用於高壓環境的電聲傳感器的製作方法

2024-02-25 00:10:15

專利名稱：：用於高壓環境的電聲傳感器的製作方法
技術領域：
：本發明總地涉及電聲傳感器，並且更具體地，涉及能夠工作在高壓環境中的電聲傳感器。
背景技術：
：壓電傳感器是公知的。它們被用於檢測材料屬性(諸如粘度和密度)，用於檢査環境中某些材料的存在，用於測量流體物質的純度等等。已知用於聲學傳感的構造(structure)涵蓋簡單的晶體諧振器、晶體濾波器、聲板波器件、蘭姆波(Lambwave)器件和其他器件。簡言之，這些設備包括諸如石英、蘭克賽(langasite)或鈮酸鋰的壓電材料襯底，或者在非壓電襯底上的諸如氮化鋁、氧化鋅或硫化鎘的壓電材料薄膜。所述襯底具有至少一個高度拋光的有源(active)壓電錶面區域。形成在該表面上的是輸入和輸出換能器(transducer)，用於在襯底內將輸入電能轉換為聲能以及將所述聲能重新轉換為電輸出信號的目的。這些換能器可以由平行板(體波(bulkwave))換能器或周期性叉指型(表面生成波)換能器構成。注意到單個換能器可以既充當輸入換能器又充當輸出換能器。前述的每一種傳感器可以被設計為在完全浸沒在流體中時進行工作。然而，敏感的電子裝置則最少要經受噪聲信號和讀取誤差，並且極端來說要經受腐蝕或者甚至爆炸性危險。電子裝置表面的鈍化是公知的，並且在一些受限應用中是適合的，如針對勒夫波(LoveWave)和表面橫波(STW)傳感器所看到的，並且這些例如在R丄.Baer、C.A.Flory、M.Tom-Moy和D.S.Solomon的"STWChemicalSensors(STW化學傳感器)"(Proc.1992UltrasonicsSymp.，第293-298頁(1991年))中描述。然而，鈍化是不完全的，並且電路的電氣部件仍舊暴露給電容性負載和噪聲注入(noiseinjection)。此外，大多數鈍化方法需要使用與單晶材料相比具有差的聲學特性的材料。最後，對於很多液相測量來說，這些鈍化的STW傳感器顯示出不期望的高剪切率(shearrate)。儘管這樣的傳感器可能解決很多傳感器應用問題，但是例如在產油環境、尤其是井下環境中測量流體時，它們並非是理想的。在多數應用中，與換能器向對的表面與正被測量的流體直接或間接接觸，並且作為到其或來自其的聲能的界面(interface)。除了界面功能外，壓電材料在流體和包含傳感器的電氣部件的腔之間形成保護膜(membrane)。由於壓電材料後面的體積(volume)通常未被加壓到與流體相同的水平，所以壓電材料暴露給流體和腔內壓力的壓力差。因此，有限的材料強度限制傳感器所可以暴露的工作壓力。即使所述材料的強度足以耐受所述壓力，對具有膜彎曲的傳感器(sensorofmembraneflexure)的非線性效應也將嚴重地影響傳感器特性。另一方面，很多
技術領域：
可以受益於以對壓力變化具有低敏感度的方式或者在高壓力水平測量流體。這些技術的例子以非限制性實施例的方式包括燃氣生產、油井和油管、液壓系統、注模裝備、用於檢查生物和化學物質的反恐檢查系統，等等。因此，在產業中對於這樣的電聲傳感器存在長期感覺到並且至今未解決的需求，所述電聲傳感器能夠以對壓力變化具有低敏感度的方式工作，和/或能夠工作在高周圍壓力的環境中。本發明涉及對該需求的解決方案。
