基于聲表面波的具有溫度補(bǔ)償?shù)母袦y(cè)振動(dòng)傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于聲表面波的具有溫度補(bǔ)償?shù)母袦y(cè)振動(dòng)傳感器，包括密封連接的殼體和殼蓋，還包括基座、壓電組件和諧振頻率各不相同的三個(gè)聲表面波諧振器，基座固定在殼體內(nèi)的底部；壓電組件是由壓電薄膜和壓電基片構(gòu)成，壓電薄膜設(shè)在壓電基片的上表面，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(nèi)的底面，至少有一個(gè)聲表面波諧振器設(shè)在壓電薄膜的上表面，剩余的聲表面諧振器設(shè)在壓電薄膜和壓電基片之間；所述三個(gè)聲表面波諧振器所產(chǎn)生的聲表面波均在Y方向傳播，而所述Y方向是指與沿著壓電基片的固定端向壓電基片的懸伸端的伸出方向相垂直的方向。本發(fā)明能夠同時(shí)監(jiān)測(cè)振動(dòng)和溫度。
【專利說明】基于聲表面波的具有溫度補(bǔ)償?shù)母袦y(cè)振動(dòng)傳感器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明具體涉及一種基于聲表面波的具有溫度補(bǔ)償?shù)母袦y(cè)振動(dòng)傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)有實(shí)時(shí)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)(Structural Health Monitoring, SHM)是許多工業(yè)過程控制的關(guān)鍵。在許多工業(yè)應(yīng)用中，監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下機(jī)械部件的健康狀況，如對(duì)高速列車車輪的負(fù)荷軸承的振動(dòng)狀態(tài)的實(shí)時(shí)監(jiān)控，是非常重要的。用基于狀態(tài)的維修(Condition BasedMaintenance, CBM)來替代目前的按計(jì)劃?rùn)z修(Schedule Based Maintenance, SBM)是降低維護(hù)及運(yùn)營(yíng)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(jìn)行實(shí)時(shí)健康監(jiān)測(cè)是最大限度地保持連續(xù)運(yùn)行時(shí)間的關(guān)鍵。結(jié)構(gòu)緊湊、無線和無源的傳感器特別適用于在危險(xiǎn)的環(huán)境中，如在室外惡劣天氣環(huán)境下、高溫、高電磁輻射等環(huán)境下連續(xù)實(shí)時(shí)地進(jìn)行實(shí)時(shí)結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)。這些小型的無線無源傳感器可以不斷實(shí)時(shí)地監(jiān)視設(shè)備的健康狀態(tài)，并在關(guān)鍵物理量超過了特定的范圍時(shí)向中央控制室提供報(bào)警信號(hào)。
[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(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)應(yīng)用?；赟AW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(dá)到5米以上。
[0004]由于壓電特性對(duì)外部環(huán)境變化的高靈敏度，SAW器件，如延遲線、反射延時(shí)線和諧振器，非常適合用于測(cè)量應(yīng)力、應(yīng)變、溫度、壓力、加速度、振動(dòng)，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(gè)或多個(gè)可將施加的電信號(hào)轉(zhuǎn)換成聲表面波，再將聲表面波轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的叉指式換能器(IDT)結(jié)構(gòu)。
[0005]所有外部的物理量和/或化學(xué)成分都可導(dǎo)致可被基于SAW的傳感器所監(jiān)測(cè)到的壓電基底材料特性的變化。取決于SAW傳感器的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，這樣的外部物理量和/或化學(xué)成分的變化可以被識(shí)別出來，它們或者與SAW諧振器的諧振頻率偏移相關(guān)聯(lián)，或者與SAW延遲線的延遲時(shí)間或電信號(hào)的相位偏移相關(guān)聯(lián)，或者與SAW延遲線結(jié)構(gòu)的反射功率譜密度(PSD)的變化相關(guān)聯(lián)。
