專利名稱：采用復(fù)合模的聲表面波壓力傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種傳感器技術(shù)領(lǐng)域的壓力傳感器，具體是一種采用復(fù)合模的聲 表面波壓力傳感器。
背景技術(shù)：
實時監(jiān)測輪胎壓力、溫度等參數(shù)的"智能輪胎"，可以對輪胎爆裂提前預(yù)警， 避免意外災(zāi)難的發(fā)生，同時可以有效地改進(jìn)車輛的可操縱性、節(jié)省燃油、延長輪 胎的使用壽命和提高車輛的舒適性。隨著在美國和歐洲的立法，"智能輪胎"受 到世界各國的廣泛重視，擁有廣闊的應(yīng)用前景。它是一種量大面廣、市場和潛在 市場巨大、經(jīng)濟效益可觀的新產(chǎn)品。眾所周知，汽車輪胎壓力傳感器對產(chǎn)品的技 術(shù)指標(biāo)要求很高，可是卻需要低成本。換言之，汽車輪胎壓力傳感器是一種要求 具有軍品特性、民品價格的高科技產(chǎn)品。
目前國際上開發(fā)的汽車輪胎壓力傳感器類別和花色品種繁多，各有千秋。按 照其工作機制大致可以分成5類
①需輪胎內(nèi)電池供電的硅壓阻式或電容式壓力傳感器;②利用電磁感應(yīng)法從 外界供電(125KHz)的硅壓阻式或電容式壓力傳感器；③勿需輪胎內(nèi)電池供電的 磁阻式壓力傳感器;④勿需輪胎內(nèi)電池供電的晶體諧振與電容復(fù)合式壓力傳感器 (其調(diào)制載頻為2.45GHz);⑤不用輪胎內(nèi)電池供電的被動式聲表面波壓力傳感器 (系統(tǒng)載頻各個國家有所差別)。SAW (基于聲表面波)技術(shù)的"智能輪胎"利用 SAW器件本身工作在射頻頻段和純無源的特點，實現(xiàn)了傳感器敏感端工作時不需 要任何電池供電并且信息無線傳輸。與需電池供電的"智能輪胎"傳感器相比， 其使用環(huán)境溫度超過125'C后仍能正常工作的特點也是一大優(yōu)勢。 經(jīng)對現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)的檢索發(fā)現(xiàn)
英國傳感技術(shù)有限公司申報的公開號是CN1653321的中國專利中提出，采用 三組SAW敏感部件， 一組SAW敏感部件接受由導(dǎo)壓外殼變換而產(chǎn)生的力(壓力一 力)，另外兩組SAW敏感部件處于無應(yīng)變的區(qū)域，以便提供壓力和溫度的參考基準(zhǔn)。
美國霍尼韋爾國際公司申報的公開號為CN1813178的中國專利，該專利采用
單片式壓電基片結(jié)構(gòu)在該基片上設(shè)置了一組或多組微結(jié)構(gòu)的SAW溫度敏感部
件、 一組或多組微結(jié)構(gòu)的SAW壓力敏感部件以及1個或多個觸點。這些觸點有助 于維持傳感器的氣密性，并且從基片下面伸出，用于壓力傳感器系統(tǒng)的支撐和電 連接。它的SAW壓力敏感部件接受經(jīng)導(dǎo)壓外殼變換產(chǎn)生的力(壓力一力)，SAW 溫度敏感部件處于無應(yīng)變的區(qū)域，以便提供溫度的參考基準(zhǔn)。
專利公開號為CN1619954的中國專利，提出了一種改善措施，可是其安裝工 藝仍然沒有完全解決封裝盒凸起與作用晶片物理位置的一致性問題。此外，由于 封裝盒和其凸起是金屬材料構(gòu)成的，以前的技術(shù)沒有考慮"封裝盒上的凸起裝置
的金屬材料"熱膨脹系數(shù)與SAW石英晶體基片的匹配性，這都嚴(yán)重地影響了傳 感器分辨率、壓力準(zhǔn)確性、 一致性和長期穩(wěn)定性。
雖然CN1653321和CN1813178專利各有特色，但是它們的聲表面波力敏元件 工作模式皆為瑞利波模式，彈性元件體和傳感結(jié)構(gòu)都是采用硬質(zhì)量環(huán)的周邊固支