發明內容因此，本發明的目標在於提供一種傳感器，其中探測器(probe)可以被浸沒以經歷等壓壓力。這樣的傳感器將經歷僅僅因為壓電材料的非線性彈性常數而非更突出的壓電板的撓曲所產生的大大降低的壓力效應。此外，在本發明的某些方面，目標在於保護傳感器電結構免受潛在地可能腐蝕性或危害性的被測流體的影響，即使當所述流體處於高壓時。進一步的目標在於保護所述電結構而無需採用如在檢測環境和低壓腔之間的隔膜(diaphragm)的傳感器元件。為此，提供了用於壓電傳感器的襯底，所述襯底由兩種基本上等同的襯底的複合物構成。所述複合襯底提供自鈍化探測器，其中有源電連接和壓電傳感器的電極位於複合襯底的中線或靠近所述中線，並且外表面或者接地或者在電氣上是無源的。本領域技術人員將認識到術語電極可以指地電極、換能器(尤其是在主動驅動或被驅動電極的情況下)，或者在壓電晶體中產生或反射擾動(perturbation)的其他結構。因此，在本發明的一個方面，提供了一種複合聲波器件(AWD)，包括第一和第二壓電板，每塊所述壓電板具有內表面和外表面，其中所述板的所述內表面呈面對面取向。至少一個第一電極設置在所述第一和第二壓電板各自的內表面之間，並且所述複合聲波器件包括至少一個返回電極(returnelectrode)。在某些實施方案中，所述返回電極設置在所述外表面的至少一個上。在更優選的實施方案中，除了所述返回電極之外，額外的第二電極還被設置在所述第一和第二壓電板之間，然而在一些實施方案中所述第二電極為所述返回電極。優選地，所述第一電極和所述第二電極每個與所述返回電極形成各自的平行板諧振器，其中所述第一和第二電極被設置為足夠接近，以允許在所述第一和第二諧振器之間的聲能傳遞。所述第一電極或第二電極以及可選的任何數量的其他電極可以為單板電極或叉指型電極。在本發明的一個優選實施方案中，所述襯底被這樣選擇並且所述電極被這樣構造，即響應於在所述電極間施加的電荷在所述壓電板中造成位移，並且其中所述的位移基本上平行於所述外表面。這樣的襯底選擇、電極構造以及所得的傳感器類似於公知的厚度剪切模傳感器(thicknessshearmodesensor)。可選地，所述AWD還包括設置在所述外表面的至少一個的至少一部分上的至少一個覆層。將注意到，可以存在多個塗覆層，並且這裡使用的術語"覆層(coating)"是將這樣的複數個覆層指代為單數個覆層。所述覆層可以是耐磨材料、化學耐受性材料、類金剛石碳、對被測變量敏感的覆層(例如對被測環境中特定化學物質的存在或濃度敏感的覆層)，或者覆層的任何期望的組合。在優選的實施方案中，所述第一和第二壓電板具有基本上類似的尺寸。更優選地，所述第一和第二壓電板具有基本上類似的晶體取向。儘管在本發明的最優選的實施方案中，所述第一和/或第二換能器(電極)被形成為單板電極，但是還預期可以形成為叉指型換能器。在一些實施方案中，為了獲得期望的頻率，所述板之一併且優選兩塊板在所述外表面中配備有凹陷。在本發明的某些優選實施方案中，根據期望，上述的任何AWD可以在所述內表面的至少一個中配備有凹陷。所述凹陷界定在所述第一和第二板之間的腔，從而形成所述傳感器的對壓力敏感的區。在本發明的再一方面，提供了一種傳感器，所述傳感器包括類似於上述任一的AWD的複合AWD。此外，電路至少在所述第一電極和所述返回電極之間耦合電能。明顯，還包括測量所述電能的至少一個參數的測量電路是期望的，但是這樣的電路可以分開實現。本發明的該方面的最優選的實施方案包括一裝配螺栓。優選地，所述電路或其一部分是嵌入在所述螺栓中的，例如在所述螺栓的底部(base),同時AWD傳感器元件從所述底部延伸到被測物質中。在具有分開的輸入和輸出換能器的實施方案中，所述第一電極充當輸入換能器，用來將電信號引入到所述AWD，而所述第二電極充當輸出換能器，用來從所述AWD提取電信號。典型地，所述電路包括耦合到所述輸入換能器的信號源，用來將輸入信號耦合到所述輸入換能器；以及測量電路，用來測量所述輸入信號與提取的信號的至少一種關係。測得的參數可以包括AWD的可以以電氣方式監控的任何屬性中的一種或更多種，例如，以實施例的方式，包括所述輸入和輸出信號的相對相位、輸入和輸出信號的單獨或相對幅度、維持恆定相移的信號的頻率、通過所述傳感器的脈衝信號的延遲時間、換能器的阻抗，或它們的任何期望組合。