應用於tpms的集成式聲表面波無線壓力傳感器的製作方法

2023-07-01 06:34:21 3

專利名稱：應用於tpms的集成式聲表面波無線壓力傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種無線壓力傳感器，特別是涉及一種應用於汽車輪胎壓監控系統(TPMS)的壓力監控的聲表面波(Surface acoustic wave: SAW)集成溫度檢測與電子標籤的壓力傳感器。
背景技術：
近年來，安全性一直是推動汽車輪胎壓力監控系統(TPMS)發展的主要動力，因為許多交通事故的發生都與輪胎有關，因此TPMS有望成為發展最快的汽車電子應用。據統計，輪胎壓力異常將破壞汽車的穩定性並影響汽車的駕駛和制動，每年因此而導致的交通事故高達數十萬起。另外，大約20%的輪胎仍處於40%的亞充氣狀態(under-inflated),這不僅顯著的降低了輪胎的壽命，而且還增加了燃料消耗。根據固特異(goodyea。公司的數據，亞充氣狀態下每下降3個PSI將使燃料增加1%。採用TPMS在汽車輪胎處於25%的亞充氣狀態時向駕駛員發出警告，以有效的防止輪胎破損，從而避免汽車在輪胎充氣不足的情況下負重行使而導致的交通事故。這樣TPMS不僅有助於預防交通事故，而且每年節約的燃料消耗和汽車維護費可達17億美元。美國交通部國家高速公路交通安全管理局(NHTSA)要求自2007年起，所有在美國出售的汽車都必須裝備TPMS。因此，未來TPMS的市場將非常巨大。諮詢公司Strategy Analytics指出，未來數年中，輪胎壓力監控有望成為汽車電子系統中增長最快的領域，2010年將達到300萬套。
近年來，SAW技術開始應用於無線TPMS系統之中，而且業已成為當前TMPS的一個重要發展趨勢。其主要優點是傳感器部分不需要電池供電，而且質量較小，目前已經開發出的實驗傳感器只有5g左右，同時可在高溫等惡劣環境下工作。這樣，相對於其他類型的壓力傳感器具有明顯優勢。目前有報導有兩種SAW結構模式應用於TMPS。 一種是基於諧振器模式(文獻1: W.Buff et al, "Passive remote sensing for temperature andpressure using SAW resonator devices", IEEE Trans. UFFC., Vol.45， No.5, 1998, pp.1388-1392)。該傳感器由兩個SAW單端諧振器構成。其基本原理是將一單端SAW諧振器置于振動基片上振動膜拉伸區域(一般位于振動膜的中心位置)，而另外一個諧振器置于振動膜壓力傳感區域以外(即振動膜壓縮區域， 一般位于振動膜的邊緣位置)，作為對壓力傳感器的溫度補償。由於胎壓變化引起振動膜的彎曲變形，表面應力/應變分布改變，導致SAW速度的線性變化，從而引起傳感器頻率變化，以此實現對外圍壓力的無線檢測，並通過頻率差分輸出模式來對外圍環境溫度變化進行補償。然而，由於SAW諧振器諧振頻率的高溫靈敏度，傳感器系統輸出信號將受到射頻通道的諧振部分、天線與匹配網絡的嚴重幹擾。還有，由於壓力檢測的諧振器與溫度補償諧振器難以處於同一方位，這樣，由於基片表面的熱梯度誤差不可能完全有效實現溫度的補償效應。另外一種無線SAW壓力傳感器則採用SAW反射型延遲線結構模式，這種器件通常由一個叉指換能器與沿聲波傳播方向設置的三個反射器組成。採用這種SAW反射型延遲線的無線壓力傳感器由一個SAW反射型延遲線，封裝底座以及用黏合劑將SAW反射型延遲線與封裝底座密封形成的具有參考壓力的密封腔。基於這種SAW反射型延遲線結構的無線壓力傳感器的基本原理是SAW反射型延遲線的叉指換能器與無線天線相連，並將無線天線接收來自讀取單元(Reader unit)的電磁波信號轉換成SAW信號，並沿壓電基片表面傳播，繼而聲波信號為反射器所反射，並通過叉指換能器重新轉換成電磁波信號，通過無線天線為接收器所接收。這樣，將這種SAW壓力傳感器內置於輪胎之中，胎內壓力引起振動膜的彎曲變形導致振動膜表面應變分布變化，從而引起SAW速度的變化，繼而導致時域反射信號的時延(相位)變化，這樣就可以實現對胎壓的實時檢測。據報導的原型採用SAW反射型延遲線的壓力傳感器的壓力檢測的解析度達到了 1%,如文獻2: M.Jimgwirth et al,"Micromechanical precision pressure sensor incorporating SAW delay line", Acta. Mechanica.，Vol. 158， 2002, pp.227-252所介紹。由於這種SAW壓力傳感器由單個器件構成，結構簡單，又採用如文獻3: M.Jungwirth et al, "Micromechanical precision pressure sensor incorporatingSAW delay line", Acta. Mechanica., Vol.158, 2002, pp.227-252中所描述的差分溫度補償方法，可以使系統不易受到檢測環境影響因素的幹擾，具有良好的溫度穩定性；以相位作為傳感器輸出信號，具有較高的靈敏度解析度，且器件本身可以實現絕對無源，因此，這種壓力傳感器具有良好的應用前景，引起人們極大的興趣。
