專利名稱：無線及被動聲波液體傳導性感應器的制作方法
無線及#:動聲波液體傳導性感應器技術領域實施例大體涉及感應裝置及其構件。實施例還涉及液體傳導性(conductivity)感應器。此外，實施例還涉及聲波裝置。實施例還涉及感 應到的數據的無線傳輸。發明背景聲波感應器;f皮利用在各種感應應用中，例如溫度和/或壓力感應裝 置和系統。聲波裝置已經用于商業六十多年了。盡管聲波裝置主要應 用于電信工業，但是它們還用于化學汽相探測。如此命名聲波感應器 是因為它們使用機械波或聲波作為感應機構。在聲波穿過物質或者在 物質的表面傳播時，傳播路徑的任何變化都會影響波的特征。可通過測量感應器的頻率或相位特征來監測聲波特征的變化，并 且然后將這些變化關聯正被測量的相應的物理量或者化學量。實際上， 所有的聲波裝置和感應器利用壓電晶體產生聲波。三種機構可有助于 聲波感應器的響應，即質量負荷、黏彈性和聲電效應。化學品的質量 負荷改變這些感應器的頻率、幅度、相位和Q值。大部分的聲波化學 品探測感應器例如依靠帶有化學選擇的覆層的感應器的質量靈敏性， 該覆層吸收導致聲波感應器的質量負荷增加的感興趣的汽相。聲波感應器的實例包括聲波探測裝置，其被利用于探測例如化學 品的物質的存在或者例如溫度和壓力的環境狀況。由于作為感應器的 聲學或聲波(例如SAW/BAW)裝置具有由它們固有的高Q因數所致的 對表面負荷的高靈敏度以及低噪音，它們可提供高靈敏的探測機構。 通常使用光刻(photolithographic)技術，采用^皮放置在壓電物質上的梳狀 叉指(interdigital)換能器制作表面聲波裝置。表面聲波裝置或者具有延遲線或者具有諧振器(resonator)配置。通常使用例如由CHA、 Transat 或Saunder制造的那些板件(plater)制作體聲波裝置。電極物質的選擇以 及電極厚度由燈絲溫度和總加熱時間控制。電極的大小和形狀由適于 使用的掩模(mask)定義。表面聲波諧振器(SAW-R)、表面聲波延遲線(SAW-DL)、表面橫波用中。在聲波感應器和常規感應器之間的主要區別的其中之一是聲波 感應器可機械地存儲能量。 一旦給這一感應器提供一 定量的能量(例如 通過RF),在沒有任何主動(active)零件(例如在沒有電源或振蕩器的情 況下)的情況下，感應器可工作一段時間。這一特性能夠聲波感應器將 實現在RF供電的被動無線感應應用中。聲波感應器似乎有光明前景的 一 個領域是測量液體傳導性的領 域。在各種應用和工業中，測量液體的傳導性的能力是重要的。例如， 在汽車工業中，為了提供與油的效率相關聯的數據，重要的是探測和 監測油的傳導性。在生物和醫藥應用中，監測液體的傳導性的裝置也 非常重要。例如，電解傳導性測量可廣泛地使用在水質凈化、電鍍以 及人類血液或尿素分析中。發明概要提供下面的概要是便于理解公開的實施例獨有的新穎特性，并非 想全面地描述。將全部的說明書、權利要求、附圖以及摘要作為整體 理解，可充分理解實施例的各個方面。因此，本發明的一方面提供改進的感應裝置。本發明的另一方面提供改進的聲波感應裝置。本發明的又一方面提供無線被動(passive)聲波感應器。本發明的再一方面提供液體傳導性感應器。如本文描述的，現在可獲得上述的幾個方面以及其它目標和優點。 ^^開了利用聲波感應器測量液體傳導性的方法和系統。一^:而言，可提供具有第一叉指換能器和第二叉指換能器的聲波裝置，第一叉指換 能器和第二叉指換能器具有在其內形成的間隙，其中，液體接觸間隙。例如油的液體流過間隙。測量間隙的電阻以獲得表示液體的傳導性的數據。聲波裝置可配置為例如體聲波(BAW)裝置，其產生至少一個協助測量液體的傳導性的體聲波。聲波裝置還可配置為SH-SAM裝置， 其產生至少一個協助測量液體的傳導性的水平剪切表面聲波。或者， 聲波裝置可實現為FPW裝置，其產生至少一個協助測量液體的傳導性 的撓曲板波。在又一個備選方案中，聲波裝置可實現為SH-APM裝置， 其產生至少一個協助測量液體的傳導性的水平剪切表面聲波。附圖簡述在附圖中，同 一標號指示全部的單獨視圖中的同樣或者功能相似 的元件并且這些圖^f皮結合并組成說明書的一部分，這些附圖進一步示 出了實施例并且結合詳細描述解釋了本文公開的實施例。