在本發明的再一個實施方案中，提供了一種測量物質的至少一種物理參數而不受高壓幹擾的方法，所述方法包括以下步驟將任何如上描述的AWD或這樣的AWD的一部分設置為與所述物質接觸；將電信號耦合到所述第一電極；以及測量從所述AWD提取的所述電信號。其中所述提取的信號與所述耦合的信號不同，並且其中所述差異代表所述傳感器的測得的參數。己知所述參數受到物理或化學被測變量的影響。優選地，所述測量步驟包括測量所述提取的信號和所述耦合的信號之間的關係的參數，並且所述參數選自由頻率、插入損耗、相位、延遲時間組成的組或其組合。在最優選的實施方案中，所述要測量的物理參數選自包括粘度、密度、溫度、壓力、化學濃度的組或其組合。在最優選的實施方案中，如所描述的，AWD有源電極形成第一工作傳感器(叩erativesensor)。此外，所述AWD還包括壓力傳感器，所述壓力傳感器在至少一個所述內表面中包括凹陷，並且最優選地是在兩個內表面中包括等同的凹陷。所述凹陷界定在所述第一和第二內表面之間的腔。對在所述板具有所述凹陷的區域上的壓力效應敏感的傳感元件被設置在所述腔內。所述傳感元件可以是應變片，或者更優選地是至少一個換能器。最優選的實施方案需要在兩個內表面中的具有類似尺寸並且取向相反的凹陷，從而所述第一和第二凹陷的組合限定一腔，並且還包括沉積在所述第一凹陷的第一輸入換能器和第一輸出換能器；以及沉積在所述第二凹陷的第二輸入換能器和第二輸出換能器。優選地，上述一個或多個方法還包括將所述第一工作傳感器的所述輸出與從所述壓力傳感器獲得的輸出進行比較的步驟。參照所包括的描繪優選實施方案細節的附圖，將更好地理解上面的概述以及下面的詳細描述。然而，應該注意，本發明不限於附圖中所示出的精確方案，並且附圖僅僅作為實施例被提供。圖1描繪本發明的基本實施方案的橫截面視圖。圖2描繪本發明最優選實施方案的簡化的正視橫截面視圖。圖3a描繪電極和電連接的優選實施方案。圖3b描繪電極和電連接的另一優選實施方案。圖4描繪示出電連接的優選實施方案的邊緣視圖。圖5描繪附著到螺栓的傳感器，所述螺栓代表最優選的安裝方法。圖6描繪被蝕刻的膜的實施方案。圖7描繪組合的壓力及粘度傳感器的實施方案。圖8描繪組合傳感器優選實施方案，在該實施方案中實現了互補的壓敏和非壓敏結構。圖9描繪耦合到傳感器元件的優選電子電路的簡化圖。圖io是作為振蕩器上的一部分的用於傳感器的簡單驅動電路。具體實施例方式術語複合襯底表示至少兩個具有基本上類似的可激勵(excitable)襯底的區域，所述可激勵襯底通常是壓電材料，但是還可以是磁致伸縮材料、電致伸縮材料、壓磁材料、鐵電材料或鐵磁材料，所有上述材料被一般性地描述為可激勵襯底，並且為了清楚而以等同的方式被指代為壓電材料。本領域技術人員將認識到，對於壓電效應和壓電襯底或材料的引用是可通用的，並且意圖包括其他這樣的方法，電信號可以通過所述方法在襯底中引起聲波或超聲波，反之亦然。在說明書和所附權利要求書中，所述區域統稱為"壓電板"。應該清楚，根據以期望的方式影響傳感器的期望的特性，該術語指代任何可激勵襯底的各種形狀和橫截面。此外，注意到本文中描述的結構和解決方案可應用於測量流體的至少一項主要特性以及可選的多項特性，所述可選的多項特性可以被稱為次要特性，但並非一個參數相比另一個參數有特定重要性。因此，通過非限制性實施例的方式，主要特性可以是粘度，而次要特性可以是例如如在本人的PCT專利申請PCT/US2004/012546中所公開的密度，或者是如美國專利申請10/958,896中所公開的剪切率。在本發明最基本的方面，本發明包括由兩個如上描述的任何可激勵材料的壓電板構成的複合襯底。所述兩個壓電板優選具有類似的尺寸，並且具有類似的材料、晶體取向等等。