目前應用於壓力傳感器的SAW反射型延遲線， 一般採用普通的雙向換能器結構。另外，為獲得良好的溫度穩定性，均採用壓電係數較小的石英作為壓電基片，因此，現有的SAW反射型延遲線損耗較大(一般都在50 60dB)，信噪比低，這就嚴重影響到了對檢測參量的檢測範圍以及無線讀取距離(readoutdistance:與器件損耗呈反比關係，文獻4: C.E.Cook, M.Bernfeld: Radar signals, Norwood, MA, Artech House, 1993))。另外，現有的反射型延遲線的未能實現陡直尖銳的反射係數Su的時域反射峰，這就不利於時域時延信號的準確提取。另外，現有技術的SAW反射型延遲線採用單指條或者叉指換能器型作為反射器。叉指型的反射器具有較大的反射係數，因此可以較好的改善器件損耗與信噪比，但是由於叉指電極指間反射以及聲電再生引起較大的時域噪聲。單指型的反射器可以降低器件時域噪聲，但是較小的反射係數導致器件損耗較大，信噪比低。
此外，由於聲波傳播衰減，通常延遲線較長的傳播路徑導致源自各個反射器的反射峰均一性差，離換能器越遠，其損耗越大，信噪比越低，直接影響到時域時延信號的提取。
還有，傳感器系統的一個重要發展趨勢是功能的集成化，這樣有利於實現對多參量的實時檢測，也有利於系統小型化與可攜式的實現。現有技術應用於TPMS的採用SAW反射型延遲線的無線壓力傳感器功能單一，無法實現對輪胎內部溫度、壓力等參量的同時檢測。

發明內容
本發明的目的在於解決上述SAW反射型延遲線型無線壓力傳感器中所存在的問題；
為了實現具有良好信噪比，低損耗與低時域噪聲均一時域反射峰的特點，從而提供一種
釆用41°YXLiNb03為壓電基片，以鋁為叉指電極，採用控制電極寬度單相單向換能器EWC/SPUDT與短路柵反射器結構的SAW反射型延遲線；由兩個SAW反射型延遲線密封形成密封腔實現參考壓力，腔體的振動膜由一個SAW反射型延遲線構成，用於壓力檢測，而另外一個SAW反射型延遲線則作為腔體封裝底層，並作為溫度傳感器與電子標籤，以此同時實現對溫度、壓力的同時檢測。
本發明的目的是這樣實現的
本發明提供的應用於TPMS的集成式SAW無線壓力傳感器，如圖lb所示，包括第一SAW反射型延遲線1、第二 SAW反射型延遲線2和吸聲膠；其特徵在於；還包括阻抗匹配網絡4 、鎳導電柱IO 、導電膜和JSR膜9;
所述的第一 SAW反射型延遲線1由第一壓電基片3作為振動膜，和沿所述的第一壓電基片3表面的上下邊塗覆條形的第一導電膜28，再沿聲波傳播方向順序設置第一塊吸聲膠27、第一控制電極寬度單相單向換能器12、第一反射器13 、第二反射器14與第三反射器15，以及第二塊吸聲膠27-2組成；
所述的第二SAW反射型延遲線2由第二壓電基片3'，和沿所述的第二壓電基片3'表面的上下邊，在其第二壓電基片3'的上表面塗覆第二條形導電膜28'，再在所述的第二壓電基片3，上沿聲波傳播方向順序設置第三塊吸聲膠27-3、第二控制電極寬度單相單向換能器12'、 ll個反射器，以及設置在該壓電基片3'另一端的吸聲膠27-4組成；
所述的第一控制電極寬度單相單向換能器12與第二控制電極寬度單相單向換能器12'以鋁做電極，至少有2個以上叉指電極對33，和在2個叉指電極對33之間設置一電極寬度為1AU的反射電極32，其中X:聲波波長；所述的反射電極32與所述的叉指電極對33之間的距離為3/16X;所述的叉指電極對33由兩個的電極組成；
所述的第二 SAW反射型延遲線同時作為壓力傳感器的封裝底座，所述的第一 SAW反射型延遲線1作為振動膜，通過所述的鎳導電柱10將兩個SAW反射型延遲線中的兩個EWC/SPUDT電連接，塗覆於第一 SAW反射型延遲線1與第二 SAW反射型延遲線2四周的JSR膜9結合導電膠11，用於第一 SAW反射型延遲線1與第二 SAW反射型延遲線2的封裝，並形成具有參考壓力的密封腔體36;
所述的阻抗匹配網絡4如圖5所示，為第二 SAW反射型延遲線與2的EWC/SPUDT12'的輸入端N1與所述的無線天線5的信號端N3連接電路中串聯一個電感34以及並聯一個電感35;所述的無線天線5的接地端N4與第二 EWC/SPUDT 12'接地端N2直接相連，以此實現封裝後的第一 SAW反射型延遲線1與第二 SAW反射型延遲線2與所述的無線天線(5)之間的阻抗匹配。
由每一個EWC/SPUDT通過無線天線5接收來自於無線讀取單元8所發射的電磁波信號6，並轉換成SAW信號，並沿每一塊壓電基片表面傳播；並分別由各個反射器反射回各自的EWC/SPUDT，並重新轉換成電磁波信號7，由無線天線5傳回讀取單元8;通過信號處理方法以評價時域響應的相位變化來實現對輪胎內壓力以及溫度的檢測。
所述的反射器為短路柵反射器(具體結構如圖3b所示)；其中，所述的短路柵反射器由至少2個l/4波長寬度的電極組成。在上述的技術方案中，所述的第一反射器13與第二反射器14置於壓電基片振動膜3的拉伸區域St內，其中第一反射器13位於壓電基片3的中心位置，第二反射器14則位於壓電基片3的拉伸區域St與壓縮區域Co交界處；第三反射器15則置於壓縮區Co內，如圖2b所示。
