[发明专利]高温(600℃)压力测量无源无线声表面波传感器

说明书

一、技术领域

本发明涉及一种可工作于600℃高温的压力传感器，此压力传感器采用声表面波技术。

二、背景技术

高温环境下的压力测量是测控技术的重点、难点之一。航空航天、武器装备、能源化工、汽车等领域常常需要在高温环境下进行压力测量与控制，高性能的高温压力传感器是上述领域中的关键器件之一。

目前广泛使用的硅压阻式压力传感器，采用P-N结隔离应变电桥与应变膜，其工艺成熟且性能优异，但是P-N结漏电随着温度升高而急剧增大，超过120℃时，传感器的性能会严重恶化以至失效，在600℃时会发生塑性变形和电流泄漏，导致信号处理系统和电路的极度失调。利用高温SiC制备的压力传感器虽然能够较好地解决这些问题，在高温、耐腐蚀等方面显示出明显的优越性，但是SiC压力传感器高温环境中引线的退化问题成为制约其高温环境应用的瓶颈。由于高温环境下供电和导线连接困难，信号处理电路也难以正常工作，常规高温压力传感器的使用受到极大限制，因此，研究适合高温环境下使用的无线无源传感技术具有重要的现实意义。

利用压电材料制成的声表面波压力传感器由于它本身的高频特性及基片的压电特性可使传感器无源、无线测量和传输，特别适合高温、辐射、易爆易燃等特殊环境下压力测量。此外，声表面波传感器还具有一些其他传感器所不具备的特殊优势，如体积小、精度高、抗干扰能力强、易实现数字化等优点。

石英为基底的声表面波压力传感器已经很成熟，由于石英在573℃会产生相变，工作温度在-20～100℃，不宜在高温环境下(200℃以上)使用。硅酸镓镧(LGS)晶体从室温到熔点(1470℃)没有相变发生，在850℃中放置几周也未发生分解现象，其机电耦合系数是石英材料2～3倍，且在双旋转切向上存在温度不敏感晶面。大尺寸高品质的LGS可以通过完善的Czochralski方法生长，生产工艺相对简单，价格适宜。

LGS压电晶体因其良好的压电特性和温度特性，且体积小、耗能低、响应快，成为目前最好的高温声表面波基片材料，使无线无源化的高温声表面波传感器成为可能。

中国专利CN 1514219提供了一种固态压阻式耐高温压力传感器，实现了200℃以上恶劣环境的温度测量，但此传感器仍需电源供电，需要导线传输信号，难以胜任500℃以上高温要求。中国专利CN101775657涉及到了硅酸镓镧高温应用零温度补偿切型，但没有具体针对此晶体在传感器方面做深入的工作。日本株式会社村田制作所在中国申请的专利CN 1127205C提到了以(0°，30°，80°)硅酸镓镧基底的声表面波器件，此器件具有极好的TCD和较大的压电耦合系数，此发明主要是提高表面波器件在信号处理领域的应用性能，而非高温传感应用。

三、发明内容

本发明的目的是提供一种能工作于600℃以上高温环境的压力传感器，解决高温压力测量中存在的供电及引线退化问题，实现一种高温实时检测压力的SAW无线传感器。

高温压力传感器工作原理是：叉指换能器通过天线接收来自查询单元的电磁波，电信号通过换能器被转换成声表面波，声表面波向两边传播，再被反射栅反射。反射回的声表面波被换能器转换回电信号，天线将电信号以电磁波形式传到远程查询单元，由此实现无线测量。

被天线传回的响应信号的信息内容包含了被测物理量的信息。所需检测的压力作用在压电衬底上，衬底沿长度方向形变，声表面波在衬底上传播的速度发生变化，进而谐振器的谐振频率发生变化，检测频率变化可得待测压力变化。

本发明的目的是这样实现的：

一种单端口声表面波谐振器，中心频率434MHz。所述声表面波谐振器以硅酸镓镧晶体为衬底材料，以铱为IDT电极和反射栅材料。在声表波谐振器设计时，根据所选定工作频率和声表面波在衬底中的速度确定叉指换能器电极及反射栅宽度，设计电极宽度与间距相等。在衬底的切向选用中，对压电材料基本常数进行理论计算，优选受温度影响最小的切型。在声表面波谐振器的制作过程中，先经过洗片，在衬底表面蒸镀一层铱金属材料，再经过光刻、腐蚀技术在薄膜上制作出叉指换能器和反射栅条。

系统的传感部分工作于高温环境，传感元件中硅酸镓镧基体可耐受600℃以上高温。谐振器金属电极，采用如钌、铱金属，可耐受600℃以上高温。单端谐振器与天线之间采用耐高温导线连接，高温导线与谐振器电极及天线的连接采用金属键合连接，而非点焊(230℃)，保证高温下正常工作的稳定性。传感器天线采用耐高温材料，天线采用环形天线或其它小型天线，减小天线工作时所占空间。表面波器件的表面应保持高度的致密、光滑和清洁，对声表面波高温传感器进行封装，封装需将整个谐振器金属电极部分与外界完全隔离。