一種超高溫環境用無源無線聲表面波傳感系統應答器的製作方法

2023-05-03 06:59:51 1

本發明涉及聲學技術中的一種聲表面波傳感系統應答器，尤其是涉及一種超高溫環境用無源無線聲表面波傳感系統應答器。

背景技術：

作為其技術基礎的5g移動通信中，物聯網，即智能傳感網，是5g框架中最激動人心的應用，萬物互聯是信息社會的真正體現。智能傳感網，其基本特點是：無處不在的傳感節點，隨時感知環境變化並通過無線鏈路匯集到信息中心處理及告知用戶。

可無線聯網的傳感器是智能傳感網的基礎元件，其中無線遙測傳感器是在高溫、高輻射等惡劣環境中，或長期無人值守狀態時應用的必選。

此處我們所述的無線遙測傳感器，更明確的表述是指：通過無線電波作為傳感器探頭(下稱應答器)和主機(下稱閱讀器)間的連接媒質，實現遙測功能的系統。遙測傳感器系統由三部分組成：內含傳感探頭的應答器，主動收發無線電波的閱讀器，和聯網後臺。無線遙測應答器，按所需能源分為：有源(自帶如長效電池、太陽能板等電源)，半無源(採用接收閱讀器強力射頻電波的無線供電方式)以及無源三種，顯然無源應答器是最適用於在嚴酷環境，或長期無人值守狀態時應用。

能在高溫、高輻射等惡劣環境，或長期無人值守狀態中可靠工作的傳感器，是智能傳感網中不可或缺的，目前廣泛應用的ic傳感器，無法擔當此重任。為此近年來開發的基於雷達原理的聲表面波(surfaceacousticwave，saw)無源無線傳感器，不需外界電源，抗幹擾能力強，能在各種惡劣環境(例如高溫、強電磁幹擾和核輻射等)中可靠工作，是常用ic傳感器的補充，將在現代工業、農業、交通和環境保護等領域中發揮其獨特作用。

例如，2008年初全國電力系統因雪災造成的直接經濟損失約為400億元，佔全國雪災損失的22.3％。如果能採用saw無線溫度傳感器直接監測電力網架空輸電線溫度，並採取有力預防措施，就可大大減小這些損失。特別是2011年日本核電站事故，使人們認識到在惡劣環境中能正常工作的傳感器是多麼的重要，如果核電站布局了saw無線傳感器，隨時實時檢測危險區域溫度，就能使核電站運行有效和安全，推進未來核能源的廣泛應用。

現有技術的saw無線傳感器應答器，由saw傳感晶片、氣密性封裝和應答器天線三部分組成。saw傳感晶片是採用通用微電子技術在一壓電晶體基片上製作有叉指換能器、反射柵陣等傳感用金屬電極結構的無源晶片，利用壓電晶體的(逆)壓電效應，實現電磁波與聲表面波的能量轉換，完成電-聲-電的信號處理。氣密性封裝是聲表面波晶片的保護部件，同時實現晶片上叉指換能器與外部應答器天線的電氣連接，也支撐應答器天線，其性狀與使用環境密切相關。而與聲表面波傳感晶片上叉指換能器相連的應答器天線，是應答器與傳感無線電波溝通的門戶，用於收發聲表面波傳感系統應答器的激勵與傳感信號。

saw無線傳感器的工作原理是：傳感器的探頭(應答器)所處周圍環境的物理量、化學量和生物量變化，會引起其中saw傳感晶片電氣特性的偏移，此偏移藉助傳感晶片電-聲-電的能量轉換功能，對閱讀器激勵信號進行調製，產生傳感回波。通過檢測傳感回波，就能監測應答器所處周圍環境物理量、化學量和生物量等參量，達到無源無線遙測功能。

顯見聲表面波無線傳感器是接觸式傳感，其應答器必須放置在待測處，能在待測點惡劣環境中可靠工作。只要無線電波傳輸鏈路通暢，閱讀器和後臺的工作環境就可以自主選擇，限制較少。