圖1示出了根據一個實施例可適用的撓曲板波(FPW)裝置的透視圖；圖2示出了根據備選實施例可適用的聲板波(APM)裝置的透視圖； 圖3示出了根據另一實施例可適用的水平剪切表面聲波(SH-SAW)裝置的頂視圖以及截面圖；圖4示出了根據優選實施例可實現的液體傳導性感應器的頂視圖；以及的頂視圖；圖6(a)和6(b)示出了根據備選實施例可適用的無線被動聲波裝置 的透視圖；圖7(a)和7(b)示出了根據另一實施例可適用的無線被動聲波裝置 的各個透一見圖和側面圖；以及圖8示出了根據優選但備選的實施例可實現的液體感應器的頂視圖。發明詳述在這些非限定性實例中討論的特定的值以及配置可改變，并且被 引用僅用于說明至少 一 個實施例，并不意圖限制其范圍。圖1示出了根據一個實施例可適用的撓曲板波(FPW)裝置100的透 視圖。FPW裝置100 —般包括在其上配置有壓電層106的硅基層108。 叉指換能器(IDT， interdigital transducer"02和104也形成在壓電基層 或壓電層106上。FPW裝置100可在例如在圖4中描述的液體傳導性 感應器的環境中實現。根據設計的考慮，IDT102、 104可配置為電極 形式。壓電基層106可形成于采用各種基層物質，例如，石英、鈮酸鋰 (LiNb03)、鉭酸鋰(LiTaOO、 Li2B407、 GaP04、》圭酸《家鑭(La3Ga5Si04)、 ZnO、和/或例如Al、 Ga或者Ln的外延生長氮化物。叉指換能器102 和104可形成于一般被分成三類的物質。第一類，IDT102、 104可形 成于金屬類物質(例如，Al、 Pt、 Au、 Rh、 lr、 Cu、 W、 Cr或者Ni)。 笫二類，IDT102、 104可形成于例如NiCr或者CuAl的合金。笫三類， IDT102、 104可形成于金屬-非金屬化合物(例如基于TiN、 CoSi2或者 WC的陶瓷電極)。 一般而言，無線被動FPW裝置100可實現在圖6 中描述的液體傳導性感應器400的環境中。圖2示出了可適用于備選實施例中的聲板波(APM)裝置200的透 視圖。APM裝置200 —般包括基層204,其可配置為石英板。在圖2 中描述的配置中，示出帶有波的水平剪切(SH)位移的APM裝置200, 此時波在輸入換能器208和輸出換能器210之間傳播。波傳播方向一 般由箭頭205指示。在圖2中還指示出與波長218相關聯的表面位移 206。在圖2中，還指示出Y方向216和X方向212。在圖2中，還大 體指示出在 和Z之間的Z方向214。除了與截面位移202相關聯的 長度b之外，還示出了距離d/2。 一般而言，無線^^動APM裝置200可實現在圖6中描述的液體傳導性感應器400的環境中。圖3示出了可適用于另一實施例的水平剪切表面聲波(SH-SAW) 裝置300的頂視圖以及截面圖。以圖3中的頂視圖302和側視圖304 示出了 SH-SAW裝置300。 SH-SAW裝置300的頂視圖302大體示出 了與液體單元308和310相關聯的自由表面312。在側視圖304和頂 視圖302中都示出了硅橡膠區域318。此外，在頂視圖304中描述了 叉指換能器(IDT)314以及位于IDT314和硅橡膠區域318之間的空氣 間隙315。還提供在其上形成IDT314和316的壓電層320。 SH-SAW裝置300 可實現在多通道SH-SAW微感應器的環境中，該感應器具有包括三個 雙端口 SAW延遲線303、 305和307的IDT圖案306。因此，IDT圖 案306可由一組包括協助測量液體的傳導性的雙端口諧振器的圖案的 IDT配置。或者，聲波裝置可配置為產生至少一個協助測量液體的傳 導性的水平剪切表面聲波的雙端口 SH-SAW諧振器裝置，或者配置為 產生一個或多個協助測量液體的傳導性的水平剪切表面聲波的雙端口 FPW諧振器裝置。在又一個變化中，根據設計需要，聲波裝置可配置 為產生一個或多個協助測量液體的傳導性的水平剪切表面聲波的雙端 口 APM諧振器裝置。圖案306包括在金屬面313之上形成的自由面312。延遲線305 與金屬面311相關聯，然而延遲線307與金屬面309相關聯。