平膜片(簡支水晶杯)結(jié)構(gòu)。這類結(jié)構(gòu)不僅占據(jù)的壓電基片面積大，而且由于被 測體的溫場與壓力場不是處于同一區(qū)域，因此溫度修正和補償所使用的數(shù)據(jù)并不 是同一位置、同一時刻的壓力和溫度實測值，因此不能進(jìn)行準(zhǔn)確的溫度修正和補 償。瑞利波模式的聲表面波器件品質(zhì)因數(shù)(Q值)僅為幾千，且對晶片表面的缺 陷(劃痕、孿晶、氣孔)很敏感，耐表面污染(灰塵、油污、水氣)能力差，老 化特性欠佳；水晶杯封裝結(jié)構(gòu)僅在小撓度工作條件下具有線性特征，不僅量程范 圍窄，而且壓力靈敏度低。此外，水晶杯的膜片厚度很難加工均勻，從而導(dǎo)致膜 片的應(yīng)變分布不對稱，線性特性不好，壓力過載能力差， 一致性欠佳。
專利CN1653321中的壓力——力轉(zhuǎn)換器和力的傳遞結(jié)構(gòu)全都是采用壓力傳 感器的金屬封裝盒和盒上的凸起結(jié)構(gòu)，即利用金屬封裝盒及盒上的凸起結(jié)構(gòu)把被 測壓力轉(zhuǎn)變?yōu)榱?，并通過該凸起結(jié)構(gòu)與晶片的物理接觸，把此力傳遞給彈性元件 體和敏感裝置——聲表面波器件，導(dǎo)致聲表面波頻率的變化。實際上，金屬盒蓋 凸起結(jié)構(gòu)的彈性系數(shù)和溫度系數(shù)與彈性元件體和敏感裝置(皆釆用石英晶體材 料)的彈性系數(shù)和溫度系數(shù)通常并不相等。
專利CN1653321的壓力——力轉(zhuǎn)換器和力的傳遞特性主要由下述3個因子的
位置關(guān)系決定的:金屬封裝盒以及盒上的凸起結(jié)構(gòu)與晶片的物理接觸位置的定位 精度、叉指換能器(包括反射柵陣)的制作尺寸精度以及它在晶向和晶片上的物 理位置精度。這個專利的力傳遞結(jié)構(gòu)要求在2維空間位置的設(shè)計和加工上都必須 具有高精度。因此，利用目前的常規(guī)工藝制作，其一致性很差。
專利CN1653321封裝盒上的凸起結(jié)構(gòu)實際上是一種金屬凹坑。因此在使用壓 力傳感器期間，該金屬凹坑極易沉積灰塵、油污和水分，它們可造成壓力傳感器 的預(yù)應(yīng)力的變化，從而形成零位漂移和測量誤差。當(dāng)轎車、重型卡車和摩托車的 輪胎外胎進(jìn)水后，壓力傳感器表面和金屬凹坑有時會積存水或結(jié)冰。顯然，這種 機構(gòu)有時會損壞壓力傳感器。此外，此種凸起的橫截面積較大，即端部尖銳化欠 佳，其應(yīng)力集中效果差。
利用封裝盒和其凸起結(jié)構(gòu)與晶片的物理接觸，把力傳遞給彈性元件體和敏感
裝置一一聲表面波器件，但是也帶來了副作用把外界的振動和安裝應(yīng)力等也傳
遞給彈性元件體和敏感裝置，給測量帶來較大誤差，甚至可能會損傷SAW基片。 總之，有必要探索高靈敏度的聲表面波模式和新式導(dǎo)壓和敏感結(jié)構(gòu)，以便縮
小壓力傳感器的體積，增加傳感器的壓力靈敏度、準(zhǔn)確度，改善傳感器抗污染、
耐惡劣環(huán)境(特別是抗噪聲、耐機械振動和沖擊)能力，提高其一致性和長期穩(wěn)定性。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種采用復(fù)合模的聲表面 波壓力傳感器，使其利用掠面體波模式和瑞利波模式的復(fù)合模的聲表面波敏感元 件，并還包括微型縮頸式導(dǎo)力頂針片、帶頂針片和蘑菇狀加壓帽的硬心球殼導(dǎo)壓 金屬膜片、由硼硅酸鹽玻璃構(gòu)成的具有盲孔的圓筒形導(dǎo)力筒、隔離干擾應(yīng)力并且 應(yīng)力靈敏度不隨施力位置改變的石英懸臂梁等關(guān)鍵部件的配合，獲得高精密、高 穩(wěn)定、耐惡劣環(huán)境工作的特性。
本發(fā)明是通過如下技術(shù)方案實現(xiàn)的，本發(fā)明包括蘑菇狀加壓帽、硬心球殼
導(dǎo)壓金屬膜片、金屬導(dǎo)力柱、過壓保護(hù)裝置、金屬外殼側(cè)壁、導(dǎo)力頂針片、導(dǎo)力
筒、石英懸臂梁式敏感元件、底殼、過壓保護(hù)裝置，其中硬心球殼導(dǎo)壓金屬膜 片、金屬外殼側(cè)壁和底殼組成一個氣密性的容器，硬心球殼導(dǎo)壓金屬膜片的上表 面通過金屬導(dǎo)力柱與蘑燕狀加壓帽相連，其下表面固定著一枚導(dǎo)力頂針片，導(dǎo)力
