（1）和壳盖（2）密封连接，其特征在于：还包括压电基片（3）、第一压电薄膜（5）和第二压电薄膜（8），所述压电基片（3）固定在壳体（1）内的底部，第二压电薄膜（8）设在压电基片（3）的表面，第一声表面波谐振器（4）设在第二压电薄膜（8）上，第一压电薄膜（5）设在第二压电薄膜（8）的剩余表面和第一声表面波谐振器（4）的表面以及外周，所述第二声表面波谐振器（6）设在第一压电薄膜（5）的表面。
12.根据权利要求11所述的差分式声表面波温度传感器，其特征在于：所述壳体（1）和壳盖（2）分别是金属壳体和金属壳盖，或者分别是陶瓷壳体和金属壳盖。
13.根据权利要求11所述的差分式声表面波温度传感器，其特征在于：所述第一压电薄膜（5）是氧化锌，而第二压电薄膜（8）是氮化铝；或者所述第一压电薄膜（5）是氮化铝，而第二压电薄膜（8）是氧化锌，压电基片（3）是金刚石。
14.根据权利要求11所述的差分式声表面波温度传感器，其特征在于：所述第一声表面波谐振器（4）与第二声表面波谐振器（6）在竖直方向的投影相互重合或者部分重迭。
15.根据权利要求11所述的差分式声表面波温度传感器，其特征在于：所述第一声表面波谐振器（4）与第二声表面波谐振器（6）在竖直方向的投影相交时，两者的夹角在 0°~180°范围内。
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