應注意 到SH-SAW雙端口延遲線裝置300的設計原理類似于那些常規的SAW 裝置。例如IDT314、 316的配置，以及至少一個水平剪切表面聲波的 產生和探測類似于SAW諧振器或延遲線。因此，雙延遲線303、 305、 307等的使用可導致感應和參考線。波導的使用也可包含進SH-SAW 裝置300中以增加表面靈敏性。通過例如形成合適厚度的覆層可實現 波導。這一波導層可包含例如Love波的使用。一般而言，SAW和SH-SAW波可以是同一頻率范圍。這樣，通 過調整特定的參數，例如IDT的電極厚度、電極物質的選擇(例如，Al、 Pt、 Au、 Rh、 Ir、 Cu、 Ti、 Cr或者Ni)、 IDT的開口尺寸、IDT的 布置、波導厚度以及不同基層物質或者不同切割角度的選擇，可選擇 不同的波。 一般而言，無線被動SH-SAW裝置300可實現在圖6(附加 的圖6)中描述的液體傳導性感應器400的環境中。圖4示出了可實現在優選實施例中的液體傳導性感應器400的頂 視圖。感應器400 —般包括由底電極406和頂電極410組成的聲波裝 置401。每個電極406、410由可在壓電層或壓電基層412上形成的IDT 組成。間隙408可形成于頂電極410。這一間隙可配置為用于測量傳 導性的30um至100um的間隙。為了測量電阻以獲得傳導性信息，電 阻構件404可與聲波裝置401相關聯。此外，外部聲波裝置402可與聲波裝置401相關聯，其中外部聲 波裝置402被利用，例如為無線承載器。聲波裝置402可以為例如雙 端口表面聲波(SAW)裝置。根據設計需要，聲波裝置401可實現為撓 曲板波(FPW)裝置100、聲板波(APM)裝置200或者水平剪切表面聲波 (SH-SAW)裝置300。500的頂視圖。應注意到在圖4至5中，同一標號指示同樣或者類似 的零件或者元件。這樣，圖5的感應器500類似于圖4中描迷的感應 器400,區別就是感應器500包含無線傳輸數據的天線502的使用。600的透視圖。應注意到在圖6(a)和6(b)中，同一標號一般指示同樣或 者類似的零件或者元件。聲波裝置600 —般包括一組可配置在壓電基 層或者壓電層601上的叉指換能器(604和606)以及反射器(602和608)。 在圖6(a)中，示出了天線610和612,然而在圖6(b)中，指示了天線 611和613。在圖6(a)的配置中，叉指換能器604可在節點A電連接 于叉指換能器606。天線610連接于節點A。類似地，天線610和612 可在節點B彼此相互電連接。天線612—般連接于節點B。在圖6(b) 的配置中，天線611直接連接于IDT604，而天線613直接連接于IDT606，無線-f皮動聲波裝置600可實現在圖3中描述的液體傳導性感 應器300的環境中。根據設計考慮，IDT604和606—般配置為電極形 式。應注意到天線610、 611、 612和/或613可實現在圖5中描述的天 線502的環境中。一般而言，聲波裝置600與可連接到液體的感應機構相關聯，其 中感應機構包括一個或多個例如IDT604和606的聲波元件和一個或多 個例如與IDT604和606通信的天線610、 612或611、 613。 一個或多 個IDT604和606可連接到液體，這樣與液體相關聯的IDT響應至少 一個聲波感應元件的激活，從而產生表示液體傳導性的數椐，用于通 過一個或多個天線610、 612或者611、 613無線傳輸。響應于至少一個^f皮傳輸到一個或多個天線610、 612或者611、 613 上的無線信號，激活一個或多個聲波感應元件(例如IDT604、 606)。液 體可以為油并且與該液體或油相關耳笑的聲波可包括一個或多個下面類 型的聲波體波、聲板波、水平剪切聲板波、表面橫波、撓曲板波和 水平剪切表面聲波。圖7(a)和7(b)示出了可適用于另一實施例中的無線被動聲波裝置 700的各個透視和側面視圖。裝置700可適用于例如在圖5中描述的 液體傳導性感應器500。除了提供變化的特性外，在圖7(a)和7(b)說明 的無線被動聲波裝置700類似于在圖6中描述的無線被動聲波裝置 600。例如，無線被動聲波裝置700 —般包括在其上可配置一個或多個 IDT(710和712)和反射器(708和714)的壓電基層702。