兩個壓電板的交界區域具有至少一個並且優選為多個有源電極。下面以非限制實施例的方式描述幾種電極排布。結合劑被用來將兩個壓電板耦合在一起，並且充當使電極與周圍環境隔離的密封。因為在壓電板之間不需要腔，並且因為兩個板均暴露給類似的壓力，所以與非對稱壓力相關聯的板彎曲應力被有效地抵消。因此，儘管壓電材料可能壓縮，但是直到達到使所述材料破裂的壓力時所述材料才會彎曲或折斷。額外的優點源自於這樣的事實，即傳感器具有兩倍有效換能器面積，提供較低的換能器阻抗以及較大的壓電材料質量，以及以給定聲能水平提供較低的等效剪切率。利用當前已知技術，這些改進將需要使電極面積加倍，以及總傳感器封裝體的大小及重量的相應增加。上述每一因素均允許以最小的體積改變來構造較高質量的傳感器。在本發明最基本的實施方案中，本發明包括可激勵襯底的兩個類似尺寸的壓電板(即區域)10、15，每一個壓電板具有至少一個基本上平坦和拋光的表面。所述平坦表面被稱為"內表面"，並且彼此面對。設置在平坦表面之間的是有源電極5。兩個壓電板以具有相容物理特性和良好聲學特性的結合材料70結合在一起。優選地，所述結合材料是低熔點硼矽玻璃，但是本領域技術人員將認識到其他適當的材料，例如在低頻時使用某些環氧材料、熱塑性材料和聚醯亞胺材料，在較高頻時使用矽垸和矽氧烷晶片結合方法，等等。接地電極20和25被設置在板的外表面上。注意，叉指型換能器可以被用於替換單個電極5，在這種情況下接地電極是可選的，並且儘管本發明和權利要求書延伸到這樣的實施方案，該實施方案未被示出，因為對於熟練技術人員來說這是清楚的。圖2代表本發明的更優選的技術方案。與圖1中所描繪的較簡單的實施方案類似，兩個壓電板10和15形成複合襯底。輸入換能器30和輸出換能器40被設置在兩個壓電板之間。如在圖3a中看到的，最優選的實施方案針對每個換能器使用單個電極。圖3b示出使用叉指型換能器的可替換實施方案。如果期望的話，除了換能器30和40的有源電極之外，居於兩個換能器之間的區域50可以包含居間柵(intermediategrating)，例如，如本領域技術已知的非有源電極。優選地，可選的地電極20和25設置在壓電板的外表面上。如通過示意性的波圖示31和32可以看到的，輸入換能器30以對稱、類似於聲學鏡像的方式將能量耦合到上壓電板10和下壓電板15兩者，所述能量如示意性的波圖示41和42所示那樣傳播到耦合的輸出換能器40。優選地，輸入和輸出換能器被設置得足夠接近以實現換能器之間的聲耦合36、37。最優選地，換能器之間的間距被選擇為建立一多極諧振器。圖3a中所示結構適合於如授予本發明人的美國專利6,033,852中所公開的所謂的單片式壓電傳感器。圖3b中所示結構適合於基於例如聲板波、勒夫波、蘭姆波(Lambwave)、SAW等等的叉指換能器(IDT)的AWD。在圖3a中所示的最優選的實施方案中，簡單的平板電極被分別用於輸入和輸出換能器30和40。兩個電極均被沉積在壓電板10上。在圖3b中所示的實施方案中，換能器30和40包括沉積在至少一個壓電板的內表面上的多個周期性電極。圖3b還描繪居間柵35。在圖3a和圖3b兩者中，饋送線(feedwire)65從換能器延伸到壓電板的邊緣，其中它們包在壓電板邊緣上以形成如圖4中所描繪的接觸盤75。圖4是傳感器的邊緣的側視圖，示出兩個壓電板10和15。接觸體75電連接到換能器，並且形成用於提供到傳感器的連接的方便的表面。僅連同對應的地接觸盤80示出可選的地電極之一20。傳感器元件的最優選的實施方案針對每個換能器30和40採用單個金屬電極，其中換能器參考包圍著的接地面，並且形成平行板諧振器。