基于聲表面波的具有溫度補償的感測加速度傳感器的制造方法
【專利摘要】本發明涉及一種基于聲表面波的具有溫度補償的感測加速度傳感器，包括密封連接的殼體和殼蓋，還包括壓電基片、壓電薄膜、基座和三個聲表面波諧振器，壓電薄膜設在壓電基片的上表面，基座固定在殼體內的底面上，壓電基片的一端為固定端，另一端為懸伸端，壓電薄膜的一端和壓電基片的固定端均固定在基座上，且高于殼體內的底面；至少有一個聲表面波諧振器設在壓電薄膜的上表面，剩余的聲表面諧振器設在壓電薄膜和壓電基片之間；三個聲表面波諧振器諧振頻率各不相同；三個聲表面波諧振器所產生的聲表面波均在x方向傳播，而所述x方向是指沿著壓電基片的固定端向壓電基片的懸伸端的伸出方向。本發明具有能夠監測加速度和溫度，以及測量精度高的優點。
【專利說明】基于聲表面波的具有溫度補償的感測加速度傳感器
【技術領域】
[0001]本發明具體涉及一種基于聲表面波的具有溫度補償的感測加速度傳感器。
【背景技術】
[0002]現有實時結構健康監測(Structural Health Monitoring, SHM)是許多工業過程控制的關鍵。在許多工業應用中，監測運動狀態下機械部件的健康狀況，如對高速列車車輪的負荷軸承的振動狀態的實時監控，是非常重要的。用基于狀態的維修(Condition BasedMaintenance, CBM)來替代目前的按計劃檢修(Schedule Based Maintenance, SBM)是降低維護及運營成本的一種有效方法。在所有這些情況下，采用多種類型的傳感器進行實時健康監測是最大限度地保持連續運行時間的關鍵。結構緊湊、無線和無源的傳感器特別適用于在危險的環境中，如在室外惡劣天氣環境下、高溫、高電磁輻射等環境下連續實時地進行實時結構健康監測。這些小型的無線無源傳感器可以不斷實時地監視設備的健康狀態，并在關鍵物理量超過了特定的范圍時向中央控制室提供報警信號。
[0003]基于聲表面波(SAW)的傳感器，外形尺寸小、無線、無源，很適合于這類結構健康監測應用。基于SAW的傳感器是完全無源(無電池)的，有很高的可靠性。與無線讀寫器配合，這些無源傳感器的讀出距離可達到5米以上。
[0004]由于壓電特性對外部環境變化的高靈敏度，SAW器件，如延遲線、反射延時線和諧振器，非常適合用于測量應力、應變、溫度、壓力、加速度、振動，和其他物理量。在通常情況下，SAW器件是在壓電基底上制作的，它包括一個或多個可將施加的電信號轉換成聲表面波，再將聲表面波轉換為電信號的叉指式換能器(IDT)結構。
[0005]所有外部的物理量和/或化學成分都可導致可被基于SAW的傳感器所監測到的壓電基底材料特性的變化。取決于SAW傳感器的設計結構，這樣的外部物理量和/或化學成分的變化可以被識別出來，它們或者與SAW諧振器的諧振頻率偏移相關聯，或者與SAW延遲線的延遲時間或電信號的相位偏移相關聯，或者與SAW延遲線結構的反射功率譜密度(PSD)的變化相關聯。
[0006]在現有技術中，一個有線的SAW加速度傳感器是通過在一個壓電懸臂基板上的不同表面上分別實現兩個相同的SAW諧振器來做到的。這種設計在制造工藝中實現起來是非常困難的，不僅結構復雜，而且生產成本也高，因此，在現實中它很難提供任何有意義的批量生產。也有些方案是使用SAW濾波器的結構，將其安裝在懸臂固定端的附近以做振動監測。但這種只通過監測濾波器的中心頻率變化的裝置，由于沒有任何參考基準，難以有效區分振動和溫度所帶來的頻率變化，因而難以獲得準確的測量，使得測量精度低。還有另一種設計，它使用一個單一的SAW諧振器，安裝在懸臂的固定端附近，監測因玻璃破碎所產生的特定頻率的聲波振動(應用于入侵監測)。雖然它可用于該應用場合，但這種設計只能用于監測某一特定頻率的振動發生與否，而不能用來監測在寬頻率范圍內的振動，以及不具有溫度補償功能。
【發明內容】
[0007]本發明的目的是:提供一種不僅結構簡單、緊湊，而且生產成本低，能夠監測加速度，以及測量精度高的基于聲表面波的具有溫度補償的感測加速度傳感器，以克服現有技術的不足。
[0008]為了達到上述目的，本發明的技術方案是:一種基于聲表面波的具有溫度補償的感測加速度傳感器，包括殼體和殼蓋，所述殼體和殼蓋密封連接，其創新點在于:
a、還包括壓電基片、壓電薄膜、基座和三個聲表面波諧振器，所述壓電薄膜設在壓電基片的上表面，所述基座固定在殼體內的底面上，壓電基片的一端為固定端，另一端為懸伸端，壓電薄膜的一端和壓電基片的固定端均固定在基座上，且高于殼體內的底面；
b、至少有一個聲表面波諧振器設在壓電薄膜的上表面，剩余的聲表面諧振器設在壓電薄膜和壓電基片之間；
C、所述三個聲表面波諧振器并聯連接，且諧振頻率各不相同；d、所述三個聲表面波諧振器所產生的聲表面波均在X方向傳播，而所述X方向是指沿著壓電基片的固定端向壓電基片的懸伸端的伸出方向。
[0009]在上述技術方案中，還包括壓塊，所述壓塊設在壓電基片的懸伸端，且所述壓塊與壓電基片是固定連接的或者是互為一體的。
[0010]在上述技術方案中，所述壓塊與壓電基片固定連接時，所述壓塊是金壓塊，或者是銀壓塊，或者是鉬壓塊。當然，并不局限于此，壓塊也可以采用其他材料的質量塊。
[0011]在上述技術方案中,所述殼體和殼蓋分別是金屬殼體和金屬殼蓋。
[0012]在上述技術方案中，所述殼體和殼蓋分別是陶瓷殼體和金屬殼蓋。
[0013]在上述技術方案中，所述壓電薄膜是氧化鋅或者是氮化鋁。
[0014]在上述技術方案中，所述壓電基片是ST切石英、或者是FST-切石英。所述ST切石英或FST-切石英的ST或FST方向與聲表面波諧振器所產生的聲表面波的傳播方向重合，均在X方向。當然，并不局限于此，壓電基片也可以采用其他的壓電晶體。
[0015]本發明所具有的積極效果是:由于采用了上述的傳感器結構后，將三個聲表面波諧振器設置在壓電基片同一側的不同物理表面上，且布置成層狀結構，并安裝在殼體內由殼蓋密封；因此，本發明不僅結構簡單、緊湊，而且生產成本低，且是可同時測量溫度和加速度的聲表面波(SAW)傳感器，且溫度和加速度的測量都是通過差分的方式實現的，通過將感測加速度的聲表面波諧振器的諧振頻率減去因溫度漂移而引起的諧振頻率的變化，可以得至IJ 一個溫度補償的加速度的測量值；這樣，本發明能夠監測加速度、具有溫度補償功能，且測量精度高。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0016]圖1是本發明第一種【具體實施方式】的結構示意圖；
圖2是本發明第二種【具體實施方式】的結構示意圖；
圖3是圖1不包括殼體的A-A剖視圖；
圖4是本發明不包括殼體和殼蓋的第三種【具體實施方式】的結構示意圖。
【具體實施方式】[0017]以下結合附圖以及給出的實施例，對本發明作進一步的說明，但并不局限于此。
[0018]如圖1、2、3、4所示，一種基于聲表面波的具有溫度補償的感測加速度傳感器，包括殼體I和殼蓋2，所述殼體I和殼蓋2密封連接，
a、還包括壓電基片3、壓電薄膜6、基座8和三個聲表面波諧振器4，所述壓電薄膜6設在壓電基片3的上表面，所述基座8固定在殼體I內的底面上，壓電基片3的一端為固定端，另一端為懸伸端，壓電薄膜6的一端和壓電基片3的固定端均固定在基座8上，且高于殼體I內的底面；
b、至少有一個聲表面波諧振器4設在壓電薄膜6的上表面,剩余的聲表面諧振器4設在壓電薄膜6和壓電基片3之間；
C、所述三個聲表面波諧振器4并聯連接，且諧振頻率各不相同；d、所述三個聲表面波諧振器4所產生的聲表面波均在X方向傳播，而所述X方向是指沿著壓電基片3的固定端向壓電基片3的懸伸端的伸出方向。
[0019]如圖1所示，其中一個聲表面波諧振器4是用于感測加速度的，且該聲表面波諧振器4設在壓電薄膜6和壓電基片3之間且靠近基座8 ;當然，也可以設在壓電薄膜6 —端的上表面且靠近基座8 ;其中一個聲表面波諧振器4用于感測溫度的,且該聲表面波諧振器4設在壓電基片3的另一端且位于壓電薄膜6和壓電基片3之間，剩余一個聲表面波諧振器4是用于感知參考溫度的，且該聲表面波諧振器4設在壓電薄膜6另一端的上表面。
[0020]如圖1、2、3、4所示，還包括壓塊9，所述壓塊9設在壓電基片3的懸伸端且壓塊9位于壓電薄膜6的另一端的上表面上，所述壓塊9與壓電基片3是固定連接的(如圖1所示)，或者壓塊9與壓電基片3是互為一體的，且壓塊9設在壓電基片3懸伸端的下表面上(如圖2所示)。用于感測溫度和感知參考溫度的兩個聲表面諧振器4均位于壓塊9的內側。
[0021]如圖1所示，所述壓塊9與壓電基片3固定連接時，所述壓塊9是金壓塊，或者是銀壓塊，或者是鉬壓塊。，或者其它材料的質量塊。壓塊9是用來獲得所希望的壓電懸梁(壓電基片3與壓電薄膜6)的本征諧振頻率。