頂針片與導(dǎo)力筒剛性相連，在導(dǎo)力筒內(nèi)部設(shè)有石英懸臂梁式敏感元件，石英懸臂 梁式敏感元件的一端通過玻璃粉料與導(dǎo)力筒的盲孔端面相連，另一端通過玻璃粉 料使與金屬外殼側(cè)壁的盲孔結(jié)合，過壓保護(hù)裝置設(shè)置在底殼的內(nèi)表面上。
所述蘑菇狀加壓帽的邊緣設(shè)有第一突起裝置，金屬外殼側(cè)壁的頂端設(shè)有第二 突起裝置，第一突起裝置和第二突起裝置的功能是限位過壓保護(hù)。
所述蘑燕狀加壓帽，其外形尺寸大于或等于硬心球殼導(dǎo)壓金屬膜片的外形尺 寸，且其外表面涂覆了一層聚四氟乙烯薄膜，以防止灰塵、油污和水分在壓力傳 感器蘑菇狀加壓帽的外表面的沉積和落入硬心殼導(dǎo)壓金屬膜片上；否則，如果灰 塵、油污和水分落在導(dǎo)壓金屬膜片上，那么它們的重量改變壓力傳感器的預(yù)應(yīng)力， 不僅帶來零位漂移，而且給壓力的精密測量帶來一定的誤差。
所述金屬導(dǎo)力柱，其數(shù)目為1 3根，均勻分布在蘑菇狀加壓帽和硬心球殼 導(dǎo)壓金屬膜片之間，以使被測壓力能夠均勻地、不失真地傳遞給硬心球殼導(dǎo)壓金 屬膜片。
所述金屬外殼側(cè)壁，其與懸臂梁式敏感元件相連的一側(cè)設(shè)有兩個或兩個以上 的下凹的隔振裝置，隔震裝置分別設(shè)置在石英懸臂梁式敏感元件的上方和下方， 金屬外殼側(cè)壁的另一側(cè)面上也設(shè)有一個下凹的隔振裝置，以更好地隔離外界振動 的傳入。
所述導(dǎo)力頂針片，由鎂合金組成或在其表面設(shè)有一層鎂合金箔，導(dǎo)力頂針片 的厚度從硬心殼導(dǎo)壓金屬膜片至導(dǎo)力筒逐漸變薄，導(dǎo)力頂針片的中間位置設(shè)置有 縮頸凹槽，以便改善傳感器的抗機械振動和沖擊能力，防止導(dǎo)力筒或懸臂梁式敏 感元件的破損；導(dǎo)力頂針片的長度為130Mm 25腿，具體長度取決于壓力測量范 圍和對技術(shù)指標(biāo)的要求，以保證傳感器具有良好的靈敏度和很好的長期穩(wěn)定性。
所述石英懸臂梁式敏感元件，包括壓電石英晶片、瑞利波模式SAW器件、 掠面體波SSBW器件，壓電石英晶片表面上設(shè)置有一個瑞利波模式SAW器件和一 個掠面體波SSBW器件，瑞利波模式SAW器件激發(fā)的瑞利波與掠面體波SSBW器件 激發(fā)的掠面體波的傳播方向成90。角，掠面體波SSBW器件采用端面反射型單端 口諧振器，瑞利波模式SAW器件采用反射型延遲線結(jié)構(gòu)或者單端口諧振器。這樣 的設(shè)計使得傳感器不僅具有高靈敏度、高溫度穩(wěn)定性，而且可以有效地利用瑞利 波模式SAW在表面?zhèn)鞑ィ用骟w波模式SSBW在表層傳播的原理，兩者在微小
的空間內(nèi)各有自己的傳播路徑，互不干擾。換言之，利用聲表面波的瑞利波模式 和掠面體波模式能量在一片壓電石英晶片上分布深淺的差別，使它們立體交叉， 實現(xiàn)同時測量壓力和溫度的功能，瑞利波SAW器件和掠面體波SSBW器件的這種 設(shè)置極大縮小了晶片表面積，從而縮小了傳感器的外形尺寸。
所述壓電石英晶片，其左邊部分為長等腰梯形，右邊部分為矩形，左邊的等 腰梯形形狀能夠形成等強度梁，右邊矩形部分可便于安裝在金屬外殼側(cè)壁上，左 邊部分和右邊部分之間還設(shè)有通孔槽，并以圓滑過度弧相銜接，通孔槽和圓滑過 度弧是為了防止或抑制外界的振動和外應(yīng)力導(dǎo)入而制作的，也能夠起到抑制晶片 邊緣的聲反射作用。
所述壓電石英晶片，其兩側(cè)設(shè)有機械切口，機械切口為半圓形、方形或V 形凹槽應(yīng)力集中裝置，以便提高壓力靈敏度；壓電石英晶片與金屬外殼側(cè)壁固定 的一端設(shè)有矩形切口 ，以使復(fù)合模表面波石英懸臂梁式敏感元件插入金屬外殼側(cè) 壁并且固定牢固；壓電石英晶片在與導(dǎo)力筒相連的一端設(shè)有圓弧，以增強與導(dǎo)力 筒的結(jié)合力。