每個換能器建立平行板厚度模諧振(parallelplatethicknessmoderesonance)，其頻率由壓電板的總厚度以及壓電板的相對厚度和因此有源金屬區域的位置決定，其中壓電板的總厚度是聲波波長的期望倍數，所述頻率或多或少對應於與所述期望倍數相關聯的電位峰值。最優選地，這是期望的，即所述倍數是l，並且壓電板具有實質上(essentially)相等的厚度。如虛線36和37所示，對於換能器30和40之間的間隔的恰當選擇允許加入到換能器30中的能量耦合到由換能器40形成的諧振器中，反之亦然。所得的耦合的諧振器濾波器提供優於其他傳感器的很多優點，當根據本發明進行構建時尤其如此。這些優點包括簡單的金屬圖形化、在結合材料區域極低的聲能水平，以及對傳感器剪切率的優良控制。因為到目前為止這些結構應用於液相檢測既受壓力影響的限制又受到過度換能器阻抗的限制，所以本發明是尤其有益的，因為本發明補償壓力影響，並且使換能器阻抗減半。最優選的實施方案需要將傳感器元件裝配到諸如螺栓85的載體，從而形成容易使用的傳感器組件。圖5描繪這樣的組件的簡化實施方案。在螺栓的螺紋部分90或者靠近螺紋部分90處，傳感器在其邊緣耦合到該螺栓。提供電接觸來使接觸盤75和80匹配。施加高壓密封試劑，即用於在螺栓上支撐傳感器元件，又用於隔離與環境的接觸。所述密封試劑可以具有耐受所述壓力和周圍環境所需的任何材料和任何厚度。在一個優選實施方案中，陶瓷材料被用作密封劑。硼鈦酸鹽玻璃、環氧樹脂、矽酮和聚醯亞胺，以及其等同物是本領域技術人員將認識到的作為適當密封劑的其他實施例。儘管裝配了螺栓的傳感器的電接觸體可以被饋送到與所述傳感器分開的支持電子裝置，但是在最優選的實施方案中，支持電子電路100被嵌入到傳感器組件中，並且僅從該組件發送經調節和歸一化的數據。在優選的實施方案中，所述電路被置於所述螺栓內。以非限定性實施例的形式，所述電路可以包括激勵和測量聲波的射頻電路，將射頻信號轉換為傳感器響應的頻率計數電路、功率檢測電路和/或相位測量電路，模數接口，以及具有到外部控制系統的適當數字接口的微處理器，以及這些和其他期望電路的任何組合。在最優選的實施方案中，傳感器元件被裝配到包括低溫共燒陶瓷(LowTemperatureCo-firedCeramic,LTCC)的裝配件93，或安裝到類似的混合電路93，所述混合電路93包括電子電路，並且結合到具有接觸盤的傳感器邊緣。所述裝配件通過任何期望的方法耦合到螺栓，所述方法例如加工螺紋、焊接等等。在這樣的實施方案中，高壓密封件95優選是形成為裝配件93的一部分。這是期望但非強制性的，即兩個壓電板之間的結合劑顯著地比有效壓電板厚度薄。理想的結合材料具有高質量的聲學特性，緊固地粘附到所有特徵以避免空隙，並且與板材料是熱相容的，或者具有足夠的塑性，以允許熱膨脹。因為它位於壓電板之間，它還對換能器和板之間傳遞的能量具有最小的影響。然而，本領域技術人員將認識到，壓電板可以相互以任何間距定位，只要兩個板之間的間隔用抵消壓力效應的結合劑或其他材料填充，並且換能器被定位在駐波的等效最大值處。因此，如果期望的話，可以在壓電板之間設置居間層。明顯，在這樣的實施方案中，針對每個壓電板將需要單獨的換能器。製作該器件的優選方法包括將晶體切片為平行晶片。拋光每個晶片的至少一個表面，並且更優選地拋光每個表面。如果期望一個或更多個非平坦的表面，則將期望的形狀蝕刻或以其他方式形成到表面上。非限制性實施例包括帶紋理的表面以形成用於密度測量的集液器(liquidtrap)，用於增進對聲波的能量捕獲的圓柱形、橢圓形或圓形輪廓，以及蝕刻的薄膜。在圖6所描繪的一個優選實施方案中，描繪了蝕刻的膜構造，其中在外面的壓電板面上形成凹陷105以便達到期望的高的工作頻率以及質量敏感度(masssensitivity)，同時維持較厚的、更堅固的支撐區域。一旦壓電板表面具有期望的形式和光滑度，可選地金屬化將成為所有壓電板的外部傳感器表面的一側。