聲表面波溫度傳感器的製作方法

2023-07-21 15:48:31

專利名稱：聲表面波溫度傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種聲表面波(Surface Acoustic Wave, SAW)溫度傳感器,尤其是一種能夠同時實現抗環境噪聲和電磁幹擾的聲表面波溫度傳感器。
背景技術：
目前，公知的SAW溫度傳感器構造包括單一聲表面波器件，聲表面波器件包括諧振器結構和延遲線結構，具體包括壓電基片、基片上放置SAW叉指換能器、反射柵組成。
工作情況下SAW器件接觸測溫點，由於熱脹冷縮，導致SAW器件晶片頻率發生漂移，從而根據測量頻率漂移，得到待測溫度點的溫度。如文章《儀器儀表學報》2003年8月第 24 期第 4 卷 PP403-405 和文章 1981 ((ULTRASONICS SYMPOSIUM )) PP148-151 所述，SAW 器件頻率漂移和溫度在合適的歐拉角情況下，可以實現線性的頻率一溫度關係，線性單調溫度係數報導的有_9(T32ppm。又如專利申請200910101086. 6和201110302933. 2，美國 Sengenuity公司產品所述(見www. visensor. com),製作單一 SAW器件,通過監測SAW器件的頻率變化得到待測點的溫度信息。上述SAW器件沒有考慮環境因素對傳感器件頻率特性變化的影響，因此抗幹擾能力弱。
實際SAW傳感器的使用中，由於SAW傳感器工作頻率屬於國家規定的工業控制頻率段，除了環境噪聲外還有各種其他無線幹擾窄帶信號，例如對講機在433MHz附近存在強的電磁幹擾。如果強電磁幹擾和SAW溫度傳感器的信號同頻率，則讀寫器無法正常接收傳感信號。
目前SAW傳感器既能去除環境噪聲、強電磁幹擾的方式尚未有有效解決方式。
因此，現有技術存在缺陷，有待於進一步改進和發展。發明內容
本發明的目的是提供一種實現抗環境噪聲和電磁幹擾的聲表面波溫度傳感器。
為了實現上述目的，本發明採用如下技術方案聲表面波溫度傳感器，包括設置在基座上的兩個以上SAW器件，所述SAW器件分別包括壓電基片和設置在壓電基片上的叉指換能器和反射柵條，其中，所述任意兩個SAW器件的壓電基片的溫度係數不同；所述SAW器件的壓電基片的頻率和溫度成單調或者線性的關係，任意兩個SAW器件的壓電基片的頻率差不為零，根據任意兩個SAW器件的壓電基片的頻率差得到聲表面波傳感器探測到的溫度。
所述的聲表面波溫度傳感器，其中，所述SAW器件採用叉指換能器和反射柵條混合設置的諧振結構。
所述的聲表面波溫度傳感器，其中，所述聲表面波溫度傳感器包括三個SAW器件， 所述三個SAW器件的壓電基片分別是第一壓電基片、第二壓電基片和第三壓電基片；第一壓電基片設置為128° YX_LiNb03，其線性溫度係數約-90ppm/°C，諧振頻率為第一頻率Π ； 第二壓電基片設置為JCL石英，切角為0° ,42. 1° ,39°，線性溫度係數約-22ppm/°C，諧振頻率為第二頻率f2 ;第三基片是LST石英，切角為11.4°，39.4°，35 °，線性溫度係數約-33ppm/°C，諧振頻率為第三頻率f3 ;|fl-f2|，| f l_f3 |，f 2-f 3依次正比於-68ppm/°C , -57ppm/°C, llppm/°C。
所述的聲表面波溫度傳感器，其中，所述SAW器件採用叉指換能器和反射柵條分離設置的延遲線結構。
聲表面波溫度傳感器，包括設置在基座上的兩個以上SAW器件，其中，所述基座上設置壓電基片，所述壓電基片上設置多組叉指換能器和反射柵條，多組叉指換能器和反射柵條同所在的壓電基片構成SAW器件；所述多組SAW器件之間旋轉的角度為-21°至29° ; 切角每變化I'，溫度係數變化O. 00Γ0. Olppm/°C, SAW器件的壓電基片之間的溫度係數不同；所述SAW器件的壓電基片的頻率-溫度成單調或者線性的關係，任意兩個SAW器件的壓電基片的頻率差不為0，根據任意兩個SAW器件的壓電基片的頻率差得到聲表面波傳感器探測到的溫度。