所述過壓保護(hù)裝置，其設(shè)置在導(dǎo)力筒處于滿量程壓力值的1. 5-2. 5倍時位移 的極限位置，以便防止在過壓時石英懸臂梁式敏感元件受到損壞。
所述導(dǎo)力筒、壓電石英晶片和玻璃粉料，其之間的熱膨脹系數(shù)必須相互匹配， 以減少由于溫度變化產(chǎn)生的熱應(yīng)力給壓力測量帶來的誤差。
本發(fā)明的壓力傳感器其內(nèi)部充滿等于1個大氣壓的氮氣，這樣不僅為測量壓 力(表壓)提供了參考壓力，而且可以減少氧氣對SAW器件金屬電極的氧化，改 善傳感器的長期穩(wěn)定性。
本發(fā)明當(dāng)被測壓力作用到蘑菇狀加壓帽上后，通過均勻分布的金屬導(dǎo)力短支 柱將壓力傳遞到硬心球殼導(dǎo)壓金屬膜片上，然后把"壓力"變換為"力"。在蘑 菇狀加壓帽的外表面涂覆了一層聚四氟乙烯薄膜，以防止灰塵、油污和水分在壓 力傳感器外表面的沉積；此外，由于蘑燕狀加壓帽的外形尺寸大于或等于硬心球 殼導(dǎo)壓金屬膜片的外形尺寸，也可防止灰塵、油污和水分落入硬心殼導(dǎo)壓金屬膜 片上。再通過一端固定在硬心球殼導(dǎo)壓金屬膜片上的導(dǎo)力頂針片將壓力進(jìn)一步傳 遞到導(dǎo)力筒，由于導(dǎo)力頂針片由鎂合金構(gòu)成(或者焊接一層鎂合金箔)，而鎂合 金耐凹陷特性好，由沖撞而引起的凹陷小于其他金屬。再加上金屬外殼側(cè)壁上設(shè)
有的下凹隔振裝置，因此可以改善傳感器的抗機械振動和沖擊能力，防止導(dǎo)力筒 或石英懸臂梁式表面波敏感元件的破損。由硼硅酸鹽玻璃構(gòu)成的具有盲孔的導(dǎo)力 筒的形狀頗像一根試管，其內(nèi)部設(shè)置了光刻有復(fù)合模(聲表面波的掠面體波模式 和瑞利波模式的復(fù)合)表面波元件的石英懸臂梁式敏感元件。同時根據(jù)材料力學(xué) 知識，即使在不同的位置施加力F在導(dǎo)力筒上，在呈長形等腰梯形石英懸臂梁 內(nèi)各橫截面產(chǎn)生的應(yīng)力是相等的，在表面上任意位置的應(yīng)變也相等。當(dāng)導(dǎo)力筒處 于滿量程壓力值的1. 5-2. 5倍時，其極限位移正是過壓保護(hù)裝置的外邊緣，因此 能夠防止在過壓時傳感器的石英懸臂梁式敏感元件受到損壞。傳遞到導(dǎo)力筒的力 將引起石英懸臂梁式敏感元件的壓電石英晶片應(yīng)力的改變，從而導(dǎo)致該晶片上的 瑞利波模式SAW器件和掠面體波SSBW器件的波速同時發(fā)生變化，因此兩個器件 的輸出信號(頻率或傳播時延)發(fā)生變化。顯然，若能測量出其信號的變化量， 便可知道其壓力值。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下有益的效果
本發(fā)明能夠在同一工作頻率的條件下，制作一種體積小、壓力靈敏度高(比 常規(guī)SAW壓力傳感器的靈敏度高15倍左右)、準(zhǔn)確度好、一致性和長期穩(wěn)定性佳， 抗污染，耐機械振動沖擊和適宜在較寬溫區(qū)工作能力強的聲表面波壓力傳感器； 特別是能夠提供一種應(yīng)力靈敏度高，可是其應(yīng)力靈敏度卻不受施力位置影響的導(dǎo) 力筒與長形等腰梯形石英力敏懸臂梁相結(jié)合的力敏裝置，從而解決了目前聲表面 波壓力傳感器設(shè)計和生產(chǎn)中的一大難題。
本發(fā)明能大幅度地增加壓力靈敏度，縮小傳感器的外形尺寸，提高測量的準(zhǔn) 確度、 一致性和長期穩(wěn)定性，改善其抗污染(灰塵、油污和水分等)能力，耐機 械振動沖擊和適宜在較寬溫區(qū)工作能力，有效地利用瑞利波模式SAW在表面?zhèn)?播，而掠面體波模式SAW在表層傳播的原理，使兩者在微小的空間內(nèi)各有自己的 傳播路徑，立體交叉，互不干擾，縮小體積，減少了被測壓力場中的溫度梯度， 提高溫補的精確性和適時跟隨性，為聲表面波壓力傳感器的精確、適時溫補提供 一種新方法。此外，特別提供了一種應(yīng)力靈敏度很高的石英力敏懸臂梁，可是其 靈敏度不隨施力位置改變，從而解決了目前聲表面波壓力傳感器設(shè)計和生產(chǎn)的一 大難題。