有源電極沉積在所述板的至少一半的相反表面上。還為壓電板邊緣建立電連接。每對結合在一起的壓電板以及傳感器元件裝配到裝配件93上。顯然，其他方法是可用的。一種這樣的方法包括在每個壓電板的內側上沉積電極並且結合，可以根據期望允許或不允許兩個電極組之間的接觸。本發明的主要優點在於避免源自現有技術所提供的解決方案中在外壓電板和內壓電板之間的壓力差的板彎曲應變(strain)。然而，這也是重要的，即認識到在有些情況下可以以有利的方式利用該壓力差。因此，例如如圖7中所描繪的，可以在兩個壓電板之間的傳感器的一單獨區段(section)配備一具有謹慎選擇的尺寸的腔110。諸如MEMS、應變片(straingage)或優選叉指型換能器120的應力傳感器沉積在該腔內，並且被用於測量直接與正被測量的介質的壓力相關的彎曲應變。由此，除了對主要測量參數的測量之外，傳感器提供對壓力的組合測量。圖8描繪組合被測變量(measurand)傳感器的優選實施方案，其中被測變量之一是壓力。它實質上包括兩個定位在壓電板的不同部分的互補傳感器。第一傳感器150基本上如在上面任一個實施例中所描述的那樣形成，並且用於測量任何期望的一個或多個被測變量。如上所描述的，傳感器150配備有在壓電板的外側的凹陷105。互補的第二傳感器160被形成為具有被蝕刻在相反(內)壓電板表面上的類似凹陷106，從而當壓電板內表面互相面對時形成腔IIO。所述兩個傳感器具有類似的總厚度，並且在它們各自的有源區域具有類似的阻抗。所述兩個傳感器可以採用任何期望的換能器類型。優選實施方案針對每個輸入換能器30和130、輸出換能器40和140使用單電極換能器。優選地，每個壓電板IO和15具有類似的換能器排布，所以如果針對第一傳感器150使用兩個換能器，則在第二傳感器160中分別在每個壓電板上使用兩個換能器130和140。因為第一和第二傳感器150和160具有類似的阻抗、質量、頻率和敏感度，它們在不存在壓力的情況下良好地匹配。由於第一傳感器被設計為對壓力具有非常低的敏感度，而第二傳感器是使用已知引起壓力敏感性的內腔110來設計的，所以第一和第二傳感器的組合形成差分對，允許在僅使用一個壓電結構的同時對壓力效應的精確測量。此外，所測得的壓力可以被用於提供對壓力不敏感的第一傳感器中任何殘餘的壓力效應的校正，允許第一傳感器部分的一個或多個被測變量的更精確的測量。還可選地，可以在傳感器的外表面或其部分施塗被共同稱作覆層的一個或更多個塗敷層。這樣的覆層55和60可以提供期望的特性，例如防止被測物質的粘附、抗腐蝕、提供抗化學性，等等。在優選實施方案中，這樣的覆層是通過沉積類金剛石碳、氮化硼、氮氧化矽鋁或類似材料沉積在探測器上來實現的。在最優選的實施方案中，氟化類金剛石碳層沉積在難熔金屬接地面之上。可選地，可以調適探測器以通過無論直接或間接地沉積對一物質敏感的薄膜(優選地是作為在襯底上的覆層55、60的最外層)來檢查特定物質。對物質敏感的薄膜可以是聚合物、生化物質、金屬氧化物或金屬薄膜，或其他以化學方式被構建為俘獲特定分子或分子團的材料。當這些分子被捕獲時，所述薄膜的物理屬性(例如質量、剛性、粘度或導電性)的變化導致信號傳播特性的變化，可以對此進行測量來檢查這些分子的存在。這樣的結構使得傳感器容易地應用到對更少量的生化物質的檢査中，其中所述檢查是通過使用酶、抗體、抗原或核酸分子作為覆層來進行的。還預期針對痕量溶解的金屬在金屬薄膜上使用電化學方法。這樣的傳感器包括可以連接到任何電位並且被用作電化學電池的工作電極的外部導體。本領域技術人員將知道很多其他可以應用的化學選擇性覆層和從這樣的組合可能產生的化學選擇性傳感器。