CN104198060A - 耐高温无线mems温度传感*** - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种耐高温无线MEMS温度传感***，包括：无线问询单元，用于发送/接收电磁波信号，测量、存储和处理温度数据，并将温度数据作为最终传感信号；声表面波谐振装置，用于接收来自所述无线问询单元的电磁波信号，并将电磁波信号转换为声表面波后，再次将声表面波转换为新的电磁波信号，以及将新的电磁波信号反馈给无线问询单元；显示装置，用于接收并显示来自无线问询单元的温度测量结果。本***具有无源、无线、耐高温、体积小、能够实时测量的优点。
Description
技术领域
本发明涉及传感技术领域，尤其涉及一种耐高温无线MEMS温度传感***。
背景技术
实现对燃气轮机、喷气发动机、坦克和舰船发动机、风洞、航天器、核反应堆、油井等高温恶劣环境下温度的实时监测，是提高效率和故障诊断的重要一环。耐高温传感***的研究不仅意义重大且需求迫切，是测控技术发展的重点方向和难点内容之一。耐高温传感***主要涉及以下三个方面问题：1)耐高温材料；2)材料的成型加工技术(能否与MEMS工艺兼容)；3)基于新原理的传感器结构设计。
当前最成熟的高温测温技术是热电偶技术，但其存在固有缺点：一是热电偶为有线测量，输出信号弱且容易被共模噪声干扰；二是热电偶长期工作在高温环境下会有很大的漂移，测温精度低；三是热电偶对腐蚀剂敏感，寿命短。
目前所采用的传感***主要是光纤形式，但需要对纤维线和纤维头进行特别的封装保护，高温下封装和纤维材料的热膨胀系数不匹配容易导致传感器失效。此外，由于涉及光路设计且信号处理部分复杂，致使***整体复杂程度高，集成性差。目前为止，光纤传感***均是有线测量，不能实现高温环境下温度的长期实时测量。有线测量在高温等恶劣环境下的适应性有一定局限，在高温环境下面临着严重的高温失效问题。而有源传感器也有两大固有缺点：一是由于依赖电源，有源传感器在长期的使用过程中必须定期维护、更换电池，导致其使用寿命有限、体积较大；二是由于固体锂电池等电池受电化学过程的限制，在高温下会出现严重的性能下降，而内置信号处理电路一般为硅基的，硅基电路在无冷却的情况下最高工作温度为150℃，从而使得有源传感器很难适应高温等恶劣环境。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。
为此，本发明的目的在于提出一种无源、无线、耐高温、体积小、能够实时测量的MEMS温度传感***。
为了实现上述目的，本发明的实施例中提出一种耐高温无线MEMS温度传感***，包括：无线问询单元，用于发送/接收电磁波信号，测量、存储和处理温度数据，并将所述温度数据作为最终传感信号；声表面波谐振装置，所述声表面波谐振装置用于接收来自所述无线问询单元的所述电磁波信号，并将所述电磁波信号转换为声表面波后，再次将所述声表面波转换为新的电磁波信号，以及将所述新的电磁波信号反馈给所述无线问询单元；显示装置，用于接收并显示来自所述无线问询单元的温度测量结果。
根据本发明实施例的耐高温无线MEMS温度传感***，声表面波谐振装置安装在高温区域，无线问询单元和显示装置安装在低温区域。无线问询单元将电磁波信号发送给声表面波谐振装置，通过声表面波谐振装置的叉指换能器的逆压电效应在压电薄膜表面激活一个声表面波。声表面波沿压电薄膜传播，被左右两个周期性反射栅反射形成谐振，其谐振频率与压电薄膜温度有关。然后声表面波谐振装置的叉指换能器再通过压电效应将声表面波变换成新的电磁波信号发送给无线问询单元后，无线问询单元通过处理将最终处理结果通过无线传输的方式发送至显示装置显示。本发明的耐高温无线MEMS温度传感***具有耐高温、无源、无线、能够实时测量的优点。
在一些示例中，所述声表面波谐振装置具体包括：基底，所述基底由耐高温材料制成；两个反射栅，所述反射栅设置在所述基底的上表面上且所述两个反射栅隔开；叉指换能器，所述叉指换能器设置在所述基底的上表面上且位于所述两个反射栅之间；小型天线，所述小型天线设置在所述基底的上表面上，所述小型天线与所述叉指换能器相连，用于接收和发送电磁波信号；以及压电薄膜，所述压电薄膜设置在所述耐高温基底的上表面上，其中，所述两个反射栅、所述叉指换能器和所述小型天线位于所述基底和所述压电薄膜之间。
在一些示例中，所述耐高温材料为碳化硅。
在一些示例中，所述压电薄膜为氮化铝压电薄膜。
在一些示例中，所述叉指换能器为金属叉指换能器。
在一些示例中，所述反射栅为金属反射栅。
在一些示例中，由所述声表面波谐振装置的谐振频率、所述叉指换能器的叉指间距和所述声表面波的传播速度确定所述叉指换能器的电极和所述反射栅的宽度。