本發(fā)明涉及，并且不限于汽車、摩托車輪胎壓力和溫度的無線檢測應(yīng)用。本 發(fā)明特別適用于惡劣環(huán)境中的轎車、重型卡車和高檔摩托車的壓力、溫度無線監(jiān)


圖1是本發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2是本發(fā)明中的導(dǎo)力頂針片的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是本發(fā)明中的石英懸臂梁式敏感元件和導(dǎo)力筒部分的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4是本發(fā)明的實施例一中石英懸臂梁式敏感元件的結(jié)構(gòu)示意其中(a)是實施例一中石英懸臂梁式敏感元件的俯視圖，(b)是實施例一
中石英懸臂梁式敏感元件的側(cè)視圖。
圖5是本發(fā)明實施例一中掠面體波SSBW器件是一種端面反射型掠面體波諧
振器時的結(jié)構(gòu)示意其中(a)是端面反射型掠面體波諧振器結(jié)構(gòu)示意圖，(b)是端面反射型掠
面體波諧振器局部剖面圖。
圖6是本發(fā)明的實施例二中石英懸臂梁式敏感元件的結(jié)構(gòu)示意其中，圖(a)是實施例二中石英懸臂梁式敏感元件的俯視圖，(b)是實施
例二中石英懸臂梁式敏感元件的側(cè)視圖。
圖7是本發(fā)明的實施例三中石英懸臂梁式敏感元件的結(jié)構(gòu)示意其中(a)是實施例三中石英懸臂梁式敏感元件的俯視圖，(b)是實施例三
中石英懸臂梁式敏感元件的側(cè)視圖。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施例作詳細(xì)說明本實施例在以本發(fā)明技術(shù)方案 為前提下進(jìn)行實施，給出了詳細(xì)的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù) 范圍不限于下述的實施例。
實施例一
如圖l、圖2、圖3所示，本實施例包括蘑菇狀加壓帽2、金屬導(dǎo)力柱4、 硬心球殼導(dǎo)壓金屬膜片7、金屬外殼側(cè)壁8、導(dǎo)力頂針片9、導(dǎo)力筒IO、石英懸 臂梁式敏感元件13、底殼14、過壓保護(hù)裝置17，其中硬心球殼導(dǎo)壓金屬膜片 7、金屬外殼側(cè)壁8、底殼14組成一氣密性的容器，硬心球殼導(dǎo)壓金屬膜片7的 上表面通過金屬導(dǎo)力柱4與蘑菇狀加壓帽2相連，下表面固定導(dǎo)力頂針片9，導(dǎo)
力頂針片9與導(dǎo)力筒10剛性相連，導(dǎo)力筒10內(nèi)部設(shè)有石英懸臂梁式敏感元件 13，石英懸臂梁式敏感元件13的一端通過第一玻璃粉料16與導(dǎo)力筒10的側(cè)面 相連，另一端通過第二玻璃粉料12與金屬外殼側(cè)壁8的盲孔11相連，過壓保護(hù) 裝置17設(shè)置在底殼14上。
所述蘑燕狀加壓帽2的邊緣設(shè)有第一突起裝置5，金屬外殼側(cè)壁8的頂端設(shè) 有第二突起裝置6，第一突起裝置5和第二突起裝置6是一種限位過壓保護(hù)裝置。
所述蘑菇狀加壓帽2，其外形尺寸大于或等于硬心球殼導(dǎo)壓金屬膜片7的外 形尺寸，且其外表面涂覆了一層聚四氟乙烯薄膜3，以防止灰塵、油污和水分在 蘑菇狀加壓帽2的外表面的沉積和落入硬心殼導(dǎo)壓金屬膜片7上。否則，如果灰 塵、油污和水分落在導(dǎo)壓金屬膜片7上，那么它們的重量將改變傳感器的預(yù)應(yīng)力， 給壓力的測量帶來一定的誤差。
所述金屬導(dǎo)力柱4，其數(shù)目為1 3根，均勻分布在加壓帽3和硬心球殼導(dǎo) 壓金屬膜片7之間，以使被測壓力能夠均勻地、不失真地傳遞給硬心球殼導(dǎo)壓金 屬膜片7。