通過本發明的不同方面的教導，本領域技術人員將有能力選擇壓電材料、取向(orientation)、器件幾何布局和對應的換能器來達到諸如能量水平的各種物理參數、針對期望的被測變量的最好配合、實現最優傳感器特性，等等，並且這些僅僅是技術選擇的問題。類似地，對恰當的支持電路和儀器裝備的選擇是技術選擇的問題以最好地配合期望的終端結果，並且將根據不同實施方案而大大不同，但是這對本領域技術人員來說是清楚的。圖9描繪耦合到傳感器元件的優選電子電路的簡化圖。在優選實施方案中使用兩個換能器結構，提供不同的輸入和輸出信號。信號源900被施加到輸入換能器30，並且信號檢測器910監控輸出換能器40。數據轉換器920和930分別將輸出換能器和輸入換能器的信號轉換為CPU940可以解釋的信號。CPU比較所述信號，並且其關係被解釋為傳感器的被測變量。CPU通過數字總線950傳輸測量結果。在具有單個換能器的AWD的情況下，輸出信號是輸入信號的反射部分。可以使用阻抗分析器比較這些信號，使用定向耦合器分離這些信號，或者使用AWD間接地監控這些信號，以控制考畢茲(Collpitts)、皮爾斯(Pierce)或類似配置的基於阻抗的振蕩器。本領域技術人員將清楚這些測量方法。如圖10中所看到的，傳感器組件電路的最優選實施方案使用傳感器元件作為環路振蕩器中的一系列反饋元件。所述振蕩器包括作為自然晶體的傳感器，以及耦合在輸入和輸出換能器之間的放大器970。所述振蕩器起到這樣的作用，即測量輸出信號、施加作為輸出信號的放大的複製信號的輸入信號，並且連續地評估不同信號之間預選的相位和幅度關係。這樣的振蕩器在反饋環路具有360。相移的的倍數的頻率上自發地創建信號。確定該信號的幅度，從而傳感器的插入損耗以及放大器的飽和增益處於平衡。通過監控傳感器的插入損耗和/或在自發振蕩點的信號頻率來確定被測變量。雖然已經描述了目前被認為是本發明的優選的實施方案，但對本領域技術人員來說這是顯而易見的，即在不偏離本發明的精神和範圍的情況下可以對本發明做出各種其他的實施方案、變化和修改，並且因此，本發明的範圍旨在覆蓋所有這些落入本發明真正的精神和範圍中的變化和修改，針對此而申請專利特許證。權利要求1.一種複合聲波器件(AWD)包括第一和第二壓電板，每塊所述壓電板具有內表面和外表面，其中所述板的所述內表面呈面對面取向；設置在所述第一和第二壓電板各自的內表面之間的至少一個第一電極，以及至少一個返回電極。2.如權利要求l的複合AWD，其中所述返回電極設置在所述外表面的至少一個上。3.如前述任一項權利要求的複合AWD，還包括設置在所述第一和第二壓電板之間的第二電極。4.如權利要求1或3中任一項的複合AWD，其中所述第二電極為所述返回電極。5.如權利要求4的複合AWD，其中所述第一電極和所述第二電極每個與所述返回電極形成各自的平行板諧振器，並且其中所述第一和第二電極被設置為足夠接近，以允許在所述第一和第二諧振器之間的聲能傳遞。6.如前述權利要求中任一項的複合AWD，其中所述第一電極為單板電極。7.如前述權利要求中任一項的複合AWD，其中所述電極被構造為響應於在所述電極間施加的電荷在所述壓電板中造成位移，並且其中所述位移基本上平行於所述外表面。8.如前述權利要求中任一項的複合AWD，還包括設置在所述外表面的至少一個的至少一部分上的覆層。9.如權利要求8的複合AWD，其中所述覆層包括耐磨材料。10.如權利要求8的複合AWD，其中所述覆層包括化學耐受性材料。11.如權利要求8的複合AWD，其中所述覆層包括類金剛石碳。12.如權利要求8的複合AWD，其中所述覆層是對被測變量敏感的。13.如前述權利要求中任一項的複合AWD，其中所述第一和第二壓電板具有基本上類似的尺寸。14.如前述權利要求中任一項的複合AWD，其中所述第一和第二壓電板具有基本上類似的晶體取向。15.如前述權利要求2-14中任一項的複合AWD，其中所述第一和第二電極為叉指型換能器。