一種用於地下管線的聲表面波壓力傳感標籤的製作方法

2023-07-15 19:49:16 2

一種用於地下管線的聲表面波壓力傳感標籤的製作方法
【專利摘要】本發明公開一種用於地下管線的聲表面波壓力傳感標籤，該傳感標籤包括標籤晶片、標籤天線和設置在標籤晶片外部的標籤外殼，所述標籤晶片包括壓電基片、沉積在壓電基片上的叉指換能器和反射柵。所述壓電基片由壓電單晶體構成。所述叉指換能器採用雙向叉指換能器。這種用於地下管線的聲表面波壓力傳感標籤具有無源無線、設別距離遠、抗幹擾能力強和適用於惡劣環境的優點。
【專利說明】—種用於地下管線的聲表面波壓力傳感標籤
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種壓力傳感器標籤，特別是涉及一種用於地下管線的聲表面波壓力傳感標籤。
【背景技術】
[0002]目前，在我國現代化建設中，隨著水、電力、煤氣等行業，特別是通信線路的不斷發展，越來越多的管線被埋置在地下，然而隨著時間的變化及一些人為因素，將使原先地上標識所指明的地下管線與圖紙發生一些變化，這樣會給維護人員帶來諸多不便，特別是在某些重要地段，比如交通要道，沙漠地區等，僅憑藉圖紙和經驗是很難判斷路由的。同時，隨著地下管道的複雜化、多元化，以及工程施工的不規範操作，使得管道誤挖造成的事故頻繁發生，嚴重影響了人民的正常生活和人身財產安全，因此，實現對地下管線標識和定位顯得尤為必要。
[0003]在對物體進行遠距離標識和識別的技術中，主流的技術是無線射頻識別技術(Radio Frequency Identif i cat ion, RFID),一般RFID系統包括閱讀器和射頻標籤兩部分。射頻標籤通常採用的是傳統的IC標籤，使用的製作工藝是普通的CMOS工藝，其工作頻率可以分為低頻(30kHz-300kHz)、中高頻(3MHz_30MHz)和超高頻(300MHz_3GHz)。其中，低頻和中高頻標籤一般為無源標籤，其工作能量通過電感耦合方式從閱讀器耦合線圈的輻射近場中獲得。低頻和中高頻標籤與閱讀器之間傳送數據時，需位於閱讀器天線輻射的近場區內。低頻和中高頻標籤的閱讀距離很近，一般情況下小於I米。超高頻射頻標籤中，無源標籤的識別距離一般大於lm，典型情況為4-6m，但是其抗幹擾能力差，穿透性不強，不適用於地下的複雜環境。
[0004]另外，需要對地下管線的運行狀態進行實時監測，以便及時發現管線洩漏，第一時間採取搶救措施，最大限度地減小損失。地下管線主要監測的參數有:壓力、溫度等。其中，壓力參數監測非常重要，因為地下管線一旦洩漏，壓力參數就會出現異常。但是，目前常用的壓力傳感器大多數都是有源的。有源傳感器一般採用電池提供電源，會產生一些弊端:用於地下管線時會汙染土壤和水；當氣溫很低時，電池容量就會減少，導致可靠性不穩定。
[0005]因此，很有必要設計一種適用於地下管線的射頻識別和壓力傳感標籤。

【發明內容】

[0006]針對以上現有技術的不足，本發明目的在於提供一種用於地下管線的聲表面波(Surface Acoustic Wave, SAW)壓力傳感標籤，以解決目前傳統的IC標籤識別距離近、抗幹擾能力差和有源壓力傳感器電池汙染環境等問題。
[0007]本發明採用下述技術方案:
[0008]一種用於地下管線的聲表面波壓力傳感標籤，該傳感標籤包括標籤晶片、標籤天線和設置在標籤晶片外部的標籤外殼，所述標籤晶片包括壓電基片、沉積在壓電基片上的叉指換能器和反射柵。[0009]所述壓電基片由壓電單晶體構成。