所述金屬外殼側(cè)壁8，其與石英懸臂梁式敏感元件13相連的一側(cè)設(shè)有兩個 或兩個以上的下凹的隔振裝置21，隔震裝置分別設(shè)置在石英懸臂梁式敏感元13 件的上方和下方，金屬外殼側(cè)壁8的另一側(cè)面上也設(shè)有一個下凹的隔振裝置21， 以更好地隔離外界振動的傳入。
所述導(dǎo)力頂針片9，由鎂合金組成或在其表面設(shè)有一層鎂合金箔18，其厚度 從硬心殼導(dǎo)壓金屬膜片7至導(dǎo)力筒10逐漸變薄，中間位置設(shè)置有縮頸凹槽19， 以便改善傳感器的抗機械振動和沖擊能力，防止導(dǎo)力筒10或懸臂梁式敏感元件 13的破損。
所述導(dǎo)力頂針片9，其長度為130Mm 155Mm，具體長度取決于壓力測量范圍 和對技術(shù)指標(biāo)的要求，以保證傳感器具有良好的靈敏度和很好的長期穩(wěn)定性。
如圖4所示，所述懸臂梁式敏感元件13，包括壓電石英晶片61、瑞利波 模式SAW器件20、掠面體波模式SAW器件27，其中，壓電石英晶片61選擇旋轉(zhuǎn) Y切石英，瑞利波模式SAW器件20、掠面體波模式SAW器件27位于壓電石英晶 片61的同一側(cè)，聲表面波傳播方向與晶片X軸成50。角，掠面體波模式SSBW 器件27激發(fā)的掠面體波35與瑞利波模式SAW器件20激發(fā)的瑞利波34的傳播方
向成90°角，瑞利波模式SAW器件20負(fù)責(zé)測量壓力，掠面體波模式SSBW器件 27負(fù)責(zé)測量溫度。
所述瑞利模式的SAW器件20，由叉指換能器25和兩個第一反射柵36構(gòu)成， 叉指換能器25位于兩個第一反射柵36之間，構(gòu)成單端口諧振器。
如圖5所示，所述掠面體波模式SSBW器件27，為一種端面反射型掠面體波 諧振器，由第二叉指換能器28和兩側(cè)的端面101組成，端面101分為三層起 平滑作用的第1級反射端面102 、粗糙的第2級反射端面103、第3級反射端面 104,第1級反射端面102和第2級端面103之間為平滑的臺階105，第2級端 面103與第3級端面104之間為粗糙的臺階105，端面的底部為壓電石英晶片61 的下表面41。
所述端面反射型掠面體諧振器是利用SSBW波和體聲波的能量在壓電石英晶 片61表層和內(nèi)部分布的差異(SSBW波的絕大多數(shù)能量分布在壓電石英晶片61 表層，而體聲波的能量勻布在壓電石英晶片61內(nèi)部)，利用第1級反射端面102 使SSBW波在壓電石英晶片61表層內(nèi)諧振，而此反射臺階端面卻阻斷了其下方的 體聲波諧振的影響。換言之，由于體聲波的諧振與SSBW波的諧振不重合，因此 與體聲波諧振相關(guān)的寄生信號被有效地抑制。
目前關(guān)于端面反射型掠面體諧振器已有多個專利，例如CN1128436《端面反 射型表面波諧振器》、CN11402427《端面反射型表面波濾波器》和CN1202041A《具 有端面反射型表面波諧振器的梯形濾波器》等。
所述壓電石英晶片61，其左邊部分22呈長等腰梯形，右邊部分23為矩形， 左邊的等腰梯形形狀能夠形成等強度梁，右邊部分23可便于安裝在金屬外殼側(cè) 壁8上，左邊部分22和右邊部分23之間還設(shè)有通孔槽30，并以圓滑過度弧24 相銜接，通孔槽30和圓滑過度弧24是為了防止或抑制外界的振動和外應(yīng)力導(dǎo)入 而制作的，也能夠起到抑制晶片邊緣的聲反射作用。
所述壓電石英晶片61，其兩側(cè)設(shè)有機械切口29、 32，切口 29、 32可以為半 圓形、方形或V形凹槽應(yīng)力集中裝置，以便提高壓力靈敏度；壓電石英晶片61 與金屬外殼側(cè)壁8固定的一端，設(shè)有矩形切口31，以使石英懸臂梁式敏感元件 13插入金屬外殼側(cè)壁8并且固定牢固；壓電石英晶片61在與導(dǎo)力筒10相連的 一端設(shè)有圓弧33，以增強與導(dǎo)力筒10的結(jié)合力。
所述過壓保護(hù)裝置17，其設(shè)置在導(dǎo)力筒10處于滿量程壓力值的1. 5倍時位 移的極限位置，以便防止在過壓時石英懸臂梁式敏感元件13受到損壞。
