[发明专利]采用复合模的声表面波压力传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种传感器技术领域的压力传感器，具体是一种采用复合模的声表面波压力传感器。

背景技术

实时监测轮胎压力、温度等参数的“智能轮胎”，可以对轮胎爆裂提前预警，避免意外灾难的发生，同时可以有效地改进车辆的可操纵性、节省燃油、延长轮胎的使用寿命和提高车辆的舒适性。随着在美国和欧洲的立法，“智能轮胎”受到世界各国的广泛重视，拥有广阔的应用前景。它是一种量大面广、市场和潜在市场巨大、经济效益可观的新产品。众所周知，汽车轮胎压力传感器对产品的技术指标要求很高，可是却需要低成本。换言之，汽车轮胎压力传感器是一种要求具有军品特性、民品价格的高科技产品。

目前国际上开发的汽车轮胎压力传感器类别和花色品种繁多，各有千秋。按照其工作机制大致可以分成5类：

①需轮胎内电池供电的硅压阻式或电容式压力传感器；②利用电磁感应法从外界供电(125KHz)的硅压阻式或电容式压力传感器；③勿需轮胎内电池供电的磁阻式压力传感器；④勿需轮胎内电池供电的晶体谐振与电容复合式压力传感器(其调制载频为2.45GHz)；⑤不用轮胎内电池供电的被动式声表面波压力传感器(系统载频各个国家有所差别)。SAW(基于声表面波)技术的“智能轮胎”利用SAW器件本身工作在射频频段和纯无源的特点，实现了传感器敏感端工作时不需要任何电池供电并且信息无线传输。与需电池供电的“智能轮胎”传感器相比，其使用环境温度超过125℃后仍能正常工作的特点也是一大优势。

经对现有技术文献的检索发现：

英国传感技术有限公司申报的公开号是CN1653321的中国专利中提出，采用三组SAW敏感部件，一组SAW敏感部件接受由导压外壳变换而产生的力(压力→力)，另外两组SAW敏感部件处于无应变的区域，以便提供压力和温度的参考基准。

美国霍尼韦尔国际公司申报的公开号为CN1813178的中国专利，该专利采用单片式压电基片结构：在该基片上设置了一组或多组微结构的SAW温度敏感部件、一组或多组微结构的SAW压力敏感部件以及1个或多个触点。这些触点有助于维持传感器的气密性，并且从基片下面伸出，用于压力传感器系统的支撑和电连接。它的SAW压力敏感部件接受经导压外壳变换产生的力(压力→力)，SAW温度敏感部件处于无应变的区域，以便提供温度的参考基准。

专利公开号为CN1619954的中国专利，提出了一种改善措施，可是其安装工艺仍然没有完全解决封装盒凸起与作用晶片物理位置的一致性问题。此外，由于封装盒和其凸起是金属材料构成的，以前的技术没有考虑“封装盒上的凸起装置的金属材料”热膨胀系数与SAW石英晶体基片的匹配性，这都严重地影响了传感器分辨率、压力准确性、一致性和长期稳定性。

虽然CN1653321和CN1813178专利各有特色，但是它们的声表面波力敏元件工作模式皆为瑞利波模式，弹性元件体和传感结构都是采用硬质量环的周边固支平膜片(简支水晶杯)结构。这类结构不仅占据的压电基片面积大，而且由于被测体的温场与压力场不是处于同一区域，因此温度修正和补偿所使用的数据并不是同一位置、同一时刻的压力和温度实测值，因此不能进行准确的温度修正和补偿。瑞利波模式的声表面波器件品质因数(Q值)仅为几千，且对晶片表面的缺陷(划痕、孪晶、气孔)很敏感，耐表面污染(灰尘、油污、水气)能力差，老化特性欠佳；水晶杯封装结构仅在小挠度工作条件下具有线性特征，不仅量程范围窄，而且压力灵敏度低。此外，水晶杯的膜片厚度很难加工均匀，从而导致膜片的应变分布不对称，线性特性不好，压力过载能力差，一致性欠佳。

专利CN1653321中的压力——力转换器和力的传递结构全都是采用压力传感器的金属封装盒和盒上的凸起结构，即利用金属封装盒及盒上的凸起结构把被测压力转变为力，并通过该凸起结构与晶片的物理接触，把此力传递给弹性元件体和敏感装置——声表面波器件，导致声表面波频率的变化。实际上，金属盒盖凸起结构的弹性系数和温度系数与弹性元件体和敏感装置(皆采用石英晶体材料)的弹性系数和温度系数通常并不相等。

专利CN1653321的压力——力转换器和力的传递特性主要由下述3个因子的位置关系决定的：金属封装盒以及盒上的凸起结构与晶片的物理接触位置的定位精度、叉指换能器(包括反射栅阵)的制作尺寸精度以及它在晶向和晶片上的物理位置精度。这个专利的力传递结构要求在2维空间位置的设计和加工上都必须具有高精度。因此，利用目前的常规工艺制作，其一致性很差。