[0010]所述叉指換能器採用雙向叉指換能器。
[0011 ] 所述叉指換能器和反射柵由金屬鋁製成。
[0012]所述反射柵包括第一、第二壓力反射柵和標識反射柵，所述第一、第二壓力反射柵到叉指換能器中心的距離相等。
[0013]本發明的有益效果如下:
[0014]這種用於地下管線的新型聲表面波壓力傳感標籤具有無源無線、設別距離遠、抗幹擾能力強和適用於惡劣環境的優點。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1為聲表面波壓力傳感標籤結構不意圖；
[0016]圖2為叉指換能器IDT結構圖；
[0017]圖3為標籤天線的結構圖；
[0018]圖4為聲表面波壓力傳感標籤的截面結構圖；
[0019]圖5為聲表面波標籤的製作流程圖；
[0020]圖6為聲表面波射頻識別傳感系統工作原理圖；
[0021]圖7為閱讀器結構示意圖。
【具體實施方式】
[0022]以下結合附圖對本發明進行詳細的說明。
[0023]圖1為聲表面波壓力傳感標籤的結構示意圖，聲表面波壓力傳感標籤由壓電基片
1、叉指換能器2、壓力反射柵3、壓力反射柵4、標識反射柵5、標籤天線6和標籤外殼7組成。其中，壓力反射柵3和4到IDT中心的距離相等，當沒有給標籤施加壓力時，3和4產生的回波信號之間沒有時間差；當給壓力反射柵3施加壓力時，聲表面波在3下面的壓電基片上傳播的速度就會改變，3和4產生的回波信號之間就有時間差，時間差的大小和所承受的壓力大小有關係，通過測量3和4產生回波信號之間的時間差就可以檢測出標籤承受的壓力。標識反射柵5包含一系列反射柵，通過改變反射柵的個數和位置可以改變標籤的編碼，每個壓力傳感標籤對應一個唯一的編碼。
[0024]壓電基片I是由壓電材料構成，通過壓電效應產生聲表面波。本實施例中壓電基片選用壓電單晶體YZ-LiNb03。
[0025]叉指換能器2是SAW叉指換能器，是在壓電基片表面製作的形狀像手指交叉的金屬圖案，其作用是激發和接收聲表面波SAW(Surface Acoustic Wave, SAW)，完成電聲、聲電的能量轉換。叉指換能器IDT結構如圖2所示。叉指周期P=2(a+b)，其中，a是叉指寬度；b是叉指間距；W是孔徑，指相鄰兩指間相互重疊部分的長度。當外加電信號頻率等於換能器的特徵頻率時，每對叉指激發的波相位相同，IDT的激發效率最高。
[0026]本實施例中IDT可以是一個雙向叉指換能器，產生的聲表面波分別向叉指換能器左右兩個方向傳播。其叉指寬度與叉指間距相等，叉指聲孔徑W為常數。作為SAW的激發和接收換能器，它的特徵頻率、帶寬和SAW強度由其結構決定。
[0027]本實施例設計的反射柵是由金屬電極構成，一共有三組，一組標識反射柵5和兩組壓力反射柵3，4，兩組壓力反射柵分別放置在IDT兩邊，有效地利用產生的聲波能量。
[0028]由於SAW在壓電基片上傳播時不易受到外界的幹擾，因此SAW壓力傳感標籤能在惡劣環境下使用，比如地下、液體和金屬環境。SAW壓力傳感標籤中壓電基片消耗的信號能量比集成電路少得多，在惡劣環境下，SAW信號的能量衰減要小得多，相比於IC標籤，SAW壓力傳感標籤能克服金屬和液體的衰減效應。
[0029]SAff壓力傳感標籤中反射柵的位置和脈衝回波時間有著精確的比例關係，因而可以對反射柵的位置進行精確設計來控制脈衝回波時間。SAW壓力傳感標籤的編碼是由其結構決定的，其結構在製作時就確定了，每個標籤的編碼是無法篡改的，因此SAW壓力傳感標籤有很高的安全性能。