所述的聲表面波溫度傳感器，其中，該壓電基片為42. 75° Y-X石英基片。
所述的聲表面波溫度傳感器，其中，該壓電基片為Y切石英基片。
所述的聲表面波溫度傳感器，其中，所述SAW器件採用叉指換能器和反射柵條混合設置的諧振結構；或採用叉指換能器和反射柵條分離設置的延遲線結構。
所述的聲表面波溫度傳感器，其中，所述SAW器件有三個，包括第一 SAW器件的叉指換能器和反射柵條、第二 SAW器件的叉指換能器和反射柵條和第三SAW器件的叉指換能器和反射柵條；第二 SAW器件的叉指換能器和反射柵條以及第三SAW器件的叉指換能器和反射柵條，相對於第一 SAW器件的叉指換能器和反射柵條旋轉-21°至29°之間角度。
本發明提供的聲表面波溫度傳感器，在基座上設置2個以上SAW器件，SAW器件採用不同的溫度係數的壓電基片，優選的是單調且近似線性溫度係數，通過兩個SAW器件之間的頻率差來計算聲表面波溫度傳感器探測的溫度，可以解決現有SAW傳感器面臨的抗環境噪聲的問題；進一步載基座上設置3個以上溫度係數不同的SAW器件，當任意一個SAW器件的頻率點被幹擾的時候，仍然可以根據另外2個SAW器件的頻率差來計算聲表面波溫度傳感器探測到的溫度，使聲表面波溫度傳感器具有抗環境噪聲的能力和抗電磁幹擾能力。


圖I為本發明諧振結構的聲表面波器件的結構示意圖；圖2為本發明延遲線結構的聲表面器件的結構示意圖；圖3為本發明聲表面波傳感器中多個SAW器件分別設置在不同壓電基片上的結構示意圖；圖4為本發明聲表面波傳感器中SAW器件設置在相同壓電基片上的結構示意圖；圖5為JCL和LCT切向石英基底的頻率偏移隨溫度的變化關係圖；圖6是實施例4中三種基片材料的頻率隨溫度的變化關係圖。
具體實施方式
下面結合優選的實施例對本發明做進一步詳細說明。
本發明的聲表面波傳感器，如圖3和4所示，包括多個SAW器件5，所述SAW器件5包括壓電基片2和設置在壓電基片2上的叉指換能器I和反射柵條3，所述多個SAW器件5 可以設置在不同壓電基片2上，如圖3所示，所述多個SAW器件5的叉指換能器I和反射柵條3也可以設置在相同壓電基片2上，如圖4所示。
所述SAW器件5可以採用叉指換能器I和反射柵條3混合設置的諧振結構，如圖I 所示，也可以採用叉指換能器I和反射柵條3分離設置的延遲線結構，如圖2所示，這裡不做限制。
作為本發明的第一個優選例，以所述聲表面波傳感器設置2個SAW器件5為例，兩個SAW器件5的壓電基片2採用的溫度係數不同，優選的兩個SAW器件5的壓電基片2分別採用JCL切向和LST切向的石英，如圖5所示，其溫度係數是單調且接近線性，根據壓電基片2的頻率-溫度成線性的關係，兩個SAW器件2的壓電基片的頻率差不為0，根據頻率差得到聲表面波傳感器探測到的溫度，而且探測到的溫度可以去掉背景噪聲。其原理是，環境噪聲對兩者影響基本相同，所以環境噪聲對SAW傳感器影響可以消除。
作為本發明的第二個優選的實施例，設置所述三個SAW器件的壓電基片分別是第一壓電基片、第二壓電基片和第三壓電基片，可以將第一壓電基片設置為128° YX-LiNb03， 其線性溫度係數約_90ppm/°C，諧振頻率為第一頻率Π ;第二壓電基片設置為JCL石英，切角為(0°，42. 1° ,39° )，線性溫度係數約-22ppm/°C，諧振頻率為第二頻率f2 ;第三基片是LST石英，切角為(11. 4° ,39.4°，35° )，線性溫度係數約_33ppm/°C，諧振頻率為第三頻率 f3 ; I fl-f2 I，fl-f3|, f2-f3| 依次正比於-68ppm/°C，-57ppm/°C，llppm/°C。因此在溫度_頻率差關係中，形成了 3個斜率不一樣的單調特性直線。這一特性直線去除了環境噪聲對聲表面波溫度傳感器的影響。