還提供了間隙 或空腔706，在其中，液體可如分別表示"進"和"出"的液體流向箭頭 701和703指示的方向流過。反射器708和714還可配置在與IDT710 和712相關聯的基層702上。也可提供各個輸入和輸出電阻接合處或 節點720、 722。 IDT714可連接于有線設計中的天線716上。在無線設 計中，天線將被連接到IDT710或712上，其一般類似于在圖6中描述 的天線610、611、612和/或613,或者類似于在圖5中描述的天線502。頂視圖。應注意到在圖8中三個感應元件802、 804、 806位于同一感 應器基層801上。第一感應元件801沒有平行于另外的兩個感應元件 804和806。因此，與804和806相比，802將具有不同的頻率曲線的 溫度系^:。通過測量三個感應元件802、 804、 806的頻率差異，可獲 得溫度以及例如傳導性的其它參數。在圖8的配置中，可類似于在圖 1中描述的基層或層106或者在圖6(a)和6(b)中描述的基層601,而實 現基層801。類似地，感應元件802、 804、 806可實現為例如IDT602、 604、 606、 608等等的叉指換能器。這樣，在圖8中描述的配置可利 用以實現液體傳導性感應器。因此，感應器800包括無線被動液體感應器。聲波裝置或者感應 器800的感應機構803可連接或者可接觸液體。感應機構803由三個 聲波感應元件802、 804、 806以及一個或多個與所述聲波裝置800相 關聯的天線805組成，其中，所述聲波裝置800與三個感應聲波感應 元件802、 804、 S06通信。一jfe而言，至少一個感應元件-波配置偏離(例 如不平行)于其它兩個感應元件804、 806，從而建立在三個感應元件 802、 804、 806之間的頻率的不同的溫度系數，乂人而允許所述聲波裝其它的參數可包括例如粘性、傳導性、PH、潤滑性以及腐蝕性。應知上面公開的變化以及其它特性和功能或者其備選方案期望被 包含在一些其它不同的系統和應用中。而且，本領域的那些技術人員 可隨后做出也想被下面的權利要求包含的各種目前無法預料或者不曾 預料的備選方案、修改、變型或者其改進。
權利要求
1.一種利用聲波感應器測量液體傳導性的方法，包括提供具有第一叉指換能器和第二叉指換能器的聲波裝置，所述第一叉指換能器和第二叉指換能器具有在其內形成的間隙，其中液體接觸所述間隙；以及測量所述間隙的電阻，以獲得表示所述液體的傳導性的數據。
2. 如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述聲波裝置包括體 聲波(BAW)裝置，其產生至少一個協助測量所述液體的所述傳導性的 體聲波。
3. 如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述聲波裝置包括 SH-SAW裝置，其產生至少一個協助測量所述液體的所述傳導性的水 平剪切表面聲波。
4. 如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述聲波裝置包括FPW 裝置，其產生至少一個協助測量所述液體的所述傳導性的撓曲板波。
5. 如權利要求1所述的方法，其特征在于，所述聲波裝置包括 SH-APM裝置，其產生至少一個協助測量所述液體的所述傳導性的水 平剪切表面聲波。
6. 如權利要求1所述的方法，其特征在于，還包括形成所述第一 叉指換能器和笫二叉指換能器，以包括協助測量所述液體的所述傳導 性的雙延遲線的圖案。
7. —種利用聲波感應器測量液體傳導性的方法，包括 提供聲波裝置，所述聲波裝置具有在其上形成的多個叉指換能器，其中由所述聲波裝置配置空腔，液體可流過所迷空腔；以及測量所述聲波裝置的頻率變化，以獲得表示流過所述空腔的所述 液體的傳導性的數據。
8. 如權利要求7所述的方法，其特征在于，所述聲波裝置包括 SH-SAW裝置，其產生至少一個協助測量所述液體的所述傳導性的水平剪切表面聲波。
9. 如權利要求7所述的方法，其特征在于，所述聲波裝置包括FPW 裝置，其產生至少一個協助測量所述液體的所述傳導性的撓曲板波。