高溫環境傳感應用對汽車、航空航天、能源和軍事等領域有極其重要作用，高溫環境用聲表面波傳感器的研製倍受重視。已經發現不少能在極高溫環境下正常工作的壓電晶體材料，如矽酸鎵鑭類單晶和鈣-稀土硼酸鹽單晶等，如表1所示。也開始研究能在超高溫環境下老化率低的耐高溫金屬電極系統，例如鉑、鎢等金屬及其合金。超高溫環境用聲表面波傳感晶片的技術正在成熟。

現有技術中，聲表面波晶片上叉指換能器與應答器天線的電氣連接，是通過氣密性封裝的內外電極實現的。在應答器製作中，需要採用焊接實現電氣連接的工序有：聲表面波傳感晶片上叉指換能器與氣密性封裝件內電極間的金絲焊接，以及氣密性封裝件外電極與應答器天線間的焊料焊接。特別是，為完成晶片金絲焊接，晶片壓焊部分必須採用粘結劑固定在氣密性封裝件內。

在目前，能在超高溫環境下可靠工作的粘結劑不多，焊料基本沒有，聲表面波晶片與應答器天線的電氣連接已成為研製超高溫環境用聲表面波傳感器的技術難點。

技術實現要素：

為推進超高溫聲表面波無源無線傳感器的發展，本發明提出一種超高溫環境用無源無線聲表面波傳感系統應答器的技術方案：

一種超高溫環境用無源無線聲表面波傳感系統應答器，由聲表面波傳感晶片和氣密性封裝件組成，本發明的主要特徵是：

聲表面波傳感晶片是採用通用微電子技術在一壓電晶體基片上製作有叉指換能器、反射柵陣等傳感用金屬電極結構的無源晶片。

將現今獨立的應答器天線集成在聲表面波傳感晶片上(下稱微型天線)。由於應答器天線集成在聲表面波傳感晶片上，被放置在氣密性封裝件內，因此，所用的氣密性封裝件必須儘量降低對射頻傳感信號的影響。

聲表面波傳感晶片放在氣密性封裝件內的方式，可以是不使用粘結劑，但機械位置有限制的不固定方式，例如應用在溫度傳感器中；也可是使用粘結劑的晶片部分固定方式，例如應變傳感器應用。

聲表面波傳感晶片上的微型天線，是介質基板金屬薄膜天線，在製作聲表面波傳感晶片上的傳感用金屬電極結構時，同時製作。

本技術方案中，聲表面波傳感晶片與應答器天線不需要電氣連接，徹底解決了超高溫環境下聲表面波傳感器製作的技術難點。這種超高溫環境用無源無線聲表面波傳感系統應答器的工作環境溫度，僅取決於封裝件和傳感晶片的耐高溫能力，目前技術即可實現1000度以上超高溫環境工作。

附圖說明

圖1諧振型聲表面波無源無線傳感系統框圖

圖2諧振型聲表面波無源無線傳感應答器實測回波

圖3延遲型聲表面波無源無線傳感系統框圖

圖4現有技術的諧振型聲表面波傳感晶片

圖5本發明：一種超高溫環境用無源無線聲表面波傳感系統應答器

圖6實施例1的諧振型聲表面波傳感晶片

圖7實施例2的諧振型聲表面波傳感晶片

圖8實施例3的諧振型聲表面波傳感晶片

表1壓電晶體工作溫度範圍

具體實施方式

一、聲表面波(surfaceacousticwave，saw)傳感器簡介

1.1saw器件特點

saw器件是在壓電晶片上製作的無源微型電子元件，它利用澱積在壓電晶片上的叉指換能器和反射柵陣等金屬薄膜結構，基於晶片的(逆)壓電效應，實現電磁波-聲表面波的能量相互轉換，產生、轉換和控制聲表面波，來完成穩頻、濾波、延遲和傳感等功能，已在雷達、通訊、音視頻、遙控、傳感等領域得到廣泛應用。