所述近似線性溫度係數的材料有YZ-LiNbO3,128 ° YX-LiNbO3 ;石英包括LST、 JCL、Y切及其相關X旋轉、LGS等均存在線性溫度係數在這一特性。
本實施例在所述聲表面波溫度傳感器上設置3個SAW器件5，使聲表面波溫度傳感器既可以防環境噪聲，還可以抗電磁幹擾。其原理是，由於強電磁幹擾通常隨機發生在某一個頻率點，當傳感器包括的SAW器件多於3個時候，總有2個以上頻率點未受到幹擾，這樣，當任意一個SAW器件的頻率點被幹擾的時候，仍然有2個SAW器件5工作，仍然能夠通過未受幹擾SAW器件之間的頻率差來確定測溫點的溫度，因此可以形成較強的抗電磁幹擾能力。這就使聲表面波溫度傳感器同時具有抗環境噪聲、抗電磁幹擾能力。
作為本發明的第三個優選例，SAW傳感器由3個SAW器件5組成，如圖4所示，且 3個SAW器件5均製作在一個作為壓電基片2的石英基片上，多組叉指換能器和反射柵條同所在的壓電基片構成SAW器件，石英基片是42. 75° Y-X石英。圖4中最左邊的是第一 SAW器件的叉指換能器I和反射柵條3。第二 SAW器件的叉指換能器I和反射柵條3以及第二 SAW 器件的叉指換能器I和反射柵條3，相對於第一 SAW器件的叉指換能器I和反射柵條3旋轉-21°至29°的角度，也就是聲波傳播方向和X軸夾角的為-21°至29°，例如可以選擇旋轉分別20°或29°。實驗發現，由於切角每變化I'，溫度係數變化O. 00Γ0. Olppm/°C, 因此第二 SAW器件的叉指換能器I和反射柵條3以及第三SAW器件的叉指換能器I和反射柵條3，相對於第一 SAW器件的叉指換能器I和反射柵條3旋轉將形成不同的單調溫度係數差。
更進一步的，所述3個SAW器件5的壓電基片均採用Y切石英基片，歐拉角分別5為(O。，90。, 10° )，(0。，90。，20。)，(0。，90。，30。)，其溫度係數從 20ppm/°C 4 ppm/°C線性單調變化。因此任意兩個SAW器件的頻率差和溫度的關係是一一對應的，通過測量任意兩個SAW器件的頻率差，就可以得到測溫點的溫度。
作為本發明的第4個優選的實施例，所述的3個SAW器件5的壓電基片分別採用 ST-X石英，XY- La3Ga5SiO14,和YZ-LiNbO3 ;這三種材料在0_300°C範圍進行溫度傳感的時候，其溫度係數單調，且接近線性，如圖6所示。儘管不是線性，但是任意兩者之間的頻率差依然是隨溫度單調的，因此任意兩個SAW器件的頻率差和溫度的關係是一一對應的。同樣的原理，通過測量任意兩個SAW器件的頻率差，就可以得到測溫點的溫度。
本發明的聲表面波溫度傳感器，在基座上設置2個以上SAW器件，SAW器件採用不同的溫度係數的壓電基片，優選的是單調且近似線性溫度係數，通過兩個SAW器件之間的頻率差來計算聲表面波溫度傳感器探測的溫度，可以解決現有SAW傳感器同面臨的抗環境噪聲的問題；進一步載基座上設置3個以上溫度係數不同的SAW器件，當任意一個SAW器件的頻率點被幹擾的時候，仍然可以根據另外2個SAW器件的頻率差來計算聲表面波溫度傳感器探測到的溫度。
以上內容是對本發明的優選的實施例的說明，可以幫助本領域技術人員更充分地理解本發明的技術方案。但是，這些實施例僅僅是舉例說明，不能認定本發明的具體實施方式
僅限於這些實施例的說明。對本發明所屬技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明構思的前提下，還可以做出若干簡單推演和變換，都應當視為屬於本發明的保護範圍。
權利要求