[0006]在現(xiàn)有技術(shù)中，一個(gè)有線的SAW振動(dòng)傳感器是通過在一個(gè)壓電懸臂基板上的不同表面上分別實(shí)現(xiàn)兩個(gè)相同的SAW諧振器來做到的。這種設(shè)計(jì)在制造工藝中實(shí)現(xiàn)起來是非常困難的，不僅結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且生產(chǎn)成本也高，因此，在現(xiàn)實(shí)中它很難提供任何有意義的批量生產(chǎn)。也有些方案是使用SAW濾波器的結(jié)構(gòu)，將其安裝在懸臂固定端的附近以做振動(dòng)監(jiān)測(cè)。但這種只通過監(jiān)測(cè)濾波器的中心頻率變化的裝置，由于沒有任何參考基準(zhǔn)，難以有效區(qū)分振動(dòng)和溫度所帶來的頻率變化，因而難以獲得準(zhǔn)確的測(cè)量，使得測(cè)量精度低。還有另一種設(shè)計(jì)，它使用一個(gè)單一的SAW諧振器，安裝在懸臂的固定端附近，監(jiān)測(cè)因玻璃破碎所產(chǎn)生的特定頻率的聲波振動(dòng)(應(yīng)用于入侵監(jiān)測(cè))。雖然它可用于該應(yīng)用場(chǎng)合，但這種設(shè)計(jì)只能用于監(jiān)測(cè)某一特定頻率的振動(dòng)發(fā)生與否，而不能用來監(jiān)測(cè)在寬頻率范圍內(nèi)的振動(dòng)，以及不具有溫度補(bǔ)償功能。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的是:提供一種不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，生產(chǎn)成本低，而且能夠監(jiān)測(cè)振動(dòng)，以及測(cè)量精度高的基于聲表面波的具有溫度補(bǔ)償?shù)母袦y(cè)振動(dòng)傳感器，以克服現(xiàn)有技術(shù)的不足。
[0008]為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是:一種基于聲表面波的具有溫度補(bǔ)償?shù)母袦y(cè)振動(dòng)傳感器，包括殼體和殼蓋，所述殼體和殼蓋密封連接，其創(chuàng)新點(diǎn)在于:
a、還包括基座、壓電組件和三個(gè)聲表面波諧振器，所述基座固定在殼體內(nèi)的底部；
b、所述壓電組件是由壓電薄膜和壓電基片構(gòu)成，所述壓電薄膜設(shè)在壓電基片的上表面，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(nèi)的底面，
至少有一個(gè)聲表面波諧振器設(shè)在壓電薄膜的上表面，剩余的聲表面諧振器設(shè)在壓電薄膜和壓電基片之間；
C、所述三個(gè)聲表面波諧振器并聯(lián)連接，且諧振頻率各不相同；d、所述三個(gè)聲表面波諧振器所產(chǎn)生的聲表面波均在Y方向傳播，而所述Y方向是指與沿著壓電基片的固定端向壓電基片的懸伸端的伸出方向相垂直的方向。
[0009]在上述技術(shù)方案中，還包括壓塊；所述壓塊設(shè)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(shù)方案中，所述壓塊與壓電基片固定連接時(shí)，所述壓塊是金壓塊，或者是銀壓塊，或者是鉬壓塊。當(dāng)然，并不局限于此，壓塊也可以采用其他材料的質(zhì)量塊。
[0011]在上述技術(shù)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(shù)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(shù)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(shù)方案中，所述壓電基片可以是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(chǎn)生的聲表面波的傳播方向重合，均在Y方向。當(dāng)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(fā)明所具有的積極效果是:由于采用了上述的傳感器結(jié)構(gòu)后，將三個(gè)聲表面波諧振器設(shè)置在壓電組件上，且布置成層狀結(jié)構(gòu)，安裝在殼體內(nèi)由殼蓋密封；因此，本發(fā)明不僅結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，而且生產(chǎn)成本低，且是可同時(shí)測(cè)量溫度和振動(dòng)的聲表面波(SAW)傳感器，且溫度和振動(dòng)的測(cè)量都是通過差分的方式實(shí)現(xiàn)的，通過將感測(cè)振動(dòng)的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，可以得到一個(gè)溫度補(bǔ)償?shù)恼駝?dòng)的測(cè)量值；這樣，本發(fā)明能夠監(jiān)測(cè)加速度、具有溫度補(bǔ)償功能，且測(cè)量精度高。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0016]圖1是本發(fā)明第一種【具體實(shí)施方式】的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是圖1不包括殼體的A-A剖視圖；