在上述的技術方案中，所述的第一壓電基片(3)和第二壓電基片(3')，是一塊Y向旋轉41°沿X方向傳播的鈮酸鋰基片，其機電耦合係數為17.2%，聲傳播速度為4750m/s， 一階延遲溫度係數85ppm/°C。
在上述的技術方案中，第一和第二 EWC/SPUDT12與12，的指對數為10-20，以獲得較為陡直尖銳的時域反射峰。
在上述的技術方案中，為補償聲波衰減的影響，第一SAW反射型延遲線1與第二SAW反射型延遲線2中的所述的反射器的電極數均按照以下規律設置對第一SAW反射型延遲線1中，離第一EWC/SPUDT 12最近的第一反射器具有最少的電極數(例如3個寬度為V4的電極)，第二反射器14與第三反射器15具有相同，且比所述的第一反射器的電極數多。 對第二SAW反射型延遲線2中，離第二EWC/SPUDT 12'最近的第A個反射器16、第B個 反射器17到第C個反射器18具有5個電極數，第D個反射器19到21具有6個電極，第E個反 射器22到-第F個反射器23具有7個電極，第G個反射器24到第H個反射器25則具有8個電 極，第I個反射器26則具有9個電極。
在上述的技術方案中，為儘可能降低反射器之間的多次反射引起的聲波衰減與反 射峰間噪聲，第二 SAW反射型延遲線2的第A-K個反射器16 26分布為兩路，即用 於8位電子標籤的第A—H個反射器16 23置於一條路徑，由8個大小、間距相等的 短路柵反射器一字排列組成；用於溫度檢測的第I一K個反射器24 26置於另一條路 徑；設置位置在沿用於電子標籤的8個短路柵反射器中的最後一個反射器的下面一字 排列組成；所述的11個反射器為短路柵反射器，每一個短路柵反射器採用相同聲孔徑， 並為EWC/SPUDT 12聲孔徑的一半。
在上述方案中，第一與第二SAW反射型延遲線1與2採用接近的SAW傳播距離，即終 端反射器15與26離第一與第二EWC/SPUDT12與12'的距離接近，這樣可以有效的避免在 封裝時由於時域諧波信號的重疊引起反射器反射峰信號的異化。在本發明中，第一SAW 反射型延遲線l的SAW傳播距離為8934.3Mm(時延約3.76txs)，而第二SAW反射型延遲線2 的SAW傳播距離為8561.7^un(時延約3.6ps)。
在上述的技術方案中，所述的第一SAW反射型延遲線1的第一反射器13與第一 EWC/SPUDT 12之間的距離為2727pm，所述的第二SAW反射型延遲線2的第A個反射器16 與第二EWC/SPUDT 12'之間的距離為3272.4pm,以此提供區隔環境噪聲回波與傳感器 信號所需的至少1.2ps的足夠時延。
本發明的優點在於
本發明提供的應用於無線壓力傳感器的SAW反射型延遲線，是一種集成溫度檢測與 電子標籤的SAW無線壓力傳感器，它包括兩個通過鎳導電柱、導電膠與JSR膜密封封裝 的2個SAW反射型延遲線，以及與無線天線連接的匹配網絡；該SAW反射型延遲線採 用了一種控制電極寬度單向單相換能器的結構，它是利用分布的反射電極32反射弓跑的 前向與反向傳播的聲波相位疊加，有效提升前向聲波，而抑制甚至抵消反向聲波的傳播， 這樣就可以有效的改善期間損耗。還採用了一種短路柵反射器的結構，由於該反射器具 有較高的反射係數與零聲電再生反射，使得SAW反射型延遲線具有良好的信噪比，同時 降低反射峰間噪聲。(在本發明中時域Su信號中反射峰損耗約40犯)，改善了傳感器的 信噪比；通過優化設計SAW反射型延遲線的反射器電極指數、反射器聲孔徑，傳播路徑 等，獲得均一損耗與信噪比的時域反射器反射峰。以及通過優化配置 射器的位置，以此獲得傳感器的溫度補償與靈敏度改善。通過匹配網絡設計實現傳感器與無線天線的阻 抗匹配，以降低損耗，改善傳感器的信噪比性能。
本發明提供的應用於無線壓力傳感器的SAW反射型延遲線，用高壓電係數的41°YX LiNb03 3作為壓電基片，該壓電基片具有較高的聲波速度(4750m/s)，和壓電耦合係數 (17.2% )，以及一階延遲溫度係數85ppm/°C。
本發明採用在壓電基片兩端塗覆吸聲膠，主要用於消除聲波的邊緣反射，以降低器件 邊緣反射引起的時域噪聲。
本發明為獲得較為陡直尖銳的時域反射峰，採用有限降低EWC/SPUDT的指對數(10 到20對)，相對於已有技術是一條較為有效的途徑。
本發明中提供的兩個SAW反射型延遲線通過鎳導電柱、導電膠以及JSR膜密封形成密 封腔，第一 SAW反射型延遲線由第一EWC/SPUDT與三個短路柵反射器構建，作為振動 膜形成對壓力的檢測，另外第二SAW反射型延遲線2包含第二EWC/SPUDT，與分兩路設 置的ll個反射器，其中8個反射器為一路用於8位電子標籤，另外3個反射器則作為溫度傳 感器實現對溫度的檢測。第二SAW反射型延遲線同時作為壓力傳感器的封裝底座，以此 構建用於TPMS的集成式的無線壓力傳感器。


圖la是本發明應用於TPMS的集成式SAW無線壓力傳感系統的結構示意圖
圖lb是本發明集成式SAW無線壓力傳感器的剖面圖lc是本發明中第一 SAW反射型延遲線的平面圖
圖Id是本發明中第二 SAW反射型延遲線的平面圖
圖2a是本發明的第一 SAW反射型延遲線的結構示意圖
圖2b是本發明的第一 SAW反射型延遲線的反射器優化配置原理示意圖
圖3a是本發明第一和第二 SAW反射型延遲線中所採用的EWC/SPUDT結構示意圖