1.聲表面波溫度傳感器，包括設置在基座上的兩個以上SAW器件，所述SAW器件分別包括壓電基片和設置在壓電基片上的叉指換能器和反射柵條，其特徵在於，所述任意兩個SAW 器件的壓電基片的溫度係數不同；所述SAW器件的壓電基片的頻率和溫度成單調或者線性的關係，任意兩個SAW器件的壓電基片的頻率差不為零，根據任意兩個SAW器件的壓電基片的頻率差得到聲表面波傳感器探測到的溫度。
2.根據權利要求I所述的聲表面波溫度傳感器，其特徵在於，所述SAW器件採用叉指換能器和反射柵條混合設置的諧振結構。
3.根據權利要求2所述的聲表面波溫度傳感器，其特徵在於，所述聲表面波溫度傳感器包括三個SAW器件，所述三個SAW器件的壓電基片分別是第一壓電基片、第二壓電基片和第三壓電基片；第一壓電基片設置為128° YX_LiNb03，其線性溫度係數約_90ppm/°C， 諧振頻率為第一頻率fl ;第二壓電基片設置為JCL石英，切角為0° ,42. 1°，39°，線性溫度係數約-22ppm/°C，諧振頻率為第二頻率f2 ;第三基片是LST石英，切角為11.4°， 39.4。，35。，線性溫度係數約-33ppm/°C，諧振頻率為第三頻率f3 ;|fl-f2|，| fl_f3 |，f 2-f 3 依次正比於 _68ppm/°C，_57ppm/°C, llppm/°C。
4.根據權利要求I所述的聲表面波溫度傳感器，其特徵在於，所述SAW器件採用叉指換能器和反射柵條分離設置的延遲線結構。
5.聲表面波溫度傳感器，包括設置在基座上的兩個以上SAW器件，其特徵在於，所述基座上設置壓電基片，所述壓電基片上設置多組叉指換能器和反射柵條，多組叉指換能器和反射柵條同所在的壓電基片構成SAW器件；所述多組SAW器件之間旋轉的角度為-21°至 29° ;切角每變化I'，溫度係數變化O. OOfO. 01ppm/°C，SAW器件的壓電基片之間的溫度係數不同；所述SAW器件的壓電基片的頻率-溫度成單調或者線性的關係，任意兩個SAW器件的壓電基片的頻率差不為0，根據任意兩個SAW器件的壓電基片的頻率差得到聲表面波傳感器探測到的溫度。
6.根據權利要求5所述的聲表面波溫度傳感器，其特徵在於，該壓電基片為 42. 75° Y-X石英基片。
7.根據權利要求5所述的聲表面波溫度傳感器，其特徵在於，該壓電基片為Y切石英基片。
8.根據權利要求5所述的聲表面波溫度傳感器，其特徵在於，所述SAW器件採用叉指換能器和反射柵條混合設置的諧振結構；或採用叉指換能器和反射柵條分離設置的延遲線結構。
9.根據權利要求8所述的聲表面波溫度傳感器，其特徵在於，所述SAW器件有三個，包括第一 SAW器件的叉指換能器和反射柵條、第二 SAW器件的叉指換能器和反射柵條和第三 SAW器件的叉指換能器和反射柵條；第二 SAW器件的叉指換能器和反射柵條以及第三SAW 器件的叉指換能器和反射柵條，相對於第一 SAW器件的叉指換能器和反射柵條旋轉-21° 至29。之間角度。
全文摘要
聲表面波溫度傳感器，包括設置在基座上的兩個以上SAW器件，所述SAW器件分別包括壓電基片和設置在壓電基片上的叉指換能器和反射柵條，所述任意兩個SAW器件的壓電基片的溫度係數不同；所述SAW器件的壓電基片的頻率和溫度成單調或者線性的關係，任意兩個SAW器件的壓電基片的頻率差不為零，根據任意兩個SAW器件的壓電基片的頻率差得到聲表面波傳感器探測到的溫度。本發明通過兩個SAW器件之間的頻率差來計算聲表面波溫度傳感器探測的溫度，可以解決現有SAW傳感器面臨的抗環境噪聲和電磁幹擾的問題。
文檔編號G01K11/26GK102928111SQ20121046320
公開日2013年2月13日 申請日期2012年11月17日 優先權日2012年11月17日
發明者李強, 李紅浪 申請人:中科微聲(天津)傳感技術有限公司