[0022]本發明所述殼體I和殼蓋2分別是金屬殼體和金屬殼蓋。或者所述殼體I和殼蓋2分別是陶瓷殼體和金屬殼蓋。
[0023]本發明所述壓電薄膜6是氧化鋅或者是氮化鋁。所述壓電基片3是ST切石英、或者是FST-切石英,或者其它的壓電晶體。
[0024]如圖4所示，本發明用于感測溫度和感知參考溫度的兩個聲表面諧振器4在豎直方向的投影相交時，兩者的夾角在0°?180°范圍內，具體數值由兩方向聲表面波時延溫度系數(TCD)之差的最大值而定，這樣可以確保這兩個聲表面波諧振器4的溫度差分測量的靈敏度為最佳。
[0025]如圖1、3所示，本發明感測到的加速度的方向是壓電基片3作上下運動的Z-軸方向，而三個聲表面波(SAW)諧振器分別具有的叉指換能器(IDT)所產生的聲表面波在X方向傳播。在圖2所示結構中的壓電基片3 (ST切石英、或者是FST-切石英等)晶體的ST或FST方向(聲表面波的傳播方向)與傳感器結構的X軸方向重合。在這種情況下，感測溫度的聲表面波諧振器4與提供溫度基準信號的聲表面波諧振器4之間的溫度系數差(亦即傳感器的溫度測量靈敏度)由壓電薄膜6的材料參數，壓電薄膜6的薄膜厚度以及兩諧振器的諧振頻率差決定。[0026]如圖4所示，用于感測加速度的聲表面波諧振器4和感測參考溫度的聲表面波諧振器4的布置應使得聲表面波沿X方向傳播，但感測溫度的第二聲表面波諧振器5的角度與X方向是非平行的。在這種情況下，感測溫度的聲表面波諧振器4與提供溫度基準信號的聲表面波諧振器4之間的溫度系數差(亦即傳感器的溫度測量靈敏度)由壓電薄膜6的材料參數，壓電薄膜6的厚度，兩諧振器的諧振頻率差以及這兩個聲表面波諧振器之間的夾角決定。
[0027]本發明通過感測溫度的聲表面波諧振器4和感測參考溫度的聲表面波諧振器4之間的頻率差偏移可以測量出外部環境的溫度，再從感測加速度的聲表面波諧振器4和感測參考溫度的聲表面波諧振器4之間的頻率差中減去因溫度變化引起的頻率漂移，從而準確計算出僅由加速度引起的頻率變化，進而達到測量加速度的目的。
【權利要求】
1.一種基于聲表面波的具有溫度補償的感測加速度傳感器，包括殼體(I)和殼蓋(2)，所述殼體(I)和殼蓋(2 )密封連接，其特征在于: a、還包括壓電基片(3)、壓電薄膜(6)、基座(8)和三個聲表面波諧振器(4)，所述壓電薄膜(6)設在壓電基片(3)的上表面，所述基座(8)固定在殼體(I)內的底面上，壓電基片(3)的一端為固定端,另一端為懸伸端,壓電薄膜(6)的一端和壓電基片(3)的固定端均固定在基座(8)上，且高于殼體(I)內的底面； b、至少有一個聲表面波諧振器(4)設在壓電薄膜(6)的上表面，剩余的聲表面諧振器(4)設在壓電薄膜(6)和壓電基片(3)之間； C、所述三個聲表面波諧振器(4)并聯連接，且諧振頻率各不相同；d、所述三個聲表面波諧振器(4)所產生的聲表面波均在X方向傳播，而所述X方向是指沿著壓電基片(3)的固定端向壓電基片(3)的懸伸端的伸出方向。
2.根據權利要求1所述的基于聲表面波的具有溫度補償的感測加速度傳感器，其特征在于:還包括壓塊(9 )，所述壓塊(9 )設在壓電基片(3 )的懸伸端，且所述壓塊(9 )與壓電基片(3)是固定連接的或者是互為一體的。
3.根據權利要求2所述的基于聲表面波的具有溫度補償的感測加速度傳感器，其特征在于:所述壓塊(9)與壓電基片(3)固定連接時，所述壓塊(9)是金壓塊，或者是銀壓塊，或者是鉬壓塊。
4.根據權利要求1所述的基于聲表面波的具有溫度補償的感測加速度傳感器，其特征在于:所述殼體(I)和殼蓋(2)分別是金屬殼體和金屬殼蓋。
5.根據權利要求1所述的基于聲表面波的具有溫度補償的感測加速度傳感器，其特征在于:所述殼體(I)和殼蓋(2)分別是陶瓷殼體和金屬殼蓋。
6.根據權利要求1所述的基于聲表面波的具有溫度補償的感測加速度傳感器，其特征在于:所述壓電薄膜(6)是氧化鋅或者是氮化鋁。
7.根據權利要求1所述的基于聲表面波的具有溫度補償的感測加速度傳感器，其特征在于:所述壓電基片(3)是ST切石英、或者是FST-切石英。
【文檔編號】G01P15/09GK104007288SQ201410257074
【公開日】2014年8月27日 申請日期:2014年6月11日 優先權日:2014年6月11日
【發明者】高翔, 劉 文 申請人:常州智梭傳感科技有限公司