10. 如權利要求7所述的方法，其特征在于，所述聲波裝置包括 APM裝置，其產生至少一個協助測量所述液體的所述傳導性的水平剪 切表面聲波。
11. 如權利要求7所述的方法，其特征在于，還包括形成所述多個 叉指換能器，其包括協助測量所述液體的所迷傳導性的雙延遲線的圖 案。
12. 如權利要求7所述的方法，其特征在于，還包括配置所述多個 叉指換能器，以包括協助測量所述液體的所述傳導性的雙端口諧振器 的圖案。
13. 如權利要求7所述的方法，其特征在于，所述聲波裝置包括雙 端口 SH-SAW諧振器裝置，其產生至少一個協助測量所述液體的所述 傳導性的水平剪切表面聲波。
14. 如權利要求7所述的方法，其特征在于，所述聲波裝置包括雙 端口 FPW諧振器裝置，其產生至少一個協助測量所述液體的所述傳導 性的水平剪切表面聲波。
15. 如權利要求7所述的方法，其特征在于，所述聲波裝置包括雙 端口 APM諧振器裝置，其產生至少一個協助測量所述液體的所述傳導 性的水平剪切表面聲波。
16. —種無線^皮動液體傳導性感應系統，包括 聲波裝置；以及感應機構，其可連接到所述液體，其中所述感應機構包括至少一 個由所述聲波裝置形成的聲波感應元件以及至少一個與所述聲波裝置 相關聯的天線，所述聲波裝置與所述至少一個聲波感應元件通信，其 中當所述至少一個聲波感應元件沖妄觸所述液體時，使得所述至少一個 聲波感應元件響應于所述至少一個聲波感應元件的激活，而探測與所述液體相關聯的聲波，從而產生表示所述液體的傳導性的數據，用于 通過所述至少一個天線無線傳輸。
17. 如權利要求16所述的系統，其特征在于，響應于至少一個被 傳輸到所迷至少一個天線的無線信號，產生所述至少一個聲波感應元 件的所述激活。
18. 如權利要求17所述系統，其特征在于，與所述液體相關聯的 所迷聲波包括下面類型的聲波的至少其中之一體波、聲板波、水平 剪切聲板波、表面一黃波、撓曲板波以及水平剪切表面聲波。
19. 如權利要求17所述的系統，其特征在于，所述的至少一個聲 波感應系統包括多個叉指換能器，所述叉指換能器以協助測量所述液 體的所述傳導性的雙延遲線的圖案配置。
20. 如權利要求17所述的系統，其特征在于，所述至少一個聲波 感應元件包括多個叉指換能器，所述叉指換能器以協助測量所迷液體 的所述傳導性的雙端口諧振器的圖案配置。
21. 如權利要求17所述的系統，其特征在于，所述聲波裝置包括 下面類型的聲波裝置中的至少其中之一雙端口 SH-SAW諧振器裝置，其產生至少一個協助測量所迷液體 的所述傳導性的水平剪切表面聲波；雙端口 FPW諧振器裝置，其產生至少一個協助測量所述液體的所 述傳導性的水平剪切表面聲波；或者雙端口 APM諧振器裝置，其產生至少一個協助測量所述液體的 所述傳導性的水平剪切表面聲波。
22. —種無線一皮動液體感應系統，包4舌 聲波裝置；以及感應^4勾，其可連接到所述液體，其中所述感應 fe/L構包括至少三 個由所述聲波裝置形成的聲波感應元件以及至少一個與所述聲波裝置 相關聯的天線，所述聲波裝置與所述至少三個聲波感應元件通信，其 中所述至少三個聲波感應元件中的至少 一個感應元件一皮配置偏離于所述至少三個聲波感應元件中的至少兩個聲波感應元件，從而產生所述 至少三個感應元件中的頻率的不同溫度系數，從而允許所述聲波裝置 獲得表示與所述液體相關聯的溫度和其它參數的數據。
23.如權利要求22所述的感應系統，其特征在于，所述其它參數 包4舌粘性、傳導性、pH、潤滑性以及腐蝕性。
全文摘要
一種利用聲波感應器測量液體傳導性的方法和系統。一般而言，聲波裝置可設置有一個或多個叉指換能器，包括至少第一叉指換能器和至少第二叉指換能器，在第一叉指換能器和第二叉指換能器之間形成有空腔，其中液體接觸空腔。例如油的液體可流過空腔。為了獲得表示液體傳導性的數據，可測量空腔附近的聲波裝置的電阻和/或頻率。
文檔編號G01N29/02GK101218504SQ200680025033
公開日2008年7月9日 申請日期2006年4月6日 優先權日2005年5月11日
發明者A·拉曼, J·劉, M·L·羅德斯 申請人:霍尼韋爾國際公司