圖3b是本發明第一和第二 SAW反射型延遲線中所採用的短路柵反射器的結構示意圖
圖4 a是本發明的第一 SAW反射型延遲線的結構圖
圖4b是本發明的第二 SAW反射型延遲線的結構圖5是本發明的集成式SAW壓力傳感器與無線天線之間的阻抗匹配網絡示意圖6是本發明的第一SAW反射型延遲線的時域響應曲線圖7是本發明的第二SAW反射型延遲線的時域響應曲線圖8是本發明中封裝後集成式SAW壓力傳感器的時域Su響應曲線圖面說明如下I. 第一SAW反射型延遲線 3.第一壓電基片 5.無線天線 8.無線讀取單元
II. 導電膠 13.第一反射器 16.第A反射器 19.第D反射器 22.第G反射器 25.第J反射器 27-2.第二塊吸聲膠 28.第一導電膜 30.第二反射器反射的回波 32.反射電極 35.並聯電感
2.第二 SAW反射型延遲線 3'.第二壓電基片 6.電磁波信號 9. JSR膜
12.第一 EWC/SPUDT 14.第二反射器 17.第B反射器 20.第E反射器 23.第H反射器 26.第K反射器 27-3.第三塊吸聲膠 28'.第二導電膜
33.叉指電極對 36.密封腔體
4.阻抗匹配網絡 7.傳感器信號 10.鎳導電柱 12'第二 EWC/SPUDT 15.第三反射器 18.第C反射器 2L第F反射器 24.第I反射器 27-1.第一塊吸聲膠 27-4.第四塊吸聲膠 29.第一反射器反射的回波 31.第三反射器反射的回波 34.串聯電感
具體實施例方式
為了使本發明的目的、技術方案以及優點更加清楚明白，以下結合附圖和實施例對 本發明做進一步詳細說明。
參考圖1 a與b，製作一應用於TPMS的集成溫度檢測與電子標籤的SAW無線壓 力傳感器，包括第一 SAW反射型延遲線1與第二 SAW反射型延遲線2，鎳導電柱 10， JSR膜9，導電膠ll以及SAW無線壓力傳感器與無線天線5之間的阻抗匹配網 絡4。通過所述的無線天線5接收來自於所述的讀取單元8發射的電磁波信號6，通過 所述的控制電極寬度單相單向換能器轉換成SAW，並沿壓電基片3表面傳播並被11 個反射器部分反射回該控制電極寬度單相單向換能器，重新轉換成傳感器信號7，並 通過無線天線5傳回讀取單元8，由於外圍溫度的變化也引起聲波速度的變化，從而 導致SAW反射型延遲線的時域相位響應，通過讀取單元予以評價以實現對溫度的實 時檢測。
參考圖lc，本實施例的第一SAW反射型延遲線1，是用於壓力檢測的延遲線，包括 第一壓電基片3，在沿第一壓電基片3上表面的上下兩條邊塗覆條形的第一導電膜28， 再沿聲波傳播方向順序設置第一塊吸聲膠27-l、第一控制電極寬度單相單向換能器12、 第一反射器13 、第二反射器14與第三反射器15，以及第二塊吸聲膠(27-2)組成；參考圖ld，本實施例的第二SAW反射型延遲線2，是用於電子標籤與溫度檢測的延 遲線，包括第二壓電基片3'，和在該第二壓電基片3'沿第二壓電基片3'的邊，在其 上表面塗覆第二條形導電膜28'，再在第二壓電基片3'上沿聲波傳播方向順序設置第三 塊吸聲膠27-3、第二控制電極寬度單相單向換能器12'、 ll個反射器，以及設置在該壓 電基片3另一端的吸聲膠27-4組成；該11個反射器為短路柵反射器。
本實施例的壓電基片採用沿Y向旋轉41。， X方向傳播的鈮酸理(LiNb03)基片；其 第一 SAW反射型延遲線1的壓電基片3作為振動膜，其尺寸為(axb，a:6mm， b: 16mm)， 即長16mm，寬6mm，厚度為350jum的41°YXLiNb03;其第二 SAW反射型延遲線2的 壓電基片3'作為封裝底座，其尺寸為(axb， a: 6mm， b: 18mm)，即長18mm，寬6mm， 厚度為350jum的41°YXLiNb03;該壓電基片具有較高的聲波速度(4750m/s)，壓電耦合 係數(17.2%)和一階延遲溫度係數85ppm/°C。
參考圖lb，通過鎳導電柱10， JSR膜9以及導電膠11將第一SAW反射型延遲線1 與第二 SAW反射型延遲線2密封封裝並形成密封腔體36; (JSR膜以及導電膠都是本行 業常用的JSR膜以及導電膠)。
參考圖3a，本實施例的第一 EWC/SPUDT 12為以鋁做電極，其中叉指電極對33和 反射電極32均由1500A鋁膜製作；該單相單向換能器由6個叉指電極對33，和在6個叉 指電極對33之間設置的5個電極寬度為1/4人的反射電極32組成，當然叉指電極對33 與反射電極32還可以是10-20之間的任何數;在本發明實施例中叉指電極對33為15對， 反射電極32為14個。反射電極32與叉指電極對33 (由兩個的電極組成)之間的 距離為反射電極32的位置決定於壓電基片3以及反射電極32的電極材料。圖3a 所示的控制電極寬度單相單向換能器獲得如圖2a中三個反射器13 15方向的聲波單向 輻射的條件是反射電極32置於叉指電極對33的左側，即與單向輻射的聲波相反的方向。
第一 SAW反射型延遲線1的第一反射器13，第二反射器14與第三反射器15為短路 柵反射器(具體結構如圖3b所示)，由最小為2個或者3 10個1/4波長寬度的電極短 路組成；第一反射器13與第二反射器14置於壓電基片振動膜3的拉伸區域St內，其中 第一反射器13位於壓電基片3中心位置，第二反射器14則位於壓電基片3的拉伸區域 St與壓縮區域Co交界處；第三反射器15則置於壓縮區內，如圖2b所示。由於其具有較 高的反射係數與零聲電再生反射，使得SAW反射型延遲線具有良好的信噪比，同時反射 峰間噪聲低。