16.如前述權利要求中任一項的複合AWD，其中所述板的至少一塊在所述外表面中設有凹陷。17.如前述權利要求中任一項的複合AWD，還包括在所述內表面的至少一個中的凹陷，所述凹陷界定在所述第一和第二板之間的腔。18.—種傳感器，包括如前述權利要求1-17中任一項的複合AWD;至少在所述第一電極和所述返回電極之間耦合電能的電路。19.如權利要求18的傳感器，還包括測量所述電能的至少一個參數的測量電路。20.如權利要求18或19的傳感器，還包括裝配螺栓。21.如權利要求20的傳感器，其中所述電路或其一部分是嵌入在所述螺栓中的。22.如前述權利要求5-17中任一項的傳感器，其中所述第一電極充當輸入換能器，用來將電信號引入到所述AWD，而所述第二電極充當輸出換能器，用來從所述AWD提取電信號。23.如權利要求22的傳感器，還包括耦合到所述輸入換能器的信號源，用來將輸入信號耦合到所述輸入換能器；以及測量電路，用來測量所述輸入信號與提取的信號的至少一種關係。24.如權利要求22或23的傳感器，還包括裝配螺栓。25.如權利要求23的傳感器，其中所述參數選自由所述輸入和輸出信號的相對相位、輸入和輸出信號的相對幅度、維持恆定相移的信號的頻率、通過所述傳感器的脈衝信號的延遲時間、換能器的阻抗組成的組或它們的組合。26.—種在高壓下測量物質的至少一種物理參數的方法，所述方法包括以下步驟將如權利要求1-18中任一項的AWD或其一部分設置為與所述物質接觸；將電信號耦合到所述第一電極；測量從所述AWD提取的所述電信號；其中所述提取的信號與所述耦合的信號不同，並且其中所述差異代表所述傳感器的測得的參數；並且其中己知所述參數受到物理或化學被測變量的影響。27.如權利要求26的方法，其中所述測量步驟包括測量所述提取的信號和所述耦合的信號之間的關係的參數，所述參數選自由頻率、插入損耗、相位、延遲時間組成的組或其組合。28.如權利要求26或27的方法，其中所述物理參數選自包括粘度、密度、溫度、壓力、化學濃度的組或其組合。29.如權利要求17-28中任一項的方法，其中所述AWD有源電極形成第一工作傳感器，並且還包括壓力傳感器，所述壓力傳感器包括在所述內表面的至少一個中的凹陷，所述凹陷界定在所述第一和第二內表面之間的腔，並且所述壓力傳感器包括對在所述板具有所述凹陷的區域上的壓力效應敏感的傳感元件，所述傳感元件被設置在所述腔內。30.如權利要求29的方法，其中所述傳感元件包括應變片。31.如權利要求29的方法，其中所述傳感元件包括至少一個換能器以向具有所述凹陷的所述板賦予電能。32.如權利要求29的方法，其中所述第二內表面還包括凹陷，所述第二內部的所述凹陷具有與所述第一內表面的所述凹陷類似的尺寸並取向為與所述第一內表面的所述凹陷相反，所述第一和第二凹陷的組合限定所述腔，並且還包括沉積在所述第一凹陷的第一輸入換能器和第一輸出換能器；以及沉積在所述第二凹陷的第二輸入換能器和第二輸出換能器。33.如權利要求32的方法，還包括將所述第一工作傳感器的所述輸出與從所述壓力傳感器獲得的輸出進行比較的步驟。全文摘要提供了一種適於在高環境壓力下工作的複合聲波器件(AWD)。所述AWD包括兩塊呈背對背關係的壓電板，其中電極設置在所述板之間。所述板被結合在一起，從而抵消外部壓力的效應。還公開了利用所述AWD的傳感器以及在高壓環境下利用這樣的AWD進行物理測量的方法。形成於所述壓電板之間的可選的腔提供了測量所述壓力的能力，並且進一步消除所述壓力對測量精度的殘餘效應。文檔編號H01L41/047GK101208814SQ200680022690公開日2008年6月25日申請日期2006年4月20日優先權日2006年4月20日發明者傑弗裡·C·安德烈申請人:多弗電子股份有限公司;傑弗裡·C·安德烈