圖3是本發(fā)明第二種【具體實(shí)施方式】的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖4是本發(fā)明不包括殼體和殼蓋的第三種【具體實(shí)施方式】的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】[0017]以下結(jié)合附圖以及給出的實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明作進(jìn)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(bǔ)償?shù)母袦y(cè)振動(dòng)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，而其:
a、還包括基座8、壓電組件5和三個(gè)聲表面波諧振器4，所述基座8固定在殼體I內(nèi)的底部；
b、所述壓電組件5是由壓電薄膜6和壓電基片3構(gòu)成，所述壓電薄膜設(shè)在壓電基片3的上表面，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(nèi)的底面，
至少有一個(gè)聲表面波諧振器4設(shè)在壓電薄膜6的上表面，剩余的聲表面諧振器4設(shè)在壓電薄膜6和壓電基片3之間；
C、所述三個(gè)聲表面波諧振器4并聯(lián)連接，且諧振頻率各不相同；d、所述三個(gè)聲表面波諧振器4所產(chǎn)生的聲表面波均在Y方向傳播，而所述Y方向是指與沿著壓電基片3的固定端向壓電基片3的懸伸端的伸出方向相垂直的方向。
[0019]如圖1所示，其中一個(gè)聲表面波諧振器4是用于感測(cè)振動(dòng)的，且該聲表面波諧振器4設(shè)在壓電薄膜6和壓電基片3之間且靠近基座8 ;當(dāng)然，也可以設(shè)在壓電薄膜6 —端的上表面且靠近基座8 ;其中一個(gè)聲表面波諧振器4用于感測(cè)溫度的,且該聲表面波諧振器4設(shè)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(gè)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(shè)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(shè)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)，或者所述壓塊9與壓電基片3是是互為一體的，且壓塊9設(shè)在壓電基片3懸伸端的下表面上(如圖3所示)。用于感測(cè)溫度和感知參考溫度的兩個(gè)聲表面諧振器4均位于壓塊9的內(nèi)側(cè)。用于感測(cè)溫度和感知參考溫度的兩個(gè)聲表面諧振器4在豎直方向的投影相互重合。
[0021]如圖3所示，所述壓塊9與壓電基片3固定連接時(shí)，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(zhì)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(fā)明所述殼體I和殼蓋2分別是金屬殼體和金屬殼蓋?；蛘咚鰵んwI和殼蓋2分別是陶瓷殼體和金屬殼蓋。
[0023]本發(fā)明所述壓電薄膜6是氧化鋅或者是氮化鋁。
[0024]本發(fā)明所述壓電基片3可以是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(chǎn)生的聲表面波的傳播方向重合,均在Y方向。當(dāng)然，并不局限于此，壓電基片也可以采用其他的壓電晶體。
[0025]如圖3所示，本發(fā)明用于感測(cè)溫度和感知參考溫度的兩個(gè)聲表面諧振器4在豎直方向的投影相交時(shí)，兩者的夾角在0°?180°范圍內(nèi)，具體數(shù)值由兩方向聲表面波時(shí)延溫度系數(shù)(TCD)之差的最大值而定，這樣可以確保這兩個(gè)聲表面波諧振器4的溫度差分測(cè)量的靈敏度為最佳。