所述導(dǎo)力筒IO、壓電石英晶片61和玻璃粉料16、 12,其之間的熱膨脹系數(shù) 必須相互匹配，以減少由于溫度變化產(chǎn)生的熱應(yīng)力給壓力測量帶來的誤差。
本實施例的壓力傳感器，其內(nèi)部應(yīng)充滿等于1個大氣壓的氮氣，這樣不僅為 測量壓力(表壓)提供了參考壓力，而且可以減少氧氣對SAW器件金屬電極的氧 化，改善傳感器的長期穩(wěn)定性。
實施例二
如圖6所示，本實施例中與實施例一的結(jié)構(gòu)不同之處在于瑞利波模式SAW 器件20設(shè)在壓電石英晶片21的上表面，掠面體波SSBW器件27設(shè)在壓電石英晶 片21的下表面，聲表面波傳播方向與晶片X軸成50。角，掠面體波SSBW器件 27激發(fā)的掠面體波35與瑞利波模式SAW器件20激發(fā)的瑞利波34的傳播方向成 90°角。瑞利波模式SAW器件20負(fù)責(zé)測量溫度，掠面體波SSBW器件27負(fù)責(zé)測 量壓力。
顯然，實施例二采用瑞利波模式SAW器件20和掠面體波SSBW器件27之間 的組合，通過空間立體交叉，實現(xiàn)對壓力、溫度的測量。 實施例三
如圖7所示，本實施例與實施例一的結(jié)構(gòu)不同之處在于瑞利波模式SAW 器件20由一個叉指換能器25和三個第二反射柵35、 36和37 (或三個以上)排 成一行組成反射型延遲線(標(biāo)簽)結(jié)構(gòu)，掠面體波SSBW器件27是由第二叉指換 能器28和兩個第三反射柵組成。瑞利波模式SAW器件20設(shè)置在壓電石英晶片 61的上表面，掠面體波SSBW器件27設(shè)置在壓電石英晶片61的下表面，兩者在 壓電石英晶片61上能量分布的深淺不同，通過它們的空間立體交叉，實現(xiàn)對壓 力、溫度的測量。
權(quán)利要求
1、一種采用復(fù)合模的聲表面波壓力傳感器，其特征在于，包括蘑菇狀加壓帽、硬心球殼導(dǎo)壓金屬膜片、金屬導(dǎo)力柱、過壓保護(hù)裝置、金屬外殼側(cè)壁、導(dǎo)力頂針片、導(dǎo)力筒、石英懸臂梁式敏感元件、底殼、過壓保護(hù)裝置，其中硬心球殼導(dǎo)壓金屬膜片、金屬外殼側(cè)壁和底殼組成一個氣密性的容器，硬心球殼導(dǎo)壓金屬膜片的上表面通過金屬導(dǎo)力柱與蘑菇狀加壓帽相連，其下表面固定著一枚導(dǎo)力頂針片，導(dǎo)力頂針片與導(dǎo)力筒剛性相連，在導(dǎo)力筒內(nèi)部設(shè)有石英懸臂梁式敏感元件，石英懸臂梁式敏感元件的一端通過玻璃粉料與導(dǎo)力筒的盲孔端面相連，另一端通過玻璃粉料與金屬外殼側(cè)壁的盲孔結(jié)合，過壓保護(hù)裝置設(shè)置在底殼的內(nèi)表面上。
2、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的采用復(fù)合模的聲表面波壓力傳感器，其特征是， 所述蘑菇狀加壓帽的邊緣設(shè)有第一突起裝置，金屬外殼側(cè)壁的頂端設(shè)有第二突起 裝置，第一突起裝置和第二突起裝置用于限位過壓保護(hù)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的采用復(fù)合模的聲表面波壓力傳感器，其特征 是，所述蘑菇狀加壓帽，其外形尺寸大于或等于硬心球殼導(dǎo)壓金屬膜片的外形尺 寸，且其外表面涂覆了一層聚四氟乙烯薄膜。
4、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的采用復(fù)合模的聲表面波壓力傳感器，其特征是， 所述金屬導(dǎo)力柱，其數(shù)目為1 3根，均勻分布在蘑菇狀加壓帽和硬心球殼導(dǎo)壓 金屬膜片之間。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用復(fù)合模的聲表面波壓力傳感器，其特征是，所述金屬外殼側(cè)壁，其與懸臂梁式敏感元件相連的一側(cè)設(shè)有兩個或兩個以上的下 凹的隔振裝置，隔震裝置分別設(shè)置在石英懸臂梁式敏感元件的上方和下方，金屬 外殼側(cè)壁的另一側(cè)面上也設(shè)有一個下凹的隔振裝置。