在一些示例中，所述无线问询单元包括：核心处理器；直接数字频率合成器，所述直接数字频率合成器与所述核心处理器相连；发射器，所述发射器与所述直接数字频率合成器相连；双工器，所述双工器与所述发射器相连；接收器，所述接收器与所述双工器相连；探测器，所述探测器分别与所述接收器和所述核心处理器相连；天线，用于发送和接收电磁波信号。
在一些示例中，所述核心处理器为ZigBee单片机。
在一些示例中，所述无线问询单元通过所述天线向所述声表面波谐振装置发送电磁波信号或接收来自所述声表面波谐振装置发送的电磁波信号，并向所述显示装置发送所述温度测量结果。本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
图1是根据本发明一个实施例的耐高温无线MEMS温度传感***的结构框图；
图2是本发明一个实施例的声表面波谐振装置的结构框图；
图3是本发明一个实施例的声表面波谐振装置的平面示意图；
图4是本发明一个实施例的声表面波谐振装置的剖面示意图；和
图5是本发明一个实施例的耐高温无线MEMS温度传感***的示意图。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本发明的实施例提出一种耐高温无线MEMS温度传感***，如图1所示，包括：无线问询单元100、声表面波谐振装置200和显示装置300。
其中，无线问询单元100用于发送/接收电磁波信号，测量、存储和处理温度数据，并将温度数据作为最终传感信号。声表面波谐振装置200用于接收来自无线问询单元100的电磁波信号，并将电磁波信号转换为声表面波后，再次将声表面波转换为新的电磁波信号，以及将新的电磁波信号反馈给无线问询单元100。显示装置300用于接收并显示来自无线问询单元100的温度测量结果。
具体地，在本发明的一个实施例中，无线问询单元100具体包括：核心处理器11、直接数字频率合成器(direct digital synthesizer，DDS)12、发射器13、双工器14、接收器15、探测器16、天线17。其中，DDS12与核心处理器11相连。发射器13与DDS12相连。双工器14与发射器13相连。接收器15与双工器14相连。探测器16分别与接收器15和核心处理器11相连。天线17用于发送和接收电磁波信号。
具体地，在本发明的一个实施例中，核心处理器11采用ZigBee单片机作为核心处理器，负责同步所有测量步骤、存储和处理温度数据，并与显示端的ZigBee单片机13进行无线通讯。DDS12按照ISM(International Safety Management)规则由ZigBee单片机编程控制经混频、滤波产生434MHz的射频信号。发射器13和接收器15之间的双工器14负责发射和接收的状态转换。处于发射状态时，射频信号发射问询声表面波谐振装置。处于接收状态时，接收器15对回波信号进行接收、滤波、放大，再经射频探测器16数字化后交由ZigBee单片机进行信号处理。最终信号处理结果由ZigBee单片机无线发射出去。
在本发明的一个实施例中，声表面波谐振装置200，如图2所示，具体包括：基底21、叉指换能器22、两个反射栅23、小型天线24和压电薄膜25。
其中，基底21由耐高温材料制成。两个反射栅23设置在基底21的上表面上且两个反射栅23间隔开。叉指换能器(Interdigital Transducer，IDT)22设置在基底21的上表面上且位于两个反射栅23之间。小型天线24设置在基底21的上表面上，小型天线24与叉指换能器22相连，用于接收和发送电磁波信号。压电薄膜25设置在所述耐高温基底的上表面上，其中，叉指换能器22、两个反射栅23和小型天线24位于基底21和压电薄膜25之间，如图3和4所示。
具体地，在本发明的一个实施例中，制作基底21采用的耐高温材料为碳化硅(SiC)。SiC是一种机械性能优良、化学与电学性能稳定、宽带隙的半导体材料，高温应用潜力巨大，其特性如表1所示。
表1 不同晶型SiC与其他半导体材料特性
| 性能(单位) | 3C-SiC | 4H-SiC | 6H-SiC | AlN | 金刚石 | Si |
| 熔点(℃) | 2830升华 | 2830 | 2830升华 | 2470 | 4000相变 | 1420 |
| 禁带宽度(eV) | 2.4 | 3.23 | 3.0 | 6.2 | 5.6 | 1.1 |
| 击穿场强(×106V/cm) | 2.0 | 2.0～2.5 | 2.5 | 10 | 5.0 | 0.25 |