saw器件的能量轉換不涉及電子-空穴過程，外界電磁輻射不會對其產生影響，所以saw器件能在強電磁輻射環境中應用。

saw器件的基本特點是：

·抗輻射，耐高低溫，環境適應能力強，能在嚴酷環境中可靠工作；

·器件體積小，重量輕，可靠性高，採用微電子技術批量生產，一致性好；

·表面波在晶片表面傳播，容易控制其傳輸性能，實現信號處理和傳感功能；

·聲表面波機電換能過程沒有電載荷子參與，沒有能量轉換閾值，是無源器件。1.2saw傳感器

saw技術在信息敏感方面也表現出卓越的優勢，saw傳感器的工作原理是：器件所處周圍環境的物理量、化學量和生物量變化，會引起saw器件電氣特性的偏移，通過檢測這些偏移就能監測周圍環境物理量、化學量和生物量等參量。在個體識別(標籤)、物理、化學、生物傳感器系統中將有極大應用前景。

saw傳感器靈敏度高、性能穩定、且與半導體工藝兼容，主要特點有：

·表面波在晶片表面傳播，易受外界環境幹擾，有直接傳感功能；

·聲波傳輸表面加載敏感膜，容易對其表面波實施改造，實現化學生物傳感應用；

·叉指換能器有頻率選擇性，輸出信號準數位化；

saw傳感器的傳感機制主要有兩種：只利用壓電基片自身敏感性能的物理傳感器和附加外部敏感膜的化學生物傳感器。物理傳感器關鍵是敏感結構設計，而化學生物傳感器的關鍵是敏感膜的選擇和生長方法。

saw傳感器的應用方式可分為兩大類：有線傳感器和無線傳感器。

saw有線傳感器是指將saw傳感器作為探測電路的無源元件，例如振蕩電路的反饋延遲線，穩頻諧振器等。由於saw傳感器在環境參量的影響下其性能發生改變，導致探測電路的某個電參數隨之變化，而得到環境參數值。這類saw有線傳感器，已實用化多年。

saw無線傳感器是一個功能元件，在外界特定無線電信號激勵時，能無線發送回所處環境參量的傳感信息。saw器件本質是無源的，即不需要外界提供電源即可工作，據文獻報導，saw標籤與ic標籤相比，在同樣詢問信號功率時，工作距離要大三十倍左右。而且saw無線傳感器能在嚴酷環境下可靠工作，因此saw無線傳感器近年來極受重視。

1.3saw無線傳感器

如上述，saw無線傳感器得到重視的原因是它具有其他類型傳感器不具備的無線遙測功能，並能在惡劣環境下可靠工作。

一個saw器件中，至少利用了一個叉指換能器實現電-聲能量轉換。叉指換能器是一個澱積在壓電基片上、按一定規則交叉排列、形如兩手手指交叉狀的金屬條陣薄膜結構，有兩個不同極性匯流外引電極，具有頻率選擇性和直連天線收發無線電波的能力。高頻叉指換能器直接連接天線後，saw晶片就能接收詢問共振電磁波，並發回攜帶傳感信息的電磁回波，達到無線傳感功能。

saw無線傳感器系統是基於雷達原理的反向散射射頻識別方式工作的，它由三部分構成：閱讀器、應答器和信息處理(含資料庫)，圖1為諧振型聲表面波無源無線傳感系統框圖，圖3為延遲型聲表面波無源無線傳感系統框圖。應答器就是一個只由saw無線傳感晶片、應答器天線和適應傳感環境用氣密性外殼組成的組件，它是具有可控反射回波特性的人造反射目標。閱讀器由激勵脈衝產生發射部件、回波信號接收處理部件、後臺接口、控制電路和收發天線組成。