第一 SAW反射型延遲線1用於無線壓力檢測的基本原理是由EWC/SPUDT 12通過 無線天線5接收來自於無線讀取單元8所發射的電磁波信號6，並轉換成SAW信號，在 壓電基片3表面沿三個反射器方向傳播並分別由3反射器所反射，第一回聲波29，第二回聲波30與第三回聲波31通過EWC/SPUDT12重新轉換成電磁波信號7，由無線天線5 傳回無線讀取單元8，並通過信號處理方法(這是本技術領域技術人員可以勝任的)，以 評價時域響應的相位變化來實現對輪胎內壓力的檢測。
本實施例中第一 SAW反射型延遲線1的第一反射器13，第二反射器14與第三反射 器15，在壓電基片3表面的位置可以通過如下方法予以優化配置 一般而言，壓電基片 振動膜3在壓力狀態下存在著拉伸St與壓縮區域Co，如圖2b所示，在拉伸區域St聲波 速度降低，而壓縮區域Co聲波速度則升高，這樣表現在時域響應的時延/相位變化上出 現不同極性。這樣可以通過優化配置反射器位置來獲得溫度補償與靈敏度性能改善，即 第一反射器13與14置於壓電基片振動膜3的拉伸區域St內，其中反射器13位於壓電 基片3中心位置，反射器14則位於壓電基片3的拉伸區域St與壓縮區域Co交界處；反 射器15則置於壓縮區內。通過如式AO-AOw—wxA①3.2所示的差分方法(文獻3: M.Jungwirth et al, "Micromechanical precision pressure sensor incorporating SAW delay line", Acta. Mechanica., Vol.158, 2002,卯.227-252)，即可有效改善傳感器的靈敏度性能並 實現溫度補償效應，其中，AO為傳感器壓力檢測的相位響應，Ad)2-,為第一反射器13與 第二反射器14之間的相位變化，A(D3—2為第二反射器反射器14與第三反射器15之間的 相位變化，w為加權因子，由反射器之間的距離確定，w=/2//3，其中，/2為第一反射器 反射器13與第二反射器14之間的距^，而/3為第二反射器反射器14與第三反射器15 之間的距離。為精確確定反射器的位置即分析確壓電基片振動膜3的拉伸St與壓縮Co 區域，有限元分析軟體Ansys 8.0來用於計算壓力狀態下振動膜的彎曲以及表面沿聲波傳 播方向應變的分布狀況以確定振動膜壓縮Co與拉伸St區域，以此計算其相應相位響應。 圖2b中顯示了基於有限元分析軟體對應用於無線壓力傳感器的聲表面波反射型延遲線的 壓力狀態G00kPa)下的相對相位響應特性。4rYXLiNb03即壓電基片振動膜3，具有 較高的聲波速度(4750m/s)，壓電耦合係數(17.2%)。如圖2中所示，振動膜表面存在 著兩種不同區域，即拉伸區域(St)與壓縮區域(Co)，在拉伸區域即振動膜的中心區域， 聲波速度降低，而壓縮區域位于振動膜的邊緣，聲波速度升高。再根據上述配置方法對 SAW反射型延遲線1的三個反射器進行位置的確定。為獲得更好的靈敏度與溫度補償特 性，第一反射器13置於壓電基片振動膜3的拉伸區域St即振動膜的中心位置，第二反 射器14則置於拉伸與壓縮區域的交界位置，而第三反射器15置於壓電基片振動膜3的 壓縮區域。
第二SAW反射型延遲線2的ll個反射器採用短路柵反射器，分為兩路設置，第A 一H個反射器16 23置於一條路徑，由8個大小、間距相等的短路柵反射器一字排列組 成，用於8位電子標籤。用於溫度檢測的第I一K個反射器24 26置於另一條路徑；設置位置在沿用於電子標籤的8個短路柵反射器中的最後一個反射器的下面一字排列組成; 每一個短路柵反射器採用相同聲孔徑，並為EWC/SPUDT 12聲孔徑的一半。
。第二 EWC/SPUDT 12'通過無線天線5接收來自無線讀取單元8的電磁波信號6 轉換成SAW信號，並在壓電基片3'表面傳播，並由第A-K個反射器16 26反射回第 二EWC/SPUDT12'，並由第二EWC/SPUDT 12，轉換成電磁波信號7，通過無線天線5 傳回無線讀取單元8。由於4rYXLiNb03壓電基片有較高的溫度時延係數(85ppm/oC)， 外圍環境溫度的變化將導致聲波傳播速度的變化，從而使得SAW反射型延遲線2的用於 溫度(r)檢測的反射器24 26時域反射峰時延發生變化，其溫度相位靈敏度AO可以 通過式AO = /2〃！ x 2兀/o/!/vo x TCD x (r-7;e/) = /2〃, x 2ti/0xAt進行評估(文獻6: L.M.Reindl, et al， "Wireless measurement of temperature using surface acoustic waves sensors", IEEE, Trans. UFFC， Vol.51, No.ll, 2004， pp.1457-1463 )，其中，A與/2分別為第I—J個反射器24， 25以及第J-K個反射器25， 26之間的距離，/o為傳感器工作頻率，w為參考溫度(通常 為室溫)條件下聲波速度，TCD為基片材料的一階溫度係數，7V為參考溫度(即室溫 20°C)。 /2/A值越大越有可能獲得更高的檢測靈敏度，然而，考慮到聲波傳播的傳播衰減 即傳播距離越遠將導致很大的傳播損耗，因此聲波傳播距離需要控制在一定範圍之內以 降低聲傳播損耗，在本發明方案中，綜合考慮，/2//,值約為3。