6、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的采用復(fù)合模的聲表面波壓力傳感器，其特征是，所述導(dǎo)力頂針片，由鎂合金組成或在其表面設(shè)有一層鎂合金箔，導(dǎo)力頂針片的厚 度從硬心殼導(dǎo)壓金屬膜片至導(dǎo)力筒逐漸變薄，導(dǎo)力頂針片的中間位置設(shè)置有縮頸凹槽；導(dǎo)力頂針片的長度為130Mm 25誦。
7、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的采用復(fù)合模的聲表面波壓力傳感器，其特征是， 所述石英懸臂梁式敏感元件，包括壓電石英晶片、瑞利波模式SAW器件、掠面 體波SSBW器件，壓電石英晶片表面上設(shè)置有一個瑞利波模式SAW器件和一個掠 面體波SSBW器件，瑞利波模式SAW器件激發(fā)的瑞利波與掠面體波SSBW器件激發(fā) 的掠面體波的傳播方向成90。角，掠面體波SSBW器件采用端面反射型單端口諧 振器，瑞利波模式SAW器件采用反射型延遲線結(jié)構(gòu)或者單端口諧振器。
8、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的采用復(fù)合模的聲表面波壓力傳感器，其特征是， 所述壓電石英晶片，其左邊部分為長等腰梯形，右邊部分為矩形，左邊的等腰梯 形形狀能夠形成等強度梁，右邊矩形部分用于固定在金屬外殼側(cè)壁上，左邊部分 和右邊部分之間還設(shè)有通孔槽，并以圓滑過度弧相銜接。
9、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的采用復(fù)合模的聲表面波壓力傳感器，其特征是， 所述壓電石英晶片，其兩側(cè)設(shè)有機械切口，機械切口為半圓形、方形或V形凹槽 應(yīng)力集中裝置，壓電石英晶片與金屬外殼側(cè)壁固定的一端設(shè)有矩形切口，壓電石 英晶片在與導(dǎo)力筒相連的一端設(shè)有圓弧。
10、 根據(jù)權(quán)利要求7所述的采用復(fù)合模的聲表面波壓力傳感器，其特征是， 所述掠面體波SSBW器件采用端面反射型單端口諧振器時，單端口諧振器由一個 叉指換能器和兩側(cè)的端面，端面分為三層起平滑作用的第1級反射端面、粗糙 的第2級反射端面、第3級反射端面，第1級反射端面和第2級端面之間為平滑 的臺階，第2級端面與第3級端面之間為粗糙的臺階，端面的底部為壓電石英晶 片的下表面。
全文摘要
一種傳感器技術(shù)領(lǐng)域的采用復(fù)合模的聲表面波壓力傳感器，包括蘑菇狀加壓帽、硬心球殼導(dǎo)壓金屬膜片、金屬導(dǎo)力柱、過壓保護(hù)裝置、金屬外殼側(cè)壁、導(dǎo)力頂針片、導(dǎo)力筒、石英懸臂梁式敏感元件、底殼、過壓保護(hù)裝置，其中硬心球殼導(dǎo)壓金屬膜片、金屬外殼側(cè)壁和底殼組成一個氣密性容器，硬心球殼導(dǎo)壓金屬膜片的上表面通過金屬導(dǎo)力柱與蘑菇狀加壓帽相連，其下表面固定著一枚導(dǎo)力頂針片，導(dǎo)力頂針片與導(dǎo)力筒剛性相連，在導(dǎo)力筒內(nèi)部設(shè)有石英懸臂梁式敏感元件，石英懸臂梁式敏感元件的一端通過玻璃粉料與導(dǎo)力筒的盲孔端面相連，另一端利用玻璃粉料與金屬外殼側(cè)壁的盲孔結(jié)合。本發(fā)明的靈敏度比常規(guī)表面波傳感器高15倍以上，適宜汽車輪胎壓力的無線監(jiān)測。
文檔編號G01L1/16GK101354302SQ20081020003
公開日2009年1月28日 申請日期2008年9月18日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月18日
發(fā)明者江 林, 韜 韓 申請人:上海交通大學(xué)