| 热导率(W/cm*k) | 5.0 | 3.7 | 5.0 | 1.6 | 20 | 1.5 |
| 杨氏模量(GPa) | 450 | 448 | 450 | 340 | 1035 | 190 |
| 传声速度(×103m/s) | 11.9 | 11.9 | 11.9 | 11.4 | 17.2 | 9.1 |
| 屈服强度(GPa) | 21 | 21 | 21 | -- | 53 | 7 |
| 热膨胀系数(℃×10-6) | 3.0 | 4.2 | 4.5 | 4.0 | 0.8 | 2.6 |
| 化学稳定性 | 极好 | 极好 | 极好 | 好 | 一般 | 一般 |
具体地，在本发明的一个实施例中，压电薄膜25为氮化铝(AlN)压电薄膜。目前可用的耐高温压电材料有硅酸镓镧(LGS)、磷酸镓(GaPO4)、氮化铝(AlN)等，如表2所示。与硅酸镓镧(LGS)、磷酸镓(GaPO4)、稀土硼酸盐等压电材料通过晶体生长的方法不同，AlN薄膜可以沉积在非压电基片上，可采用金属有机化合物化学气相沉淀(MOCVD)、脉冲激光器沉淀、磁控溅射等方法生长AlN薄膜，其特性指标如表3所示。
表2 耐高温的压电材料
| 压电材料 | 受限温度(℃) | 受限原因 |
| 四硼酸锂(LiB4O7) | 230 | 过度的离子电导率 |
| 铌酸锂(LiNbO3) | 300 | 分解 |
| 钽酸锂(LiTaO3) | 300 | 分解 |
| α-石英(α-quartz) | 573 | 相变 |
| 硼酸铝(AlPO4) | 588 | 相变 |
| 磷酸镓(GaPO4) | 970 | 相变 |
| 氮化铝(AlN) | ～1000 | 抗氧化性 |
| 硅酸镓镧(Langasite) | 1470 | 熔点 |
| 稀土硼酸盐(Oxyborates) | ～1500 | 熔点 |
表3 AlN薄膜特性指标
| 特性指标 | 参数 |
| 能量间隙 | 6.2eV |
| 电阻率 | 1032Ω·cm |
| 导热性 | 320W·Mk-1 |
在实际操作中，AlN压电薄膜的生长基底可采用Si、SiC、GaN、ZnO、MgO、蓝宝石等。SiC与AlN的晶格失配只有3.5％，是AlN异质外延生长最理想的材料。因此，在本发明的一个实施例中，先经过洗片，在SiC基底表面蒸镀一层金属材料，再经过光刻、腐蚀技术制作出IDT、小型天线和反射栅条。最后采用磁控溅射技术在SiC基底上生长一层氮化铝薄膜，采用MEMS技术制作AlN薄膜/SiC双层结构。该结构简单，无需封装。而且，将叉指换能器和反射栅均采用金属材料制作，且夹在AlN薄膜和SiC基底之间，为IDT提供一层抵抗高温等恶劣环境的天然保护层。
在本发明的一个实施例中，在声表面波谐振装置设计时，由谐振频率f0、IDT叉指间距L和声表面波传播速度v之间的关系式确定IDT电极及反射栅宽度，设计IDT电极宽度与间距相等。特别地，IDT电极为金属电极。小型天线采用偶极子天线或其他小型天线。该小型金属电极及天线，采用铂-10％铑/二氧化锆(Pt-10％Rh/ZrO2)金属材料，可耐受800℃以上高温。
另外，高温下，制作IDT22、反射栅23和小型天线24的金属材料需满足高熔点、高耐氧化性和高化学惰性。此类材料主要有铂(Pt)、铑(Rh)、钯(Pd)、钌(Ru)、铱(Ir)及耐高温合金等，各材料特性对比如表4所示，IDT22、反射栅23和天线24的材料选用铂-10％铑/二氧化锆(Pt-10％Rh/ZrO2)。
表4 高温下应用的金属材料(～100nm)
在本发明的一个实施例中，IDT22和小型天线24采用一体化设计，无线问询单元100发出的电磁波信号通过小型天线24被IDT22接收，在AlN压电薄膜上激发出声表面波(SAW)向两边传播，并被反射栅23反射构成声学谐振器。温度变化造成谐振器谐振频率的变化，反射回的SAW通过IDT重新转换成电磁波信号，由小型天线24传回无线问询单元100。
当无线问询单元100接收到声表面波谐振装置200发送回的新的回波信号(谐振型SAW传感器谐振频率变化的电磁波信号)，处理计算出谐振频率后，转换成最终温度测试结果无线传输到显示装置300。
在本发明的一个实施例中，显示装置300包括显示器。无线问询单元100的ZigBee单片机与显示装置300的ZigBee单片机进行无线通讯。目前实际中可以接触到的无线传输技术有：红外线IrDA(Infrared Data Association)技术、蓝牙、无线数传电台、WiFi、GPRS、3G、UWB、以及ZigBee等。其中，WiFi、蓝牙(Bluetooth)和WSN/ZigBee是目前3种常见的短距离无线通信技术。
