用于液體水平面測(cè)量的體聲波(baw)傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 公開(kāi)的實(shí)施例涉及包括用于感測(cè)液體水平面的聲波傳感器的系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 儲(chǔ)罐中的液體水平面或粉末水平面的在線(xiàn)測(cè)量廣泛用于化學(xué)、石油化學(xué)和醫(yī)藥工 業(yè)中的過(guò)程控制，還用于監(jiān)護(hù)運(yùn)送、海洋和運(yùn)輸操作中的過(guò)程控制。為此目的，有多種用于 檢測(cè)液體與粉末的點(diǎn)和連續(xù)水平面的機(jī)械、電學(xué)、磁力方法和儀器(發(fā)射器)。例如，有連續(xù) 水平面發(fā)射器，包括非接觸式雷達(dá)、導(dǎo)波雷達(dá)（GWR)、非接觸式超聲波、壓差、電容性、磁致伸 縮、置換器和激光器。
[0003] 連續(xù)水平面測(cè)量可以通過(guò)接觸方法(例如GWR、差壓、電容性、置換器）來(lái)進(jìn)行，其 中發(fā)射器被浸入液體中，或者例如在非接觸式雷達(dá)、超聲波和激光器的情況下可以通過(guò)將 發(fā)射器保持在液體外部來(lái)進(jìn)行(非接觸方法)。這些方法中的每一種既具有優(yōu)點(diǎn)也具有局限 性，并且實(shí)際上，針對(duì)特定情況的最合適方法的選擇是通過(guò)考慮具體的應(yīng)用要求(例如液體 的化學(xué)性質(zhì)、工藝條件等）來(lái)進(jìn)行的。對(duì)于其中當(dāng)液體水平面(或粉末水平面）太高或太低 時(shí)采取驅(qū)動(dòng)決定的許多應(yīng)用，通常使用通過(guò)使用開(kāi)關(guān)的點(diǎn)水平面（point level)測(cè)量，例如 使用振動(dòng)叉、電容性、浮子和置換器開(kāi)關(guān)。
[0004] 更復(fù)雜的問(wèn)題是檢測(cè)兩個(gè)不互溶液體之間的水平面和界面兩者，例如在油和水的 情況下，其中具有較低重量密度的油將保持在界面的上側(cè)，而具有較高重量密度的水將占 據(jù)界面的底側(cè)。對(duì)于這種情況，通常使用接觸方法(例如GWR、壓差)，其中例如在壓差方法的 情況下硬件和軟件算法都更復(fù)雜(與非接觸方法相比)，其中使用兩個(gè)壓力傳感器，或者使 用復(fù)雜的軟件，以便在上水平面、界面、底側(cè)或寄生反射之間進(jìn)行區(qū)分，例如在GWR方法的 情況下。另外，為了檢測(cè)兩個(gè)液體之間的界面，需要滿(mǎn)足多個(gè)條件，包括兩個(gè)介質(zhì)之間的介 電常數(shù)差應(yīng)當(dāng)通常至少等于10。多于一個(gè)界面的檢測(cè)對(duì)于已知的接觸方法來(lái)說(shuō)甚至更有挑 戰(zhàn)性，如果不是不可能的話(huà)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 提供該
【發(fā)明內(nèi)容】
來(lái)以簡(jiǎn)化的形式引入所公開(kāi)的概念的精選，在下面在包括所提供 的附圖的【具體實(shí)施方式】中進(jìn)一步描述所公開(kāi)的概念。該
【發(fā)明內(nèi)容】
并不旨在限制所要求保護(hù) 的主題的范圍。
[0006] 公開(kāi)的實(shí)施例認(rèn)識(shí)到盡管聲波器件(例如表面聲波（SAW)器件和類(lèi)似SAW的器件） 可以用于液體水平面感測(cè)，但是它們?cè)谝后w中經(jīng)受傾斜，并且由此僅受限于液體存在傳感 器的二元函數(shù)。公開(kāi)的實(shí)施例反而針對(duì)的是體聲波（BAW)傳感器，用于液體的水平面監(jiān)測(cè)， 這已經(jīng)被發(fā)明人認(rèn)識(shí)到，提供一種用于在給定罐中的兩個(gè)或更多個(gè)不同的不互溶液體的情 況下檢測(cè)流體水平面參數(shù)的接觸方法，所述流體水平面參數(shù)包括點(diǎn)水平面、準(zhǔn)連續(xù)水平面 和多個(gè)界面。