[0030]圖3是標籤天線的結構圖，本實施例採用的是微帶貼片天線，10為饋線部分，11為介質基板，因此具有製造簡單、輻射能力強和成本低等優點。
[0031]圖4是聲表面波壓力傳感標籤的截面結構圖,如圖所不:12為標籤外殼,用於保護標籤天線和標籤晶片；13為微帶貼片天線；14為引線，用於將IDT引出連接到天線；15為標籤晶片的封裝，用於形成密閉空間，對標籤晶片進行保護；16為標籤封裝形成的密封腔體，具有恆定的參考壓力；17為外界壓力作用口，外界壓力可為自來水液體介質或者天然氣氣體介質；18為設在壓電基片上的膜片，外界壓力通過膜片作用於壓電基片20形成的懸臂梁右端，進而將外界的壓力變化通過壓電基片上的形變體現出來；19為粘結劑，用於將壓電基片的左半部分粘接在封裝上，起到固位的作用，並且左半部分的標識反射柵用來進行編碼，通過這樣的設計可以使SAW在壓電基片左半部分表面傳播時不受外界壓力變化的影響，壓電基片形成一個懸臂梁結構。膜片內外的壓力差使膜片產生一定的線性形變，形變又會作用在壓電基片形成的懸臂梁結構，使壓電基片產生形變，改變聲表面波傳播的波速，進而改變回波信號的時延。最終可以通過測量回波信號的時延得到壓力信息。
[0032]標籤晶片的製作過程包括基片製作、金屬膜製作、塗光刻膠、掩模板製作、曝光顯影、和腐蝕去膠等工序，製作過程如圖5所示。
[0033]壓電基片材料選擇壓電單晶YZ_LiNb03，為保證壓電基片切割方向的精度，用X光定向機確定晶體切割方向。切割得到的基片表面十分粗糙，無法直接用來製作標籤，需要用金剛砂對基片表面進行研磨，再進行拋光以達到要求的光滑度，最後進行清洗。經過這一系列處理的壓電基片才可以用於製作SAW壓力傳感標籤。
[0034]基片準備好後，需要在鈮酸鋰基片上鍍一層金屬膜，這裡選用真空蒸發的方法製作金屬膜。一般要求金屬薄膜均勻、導電性好，並且與基片結合牢固，金屬膜材料一般選用招，因為鋁導電率高、化學性能穩定、並且比較便宜。
[0035]這裡採用的光刻膠需要滿足這些條件:粘附力強、穩定性高、耐腐蝕。為了在面積很小的基片表面上均勻地塗覆光刻膠，這裡採用旋轉塗覆法。
[0036]按照要求計算出標籤的各種參數，比如IDT指寬、指條間隙、叉指對數、聲孔徑，反射柵指寬、指條間隙、孔徑等，用L-Edit軟體繪製出標籤晶片的IDT和反射柵圖形，製作出圖形底片，此底片經過處理後成為掩膜板，這裡的掩模板是採用蝕刻法製成的硬質掩膜板。
[0037]曝光是使用紫外光在掩膜板上方進行照射，曝光時要求曝光量適當，膠厚或者掩膜與基片的接觸緊密。將曝光後的圖形放入顯影溶劑中，曝光部分的光刻膠顯影后會溶於顯影溶劑被去除，剩下的膠膜會形成一個和掩膜板一樣的圖形。膠膜圖形覆蓋在金屬膜表面，負責保護下面的金屬膜。膠膜顯影漂洗後會膨脹、軟化，需要進行堅膜處理，目的是增加膠膜的粘附力和耐腐蝕性。
[0038]把該基片浸入到一種金屬腐蝕溶液中，腐蝕掉未被保護的金屬膜，受保護的金屬膜會留下來，用有機溶劑(如酒精、丙酮)溶解完光刻膠，這樣就可以得到沉積在壓電基片上的IDT和反射柵。
[0039]圖6是由壓力傳感標籤8和聲表面波閱讀器9組成的聲表面波射頻識別傳感系統工作原理圖，壓力傳感標籤8和閱讀器9之間通過無線射頻信號進行通信。通信模塊10實現閱讀器跟控制中心、其他設備之間的通信。