由于不需要向无线电管理部门申请就可以使用9.2MHz、2.4GHz及5.8GHz的ISM(Industrial Scientific Medical)频段，所以多数***的载波频率采用ISM频段，目前主流的为2.4GHz频段，此频段的主要无线传输技术对比如表5所示：
由表5可知：ZigBee在工业应用中组建近距离控制网络方面有先天性优势。在工作于2.4G频段的传输技术中，ZigBee与蓝牙和WiFi相比，ZigBee具备其他二者不具备的网络扩展性，网络节点数也远远大于蓝牙的8个节点和WiFi的50个节点，达到65000多个节点。再加上安装使用简单，使用成本低，联网所需时间短等特征，在工业现场控制应用中使用ZigBee实施组网十分有竞争力。
在显示装置300端由ZigBee单片机进行接收无线信号，并通过RS232转USB数据线将信号传至显示器进行显示。
表5 无线信号传输技术
在具体的示例中，如图5所示，本发明的耐高温无线MEMS温度传感***的工作过程为：无线问询单元以ZigBee单片机为核心处理器，发出的电磁波信号通过小型天线被IDT接收，在AlN压电薄膜上激发出SAW向两边传播，并被反射栅反射构成声学谐振器。温度变化造成谐振器谐振频率的变化，反射回的SAW通过IDT重新转换成电磁波信号，由天线传回无线问询单元，通过信号处理计算出谐振频率后，转换成最终温度测试结果无线传输到显示器。
根据本发明实施例的耐高温无线MEMS温度传感***，声表面波谐振装置安装在高温区域，无线问询单元和显示装置安装在低温区域。无线问询单元将电磁波信号发送给声表面波谐振装置，通过声表面波谐振装置的叉指换能器的逆压电效应在压电薄膜表面激活一个声表面波。声表面波沿压电薄膜传播，被左右两个周期性反射栅反射形成谐振，其谐振频率与压电薄膜温度有关。然后声表面波谐振装置的叉指换能器再通过压电效应将声表面波变换成新的电磁波信号发送给无线问询单元后，无线问询单元通过处理将最终处理结果通过无线传输的方式发送至显示装置显示。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种耐高温无线MEMS温度传感***，其特征在于，包括：
无线问询单元，用于发送/接收电磁波信号，测量、存储和处理温度数据，并将所述温度数据作为最终传感信号；
声表面波谐振装置，所述声表面波谐振装置用于接收来自所述无线问询单元的所述电磁波信号，并将所述电磁波信号转换为声表面波后，再次将所述声表面波转换为新的电磁波信号，以及将所述新的电磁波信号反馈给所述无线问询单元；
显示装置，用于接收并显示来自所述无线问询单元的温度测量结果。
2.如权利要求1所述的***，其特征在于，所述声表面波谐振装置具体包括：
基底，所述基底由耐高温材料制成；
两个反射栅，所述反射栅设置在所述基底的上表面上且所述两个反射栅隔开；
叉指换能器，所述叉指换能器设置在所述基底的上表面上且位于所述两个反射栅之间；
小型天线，所述小型天线设置在所述基底的上表面上，所述小型天线与所述叉指换能器相连，用于接收和发送电磁波信号；以及
压电薄膜，所述压电薄膜设置在所述耐高温基底的上表面上，其中，所述两个反射栅、所述叉指换能器和所述小型天线位于所述基底和所述压电薄膜之间。
3.如权利要求2所述的***，其特征在于，所述耐高温材料为碳化硅。
4.如权利要求2所述的***，其特征在于，所述压电薄膜为氮化铝压电薄膜。
5.如权利要求2所述的***，其特征在于，所述叉指换能器为金属叉指换能器。
6.如权利要求2-5任一项所述的声表面波谐振装置，其特征在于，所述反射栅为金属反射栅。
7.如权利要求2所述的***，其特征在于，由所述声表面波谐振装置的谐振频率、所述叉指换能器的叉指间距和所述声表面波的传播速度确定所述叉指换能器的电极和所述反射栅的宽度。
8.如权利要求1所述的***，其特征在于，所述无线问询单元包括：
核心处理器；
直接数字频率合成器，所述直接数字频率合成器与所述核心处理器相连；
发射器，所述发射器与所述直接数字频率合成器相连；
双工器，所述双工器与所述发射器相连；
接收器，所述接收器与所述双工器相连；
探测器，所述探测器分别与所述接收器和所述核心处理器相连；
天线，用于发送和接收电磁波信号。
9.如权利要求8所述的***，其特征在于，所述核心处理器为ZigBee单片机。
10.如权利要求8所述的***，其特征在于，所述无线问询单元通过所述天线向所述声表面波谐振装置发送电磁波信号或接收来自所述声表面波谐振装置发送的电磁波信号，并向所述显示装置发送所述温度测量结果。
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