除非特別說明，在不會產生誤解時，本說明書將把「無線傳感器」中「無線」兩字省略。

傳感器系統的工作原理如下：閱讀器主動發射詢問脈衝，被應答器天線接收後，饋電到聲表面波傳感晶片的叉指換能器。當詢問脈衝參數與叉指換能器參數相近時，由於(逆)壓電效應，會產生高頻回波，並由應答器天線發回到閱讀器，圖2為諧振型應答器的實測回波特性，圖3中示波器圖為延遲型應答器的實測回波特性。由於回波特性(頻率、相位、延時等)易受傳感晶片所處環境影響，故被閱讀器接收的回波已攜帶有應答器所處環境特徵，例如溫度、壓力等。所以處理回波特性，即可達到實時遙測目的。

按應答器檢測原理又分為兩種類型：諧振型和延遲型。

諧振型saw傳感器系統，應答器中的saw傳感晶片封裝在氣密性封裝外殼中，與應答器天線電氣連接。

圖4為現有技術的諧振型saw傳感系統應答器中的聲表面波傳感晶片。saw傳感元件是一個saw諧振器，由壓電基片上叉指換能器和緊靠的同頻反射柵陣構成，是一個採用聲電能量轉換的諧振結構。它利用了saw諧振器的諧振頻率會受外界環境影響發生變化的特性，若測出處於待測環境處saw諧振器諧振頻率的變化，即可推測出環境參量的變化，實現無線傳感功能。

諧振型saw傳感器，多用於物理傳感器，例如溫度傳感器和應變傳感器。選擇具有適當溫度特性的壓電晶體某切向基片製作傳感晶片，就是一個實用的溫度傳感器。選擇具有適當應變特性但溫度特性極小的壓電晶體某切向基片製作傳感晶片，並設計氣密性封裝件內部結構將外界應力加載於基片上，就構成一個實用的應變傳感器。

如圖3所示，延遲型傳感器應答器的聲表面波傳感晶片，由叉指換能器和多個距離較遠的短反射柵陣組成。外界環境應力變化會改變各反射信號的延時，由此獲得傳感信息。由於採用了延遲反射結構，基於saw傳播速度比電磁波低得多的特點，使反射回波比閱讀器激勵信號延時(起始回波延遲時間)一微秒以上，避免了激勵信號和環境近距幹擾等對有效信息回波的影響，比較適合有強電磁幹擾的應用環境。

對於物理型傳感器，設計適當的基片敏感結構，使回波時延參數受待測環境應力影響穩定且極大。而對於化學生物型傳感器，在壓電基片聲波脈衝傳輸路徑位置澱積一敏感

膜，通過敏感膜對待測化學生物量的敏感性，使敏感膜性質發生變化，進而影響聲波脈衝傳輸性能，導致回波脈衝串間時延發生可檢測變化，即可達到傳感目的。

1.4超高溫環境用saw無線傳感器

saw無線傳感器，應用在超高溫環境下，沒有原理性障礙，有關技術進展說明如下。1.4.1壓電單晶

現在常用於saw傳感器的壓電晶體有石英、鈮酸鋰和鉭酸鋰。石英，電阻率高，但350c以上損耗加大、573c相變。鈮酸鋰、鉭酸鋰晶體的溫度係數較大，適合製作需要更精確測溫應用，但超過300c會開始分解，只能使用在300度以下環境中。