[0026]如圖1、2所示，本發(fā)明感測(cè)到的振動(dòng)的方向是壓電基片3作上下運(yùn)動(dòng)的Z-軸方向，而三個(gè)聲表面波(SAW)諧振器分別具有的叉指換能器(IDT)所產(chǎn)生的聲表面波在y方向傳播。在圖1、2所示結(jié)構(gòu)中壓電基片3 (ST切石英、或者是FST-切石英等)晶體的切向?yàn)閭鞲衅鹘Y(jié)構(gòu)的I軸方向；在這種情況下感測(cè)溫度的聲表面波諧振器4與提供溫度基準(zhǔn)信號(hào)的聲表面波諧振器4之間的溫度系數(shù)差(亦即傳感器的溫度測(cè)量靈敏度)由壓電薄膜6的材料參數(shù)，壓電薄膜6的薄膜厚度以及該兩個(gè)聲表面波諧振器7的諧振頻率差決定。
[0027]如圖4所示，用于感測(cè)溫度和感知參考溫度的兩個(gè)聲表面諧振器4在豎直方向的投影部分重迭，即感測(cè)溫度的聲表面波諧振器4與感測(cè)參考溫度的聲表面波諧振器4在豎直方向的投影相交，在角度上是非平行的。在這種情況下感測(cè)溫度的聲表面波諧振器4與提供溫度基準(zhǔn)信號(hào)的聲表面波諧振器4之間的溫度系數(shù)差(亦即傳感器的溫度測(cè)量靈敏度)由壓電薄膜6的材料參數(shù)，壓電薄膜6的厚度，感測(cè)溫度和感知參考溫度的聲表面波諧振器4之間的夾角以及兩諧振器的諧振頻率差決定。
[0028]本發(fā)明聲表面波諧振器的聲表面波傳播方向設(shè)在y方向石英晶體的ST或FST方向，故其在X方向的尺寸較??；這樣一來聲表面波諧振器感知的物理量更具有局部性(局限在X方向一個(gè)較小區(qū)間)，更能精確反映所測(cè)點(diǎn)的物理量變化。
[0029]本發(fā)明通過感測(cè)溫度的聲表面波諧振器4和感測(cè)參考溫度的聲表面波諧振器4之間的頻率差偏移可以測(cè)量出外部環(huán)境的溫度，再?gòu)母袦y(cè)振動(dòng)的第一聲表面波諧振器4和感測(cè)參考溫度的第三聲表面波諧振器7之間的頻率差中減去因溫度變化引起的頻率漂移，從而準(zhǔn)確計(jì)算出僅由振動(dòng)引起的頻率變化，進(jìn)而達(dá)到測(cè)量振動(dòng)的目的。
【權(quán)利要求】
1.一種基于聲表面波的具有溫度補(bǔ)償?shù)母袦y(cè)振動(dòng)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、還包括基座(8)、壓電組件(5)和三個(gè)聲表面波諧振器(4)，所述基座(8)固定在殼體(O內(nèi)的底部； b、所述壓電組件(5)是由壓電薄膜(6)和壓電基片(3)構(gòu)成，所述壓電薄膜設(shè)在壓電基片(3)的上表面，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(nèi)的底面， 至少有一個(gè)聲表面波諧振器(4)設(shè)在壓電薄膜(6)的上表面，剩余的聲表面諧振器(4)設(shè)在壓電薄膜(6)和壓電基片(3)之間； C、所述三個(gè)聲表面波諧振器(4)并聯(lián)連接，且諧振頻率各不相同； d、所述三個(gè)聲表面波諧振器(4)所產(chǎn)生的聲表面波均在Y方向傳播，而所述Y方向是指與沿著壓電基片(3)的固定端向壓電基片(3)的懸伸端的伸出方向相垂直的方向。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于聲表面波的具有溫度補(bǔ)償?shù)母袦y(cè)振動(dòng)傳感器，其特征在于:還包括壓塊(9);所述壓塊(9)設(shè)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(jù)權(quán)利要求2所述的基于聲表面波的具有溫度補(bǔ)償?shù)母袦y(cè)振動(dòng)傳感器，其特征在于:所述壓塊(9)與壓電基片(3)固定連接時(shí)，所述壓塊(9)是金壓塊，或者是銀壓塊，或者是鉬壓塊。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于聲表面波的具有溫度補(bǔ)償?shù)母袦y(cè)振動(dòng)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(jù)權(quán)利要求1所述的基于聲表面波的具有溫度補(bǔ)償?shù)母袦y(cè)振動(dòng)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(jù)權(quán)利要求1所述的基于聲表面波的具有溫度補(bǔ)償?shù)母袦y(cè)振動(dòng)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(jù)權(quán)利要求1所述的基于聲表面波的具有溫度補(bǔ)償?shù)母袦y(cè)振動(dòng)傳感器，其特征在于:所述壓電基片(3)可以是ST切石英、或者是FST-切石英。
【文檔編號(hào)】G01H11/08GK104006875SQ201410257027
【公開日】2014年8月27日 申請(qǐng)日期:2014年6月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月11日
【發(fā)明者】高翔, 劉 文 申請(qǐng)人:常州智梭傳感科技有限公司