另外，由於聲波的傳播衰減影響，為保持均一的時域響應，第一SAW反射型延遲線 1與第二 saw反射型延遲線2的14個反射器的電極結構需要一定的優化設計，以補償 由於聲傳播衰減引起的時域損耗，在第一 SAW反射型延遲線1中，離第一 EWC/SPUDT12 最近的第一反射器13具有最少的電極數(本發明實施例中為3個電極)，第二反射器14 與第三反射器15則比第一短路柵反射器13的電極數多(本發明實施例中為5個)。
為補償聲波衰減的影響，第一SAW反射型延遲線1與第二SAW反射型延遲線2中的所 述的反射器的電極數均按照以下規律設置對第一SAW反射型延遲線1中，離第一 EWC/SPUDT 12最近的第一反射器具有最少的電極數(例如3個寬度為V4的電極)，第二 反射器14與第三反射器15具有相同，且比所述的第一反射器的電極數多。對第二SAW反 射型延遲線2中，離第二EWC/SPUDT12'最近的第A個反射器16、第B個反射器17到第C 個反射器18具有5個電極數，第D個反射器19到21具有6個電極，第E個反射器22到-第F個 反射器23具有7個電極，第G個反射器24到第H個反射器25則具有8個電極，第I個反射器 26則具有9個電極。
為降低反射器之間的多次反射引起的聲波衰減與反射峰間噪聲，用於溫度檢測與電 子標籤的第二 SAW反射型延遲線2的反射器分布分為兩路，即用於8位電子標籤的第A 一H反射器16 23置於一條路徑，用於溫度檢測的第I一K個反射器24 26置於另外一條路途徑。
在本發明實施例中，還包括一個在封裝後的第一SAW反射型延遲線1第二SAW反射 型延遲線2與無線天線5之間的匹配網絡4 (該匹配網絡4是本技術領域技術人員通常實用 的)，如圖5所示，其中，第二EWC/SPUDT12'的輸入端N1與無線天線5的信號端N3電連 接，並且在該電路中的串聯一個電感34和並聯一個電感35;第二EWC/SPUDT12'的接地 端N2與無線天線的接地端N4直接電相連。通過該匹配網絡4使得封裝後的第一SAW反射 型延遲線l、第二SAW反射型延遲線2與無線天線5之間達到阻抗匹配狀態，以此獲得較低 損耗，改善傳感器的信噪比性能。
第一SAW反射型延遲線1與第二SAW反射型延遲線2採用接近的SAW傳播距離，即第 一SAW反射型延遲線1的第三反射器15與第二SAW反射型延遲線2的第K反射器26離第一 EWC/SPUDT 12與第二EWC/SPUDT 12'的距離接近，這樣可以有效的避免在封裝時由於 時域諧波信號的重疊引起反射器反射峰信號的異化。在本發明中，SAW反射型延遲線1 的SAW傳播距離為8934.3pm，而SAW反射型延遲線2的SAW傳播距離為8561.7nm。
在本發明實施例中，為獲得較為陡直尖銳的時域反射峰，EWC/SPUDT 12指對數為 15，即包含如圖3a所示的15個叉指電極對33與分布於電極對之間的14個反射電極32。
在本實施例中，第一SAW反射型延遲線1的第一反射器13與EWC/SPUDT 12之間的距 離為2727iim，所述的第二SAW反射型延遲線2的第A個反射器16與第二EWC/SPUDT12' 之間的距離為3272.4pm，以此提供區隔環境噪聲回波與傳感器信號所需的至少1.2ps的足 夠時延。
吸聲膠塗覆於壓電基片兩端，主要用於消除聲波的邊緣反射，以降低器件邊緣反射 引起的時域噪聲。
在具體實施例製作的應用於無線壓力傳感器中，第一SAW反射型延遲線1和第二 SAW反射型延遲線2的具體結構，分別如圖4a和圖4b所示，圖中相關結構參數如下
第一SAW反射型延遲線1和第二SAW反射型延遲線2的工作頻率434MHz;聲波波
長10.9,;
a二壓電基片為4rYXLiNb03，其壓電基片的寬度6mm; b二第一SAW反射型延遲線l的壓電基片3的長度16mm; c二第二SAW反射型延遲線2的壓電基片3'的長度18mm;
A = EWC/SPUDT 12的長度= 163.5pm ; Bl =第 一 反射器13的長度 5><(腦)=13.6,;
B2二第二反射器14的長度9x(l/4X"24》m; B3 =第三反射器15的長度9x(lV4) =24.5,C二SPUDT12的聲孔徑110xX=1199)^n; 0 =第一反射器13 第三反射器15的聲孔 徑1254=1362.5,
E二第一反射器13 第三反射器15的匯流條寬度3(^m; F二第A反射器16 第K反 射器26的匯流條寬度5A=54.5pm;
G二第A反射器16 第K反射器26的聲孔徑50A=545nm; ^二第A反射器16的長 度9x(跳)二24.5jam;
H2:第B反射器17的長度9x(l/4X) = 24.5pm; H3^第C反射器18的長度9x(l/4X) =24.5,;
H4:第D反射器19的長度llx(lAa) = 30(mi; Hs^第E反射器20的長度11x(l/4X) =30(om;
H6二第F反射器21的長度llx(lAa) = 30^im; H7二第G反射器22的長度13x(l/4X) =35.4pm;