現已發現不少壓電單晶能用於超高溫環境，如下表1所示。

特別是鈣-稀土硼酸鹽化合物，如釔鈣氧硼單晶yca4o(bo3)3(ycob)，電阻率高、壓電性能穩定、1450度熔點下不相變。

已有報導，採用ycob製作的傳感器，至少可工作在800℃以上，主要限制是器件封裝。

1.4.2氣密性封裝

聲表面波器件，是表面敏感的，為正常工作，必須放置在氣密性外殼內。超高溫環境下的氣密性封裝，雖有技術難度，但已有不少先進技術能達到要求，例如htcc、ltcc等。

1.4.3天線

目前應答器天線，各式各樣，與應用環境與設計選擇有關。

如前述，聲表面波晶片上叉指換能器與應答器天線的電氣連接，是通過氣密性封裝的內外電極實現的，已成為研製超高溫環境用聲表面波傳感器的難點。

二、本發明的技術方案

本技術方案，將現今獨立的應答器天線直接集成在聲表面波傳感晶片上(下稱微型天線)，徹底解決了前述超高溫環境下聲表面波傳感器製作的技術難關。

聲表面波傳感晶片放在氣密性封裝件內的方式，可以是不使用粘結劑，但機械位置有限制的不固定方式，例如應用在溫度傳感器中；也可是使用粘結劑的晶片部分固定方式，例如應變傳感器應用。

由於應答器天線集成在聲表面波傳感晶片上，被放置在氣密性封裝件內，因此，所用的氣密性封裝件必須儘量降低對射頻傳感信號的影響。

聲表面波傳感晶片上的微型天線，是介質基板金屬薄膜天線，在製作聲表面波傳感晶片時同時製作。

三、具體實施例

不失一般性，我們以最常採用的諧振型溫度傳感器為例，說明本發明具體實施方式。

基於傳感器應用場景，採用的壓電基片材料可以不同，但其晶片拓撲是一樣的：一個或多個聲表面波諧振器，並聯到晶片內置微型天線。

晶片設計包括兩部分：聲表面波諧振器和微型天線。

製作傳感用聲表面波諧振器，如：壓電晶體與切向、電極金屬系統、版圖設計和工藝等，對本專業人士是公開已知技術。

由於集成在壓電基片上的微型天線，是介質基板金屬薄膜天線，可採用hfss等微波設計軟體設計，這對專業人士也是公開已知技術。不失一般性，實施例中以半波偶極子天線為代表。

超高溫環境用氣密性封裝件，已有較成熟的技術和產品，不過實用環境和小型化也是技術推動的動力。

圖5為以下實施例的基本結構，聲表面波傳感晶片直接放在氣密性封裝件內，封裝件內部有限位結構，使晶片在封裝件內不能自由移動，但也不會對其產生外部應力影響其電性能。

以下結合附圖，以聲表面波傳感晶片不同方式，對本發明作進一步詳細說明。

實施例1，聲表面波傳感晶片上集成的微型天線與聲表面波傳感換能器在晶片同一表面上，如圖6所示。所述工藝，均是標準微電子工藝技術，一維專業人士所熟知。

實施例2，聲表面波傳感晶片上集成的微型天線與聲表面波傳感換能器分別在晶片正反表面，兩者採用通孔或邊壁並連。圖7所示的傳感晶片，正面為一聲表面波諧振器，背面為一半波偶極子天線，兩者採用通孔電氣連接。所述工藝，均是標準微電子工藝技術，一維專業人士所熟知。

實施例3，聲表面波傳感晶片上集成有兩個微型天線，一個微型天線與聲表面波傳感換能器在晶片同一表面，而另一個微型天線在晶片反表面，兩個天線採用通孔或邊壁並聯或串聯；兩個天線組合後與聲表面波傳感換能器並聯。

圖8所示的傳感晶片，正面的聲表面波諧振器集成有一半波偶極子天線，背面也製作了一半波偶極子天線，兩者採用通孔電氣並聯。所述工藝，均是標準微電子工藝技術，一維專業人士所熟知。

以上實施例，均以諧振型聲表面波傳感晶片為例，當然也可用於延遲型聲表面波傳感晶片，因為這是本專業人士熟知的技術，故不再舉例說明。

雖然本發明已以較佳實施例公開如上，但附圖和實施例並不是用來限定本發明，任何熟悉此技藝者，在不脫離本發明之精神和範圍內，自當可作各種變化或潤飾，但同樣在本發明的保護範圍之內。因此本發明的保護範圍應當以本申請的權利要求書所界定的為準。