[0040]系統工作時，閱讀器發射高頻查詢脈衝由標籤天線接收傳輸到叉指換能器(Interdigital Transducer, IDT)，IDT通過逆壓電效應把電信號轉換成SAW信號。SAW在基片表面傳播時會碰到三組由細長金屬條組成的反射柵，產生反射和透射，形成三組由聲波組成的反射回波，聲波的個數和時間延遲對應著反射柵個數和放置位置，第一組和第二組反射之間的回波時間差包含著檢測到的壓力信息，第三組反射回波包含著編碼信息。反射回波由IDT通過正壓電效應轉換成脈衝回波信號經標籤天線發射給閱讀器。SAW壓力傳感標籤通過第一組和第二組反射柵測量壓力，壓力大小不同，兩組反射柵產生的反射回波之間的時間差就不同；通過第三組反射柵個數和放置位置進行編碼，編碼不同，產生的回波信號也就不同。閱讀器可以通過接收和處理回波信號來讀取標籤的傳感信息和編碼信息。
[0041]如圖7為所述閱讀器結構示意圖，所述閱讀器由主控板73、顯示屏74、閱讀器天線75、電源76和閱讀器外殼77組成。其中，主控板73由射頻模塊78、信號處理模塊79和通信模塊70組成。所述射頻模塊包括發射模塊，接收模塊和收發隔離裝置。所述發射模塊又進一步包括信號產生單元和信號放大單元。所述接收模塊進一步包括濾波器、放大器、混頻器和採樣器。閱讀器天線75用於實現聲表面波傳感標籤和閱讀器的無線通訊。
[0042]閱讀器工作時，射頻模塊中的的發射模塊通過信號產生單元產生固定頻率的信號，經過信號放大單元放大後由閱讀器天線發射出去；發射信號由聲表面波傳感標籤接收後返回回波信號，回波信號由閱讀器天線接收傳輸給接收模塊，並由接收模塊中的濾波器濾波、放大器放大、混頻器混頻和採樣器採樣後傳輸給信號處理模塊處理；因為射頻信號的發射和接收都使用同一個閱讀器天線，發射信號和接收信號之間會產生相互幹擾，所以採用收發隔離裝置對發射信號和接收信號進行隔離。對於接收模塊傳輸來的射頻信號，傳輸給信號處理模塊。信號處理模塊採用DSP和FPGA對接收模塊傳來的數位訊號進行處理，提取特徵值，得到編碼信息和傳感信息。顯然，本發明的上述實施例僅僅是為清楚地說明本發明所作的舉例，而並非是對本發明的實施方式的限定，對於所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動，這裡無法對所有的實施方式予以窮舉，凡是屬於本發明的技術方案所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處於本發明的保護範圍之列。
【權利要求】
1.一種用於地下管線的聲表面波壓力傳感標籤，其特徵在於，該傳感標籤包括標籤晶片、標籤天線和設置在標籤晶片外部的標籤外殼，所述標籤晶片包括壓電基片、沉積在壓電基片上的叉指換能器和反射柵。
2.根據權利要求1所述的一種用於地下管線的聲表面波壓力傳感標籤，其特徵在於，所述壓電基片由壓電單晶體構成。
3.根據權利要求2所述的一種用於地下管線的聲表面波壓力傳感標籤，其特徵在於，所述叉指換能器採用雙向叉指換能器。
4.根據權利要求1或2所述的一種用於地下管線的聲表面波壓力傳感標籤，其特徵在於，所述叉指換能器和反射柵由金屬鋁製成。
5.根據權利要求1或2或3所述的一種用於地下管線的聲表面波壓力傳感標籤，其特徵在於，所述反射柵包括第一、第二壓力反射柵和標識反射柵，所述第一、第二壓力反射柵到叉指換能器中心的距離相等。
【文檔編號】G06K19/077GK103870872SQ201410100459
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2014年3月18日 優先權日:2014年3月18日
【發明者】陳濤, 王凱讓, 楊帆, 徐正山, 王旭 申請人:北京無線電計量測試研究所