H8二第H反射器23的長度13x(l/4^) = 35.4|_im; H9二第I反射器24的長度15x(l/4人) 二40.9[mi;
Hn^第L反射器25的長度15x(l/4X) = 40.9pm; Hu二第K反射器26的長度17x(l/4X) =46.3拜；
/屍第一反射器13與第一SPUDT12間的距離2727pm; /2=第二反射器14與第一反射器13間的距離5113.8pm; /3=第三反射器15與第二反射器14間的距離1031.4|am; /f第A反射器16與第一SPUDT12間的距離3272.4pm; 一第B反射器17與第A反射器16間的距離383.4)am; /^第C反射器18與第B反射器17間的距離386.1pm; /產第D反射器19與第C反射器18間的距離388.8)am; /『第E反射器20與第D反射器19間的距離391.5pm; /^第F反射器21與第E反射器20間的距離394.2pm; A(T第G反射器22與第F反射器21間的距離396.9pm; A屍第H反射器23與第G反射器22間的距離399.6pm; /12=第1反射器24與第11反射器23間的距離437.4)am; /f第J反射器25與第I反射器24間的距離442.8pm; /^第K反射器26與第J反射器25間的距離1309.5pm;
通過這一反射器設計，第一SAW反射型延遲線1和第二SAW反射型延遲線2將獲得均 一的反射器時域反射峰，且具有一致的損耗與信噪比。如圖6 8所示。圖6與圖7分別示出了從HP8510網絡分析儀中，觀察到的封裝前第一SAW反射型延遲線1和第二SAW反射 型延遲線2的典型時域反射係數Sn的響應曲線。圖6中3個反射峰來自於第一SAW反射型 延遲線1的3個反射器13 15，圖7中的11個反射峰，則來自於第二SAW反射型延遲線2的 11個反射器16 26。所有反射峰均具有較為均一的損耗與信噪比性能，相應時域Su損耗 大小為39 43dB;對於第一SAW反射型延遲線1， 3個反射峰分別來自於3個短路柵反射 器，其對應時延分別為L18,3.53和3.76ps。對SAW反射型延遲線2， ll個反射峰分別來 自於ll個反射器，應用於8位電子標籤與溫度檢測。從上述檢測結果來看，實現了較低損 耗，良好的信噪比，較為尖銳反射峰以及較低的峰間噪聲。
圖8為從HP8510網絡分析儀中觀察到的封裝後的集成式SAW壓力傳感器的時域Su 響應的測試曲線。從圖中來看，14個時域反射峰來自於第一 SAW反射型延遲線和第二 SAW反射型延遲線2的14個反射器，第l、 12與14個反射峰來自於第一SAW反射型 延遲線l的三個反射器，應用於壓力檢測。從第2到9個反射峰是來自於第二SAW反射 型延遲線2的應用於8位電子標籤的8個反射器，第10、 11與13個反射峰，則是來自 於第二 SAW反射型延遲線2的應用於溫度傳感器的3個反射器。封裝後反射峰具有較為 均勻的損耗與信噪比性能。由於良好的阻抗匹配網絡，鎳導電柱10以及導電膠11等的 引起的損耗並不明顯，其損耗仍然保持在45dB左右。由此可以看出，通過評價時域反射 峰的時延信號變化將可以直接實現對溫度與壓力的實時檢測。
以上所述的實施例，只是本發明較優選的具體實施方式
的一種，本領域的技術人 員在本發明技術方案內進行的通常變化和替換都應包含在本發明的保護範圍內。
權利要求
1.一種應用於TPMS的集成式聲表面波無線壓力傳感器，包括第一SAW反射型延遲線(1)、第二SAW反射型延遲線(2)和吸聲膠；其特徵在於；還包括阻抗匹配網絡(4)、鎳導電柱(10)、導電膜和JSR膜(9)；所述的第一SAW反射型延遲線(1)由第一壓電基片(3)作為振動膜，和沿所述的第一壓電基片(3)表面的上下邊塗覆2條條形的第一導電膜(28)，再沿聲波傳播方向順序設置第一塊吸聲膠(27)、第一控制電極寬度單相單向換能器(12)、第一反射器(13)、第二反射器(14)與第三反射器(15)，以及第二塊吸聲膠(27-2)組成；所述的第二SAW反射型延遲線(2)由第二壓電基片(3』)，和沿所述的第二壓電基片(3』)表面的上下邊，塗覆2條第二條形的導電膜(28』)，再在所述的第二壓電基片(3』)上沿聲波傳播方向順序設置第三塊吸聲膠(27-3)、第二控制電極寬度單相單向換能器(12』)、11個反射器，以及設置在該壓電基片(3』)另一端的吸聲膠(27-4)組成；所述的第一控制電極寬度單相單向換能器(12)與第二控制電極寬度單相單向換能器(12』)以鋁做電極，至少有2個以上叉指電極對(33)，和在2個叉指電極對(33)之間設置一電極寬度為1/4λ的反射電極(32)，其中λ聲波波長；所述的反射電極(32)與所述的叉指電極對(33)之間的距離為3/16λ；所述的叉指電極對(33)由兩個1/8λ的電極組成；所述的第二SAW反射型延遲線同時作為壓力傳感器的封裝底座，所述的第一SAW反射型延遲線(1)作為振動膜，通過所述的鎳導電柱(10)將兩個SAW反射型延遲線中的兩個EWC/SPUDT電連接，塗覆於第一SAW反射型延遲線(1)與第二SAW反射型延遲線(2)四周的JSR膜(9)結合導電膠(11)，用於第一SAW反射型延遲線(1)與第二SAW反射型延遲線(2)的封裝，並形成具有參考壓力的密封腔體(36)；所述的阻抗匹配網絡(4)為在第二反射型延遲線(2)的第二EWC/SPUDT(12』)的輸入端(N1)與無線天線(5)的信號端N3電連接電路中串聯一個電感(34)和並聯一個電感(35)；第二EWC/SPUDT(12』)的接地端N2與無線天線的接地端(N4)直接電相連；以此實現封裝後的第一SAW反射型延遲線(1)、第二SAW反射型延遲線(2)與無線天線(5)之間的阻抗匹配。
2. 按權利要求1所述的應用於TPMS的集成式聲表面波無線壓力傳感器，其特徵在 於，所述的第一壓電基片(3)和第二壓電基片(3'),是一塊Y向旋轉4r沿X方向傳 播的鈮酸鋰基片，其機電耦合係數為17.2%,聲傳播速度為4750m/s， 一階延遲溫度係數85ppm/°C。
3. 按權利要求1所述的應用於TPMS的集成式聲表面波無線壓力傳感器，其特徵在 於，所述的第一反射器(13)與第二反射器(14)置於第一壓電基片(3)的拉伸區域St內，其 中第一反射器(13)位於第一壓電基片(3)中心位置，第二反射器(14)則位於第一壓電基片(3) 的拉伸區域St與壓縮區域Co交界處；第三反射器(15)則置於壓縮區內。
4. 按權利要求1所述的應用於TPMS的集成式聲表面波無線壓力傳感器，其特徵在 於，第一EWC/SPUDT (12)和第二EWC/SPUDT (12')中的指對數為10-20。
5. 按權利要求1所述的應用於TPMS的集成式聲表面波無線壓力傳感器，其特徵在 於，所述的第一 SAW反射型延遲線(1)中3個反射器的電極數按照以下規則設置離 第一EWC/SPUDT (12)最近的第一反射器(13)具有最少的電極數，第二反射器(14) 與第三反射器(15)電極數相等，並且比第一反射器(13)電極數多。
6. 按權利要求1所述的應用於TPMS的集成式聲表面波無線壓力傳感器，其特徵 在於，所述的第二 SAW反射型延遲線(2')中離第二EWC/SPUDT (12')最近的順 序3個反射器具有最少的電極數，隨著距離的增加，反射器的電極數以此遞增；所述 的11個反射器分成兩路設置，排在離第二 EWC/SPUDT (12')最近的8個連續的所 述的反射器為一條路徑，用於電子標籤的反射器，每一個短路柵反射器採用相同聲孔 徑，並為EWC/SPUDT (12)聲孔徑的一半；另外一條路徑用於溫度檢測，由3個短 路柵反射器組成，設置位置在沿用於電子標籤的8個短路柵反射器中的最後一個反射 器的下面一字排列組成。
7. 按權利要求1、 5或6所述的應用於TPMS的集成式聲表面波無線壓力傳感器，其 特徵在於，所述的反射器為短路柵反射器，其中，所述的短路柵反射器由至少2個1/4 波長寬度的電極組成。
8. 按權利要求1所述的應用於TPMS的集成式聲表面波無線壓力傳感器，其特徵在 於，所述的第一 EWC/SPUDT (12)與所述的第一反射器(13)之間的距離為2752.5pm，所 述的第二反射器(14)與所述的第一反射器(13)之間的距離為5161.2nm，而所述的第三反射 器(15)與所述的第二反射器(14)之間的距離為1041pm。
9 .按權利要求1所述的應用於TPMS的集成式聲表面波無線壓力傳感器，其特徵在 於，所述的第二 EWC/SPUDT (12')與所述的11個反射器的距離分別如下其中，第A 個反射器(16)與第二 EWC/SPUDT (12')的距離為2727(^m，第B個反射器(17)與 所述的第A個反射器(16)之間的距離為383pm，第C個反射器(18)與所述的第B個 反射器(17)之間的距離為386.1pm，第D個反射器(19)與反射器(18)之間的距離 為388.8pm，第E個反射器(20)與反射器(19)之間的距離為391.5pm，第F個反射器(21)與反射器(20)之間的距離為394.2pm，第G個反射器(22)與反射器(21) 之間的距離為396.9pm，第H個反射器(23)與反射器(22)之間的距離為399.6pm， 第I個反射器(24)與反射器(23)之間的距離為437.4pm，第J個反射器(25)與所述 的第I個反射器(24)之間的距離為442.8pm，第K個反射器(26)與所述的第J個反射 器(25)之間的距離為1309.5nm。
全文摘要
本發明涉及一種應用於TPMS的集成式聲表面波無線壓力傳感器，包括兩個SAW反射型延遲線，通過鎳導電柱、導電膠與JSR膜封裝成一體，與無線天線連接的匹配網絡；第一SAW反射型延遲線包括一個控制電極寬度單相單向換能器，和3個短路柵反射器應用於壓力檢測，第二SAW反射型延遲線包括11個短路柵反射器8個反射器用於8位電子標籤，另外3個則用於溫度檢測；由EWC/SPUDT通過無線天線接收來自於無線讀取單元的電磁波信號並轉換成SAW信號，聲波沿壓電基片表面傳播，並分別由各個反射器反射，反射的聲波通過EWC/SPUDT重新轉換成電磁波信號，由無線天線傳回無線讀取單元，並通過信號處理的方法以評價時域響應的相位變化來實現對胎內壓力以及溫度的同時檢測。
文檔編號G01L11/04GK101644616SQ200910084149
公開日2010年2月10日 申請日期2009年5月20日 優先權日2009年5月20日
發明者何世堂, 文 王 申請人:中國科學院聲學研究所