[0007] 與SAW或類(lèi)似SAW的器件不同，BAW器件的剪切振動(dòng)沿著壓電晶體襯底的體和表 面兩者行進(jìn)，并且不容易因裝載液體而傾斜，這使得能夠?qū)崿F(xiàn)另外的測(cè)量，包括在不同的不 互溶液體一起在給定罐中的情況下的準(zhǔn)連續(xù)水平面和多個(gè)界面的測(cè)量。BAW器件可以包括 水平剪切聲板模式（SHAPM)器件或厚度剪切模式（TSM)器件。
【附圖說(shuō)明】
[0008] 圖1是根據(jù)實(shí)例實(shí)施例的用于感測(cè)罐中的至少一種液體的至少一個(gè)水平面參數(shù) 的實(shí)例系統(tǒng)的功能框圖描繪，所述罐在該罐內(nèi)部包括多個(gè)BAW傳感器。
[0009] 圖2A-B是包括圖2A中的實(shí)例SHAPM器件的實(shí)例BAW器件的簡(jiǎn)化描繪，而圖2B描 繪了實(shí)例TSM器件。
[0010] 圖3A描繪了根據(jù)實(shí)例實(shí)施例的實(shí)例基于SHAPM的電子振蕩器，其中SHAPM器件連 接在放大器的反饋環(huán)路兩端以提供正反饋來(lái)形成電子振蕩器。
[0011] 圖3B是根據(jù)實(shí)例實(shí)施例的用于感測(cè)罐中的至少一種液體的至少一個(gè)水平面參數(shù) 的多傳感器系統(tǒng)的框圖描繪，所述多傳感器系統(tǒng)具有基于連接在放大器的反饋環(huán)路兩端的 BAW傳感器的振蕩器，至此基于由控制單元提供的唯一數(shù)字地址的多路復(fù)用器（MUX)將傳 感器陣列中的相應(yīng)BAW傳感器逐個(gè)地耦合到放大器的反饋環(huán)路。
[0012] 圖3C和圖3D均示出根據(jù)實(shí)例實(shí)施例的包括礦物油和空氣的具有所示的不同礦物 油水平面的罐布置。
[0013] 圖4A示出根據(jù)一個(gè)實(shí)施實(shí)施例的罐中的十四（14)個(gè)公開(kāi)的BAW器件的垂直堆疊， 所述BAW器件垂直放置在部分地填充有液體的罐的垂直壁上。
[0014] 圖4B示出根據(jù)實(shí)例實(shí)施例的罐中的十四（14)個(gè)公開(kāi)的MW器件的垂直堆疊，所 述BAW器件垂直放置于在其中具有三（3)種不同不互溶液體的罐的垂直壁上。
【具體實(shí)施方式】
[0015] 參考附圖描述公開(kāi)的實(shí)施例，其中類(lèi)似的參考數(shù)字貫穿附圖用于指定類(lèi)似或等效 元件。附圖沒(méi)有按比例繪制，并且提供附圖僅用于說(shuō)明某些公開(kāi)方面。下面參考用于說(shuō)明 的實(shí)例應(yīng)用來(lái)描述幾個(gè)公開(kāi)方面。應(yīng)當(dāng)理解多個(gè)具體細(xì)節(jié)、關(guān)系和方法被闡明來(lái)提供對(duì)所 公開(kāi)實(shí)施例的完整理解。
[0016] 然而，相關(guān)領(lǐng)域中的普通技術(shù)人員將容易認(rèn)識(shí)到這里所公開(kāi)的主題可以在沒(méi)有所 述具體細(xì)節(jié)中的一個(gè)或多個(gè)的情況下或者可以利用其它方法來(lái)實(shí)踐。在其他情況下，公知 的結(jié)構(gòu)或操作沒(méi)有被詳細(xì)示出以避免使某些方面模糊不清。本公開(kāi)不局限于動(dòng)作或事件的 所示排序，因?yàn)橐恍﹦?dòng)作可以以不同的順序發(fā)生和/或與其他動(dòng)作或事件同時(shí)發(fā)生。而且， 并不需要所有示出的動(dòng)作或事件都來(lái)實(shí)施根據(jù)這里公開(kāi)的實(shí)施例的方法。
[0017] 另外，術(shù)語(yǔ)〃耦合到〃或〃與……耦合〃（以及諸如〃連接到〃等類(lèi)似術(shù)語(yǔ)）在這 里用于電氣上下文中，在沒(méi)有進(jìn)一步限制的情況下旨在描述間接或直接電連接。由此，如果 第一器件"耦合"到第二器件，那么該連接可以是通過(guò)直接電連接(其中在路徑中僅存在寄 生效應(yīng))，或者是通過(guò)經(jīng)由包括其他器件和連接的中間項(xiàng)目的間接電連接。對(duì)于間接耦合， 該中間項(xiàng)目通常不修改信號(hào)的信息，但是可能調(diào)節(jié)其電流電平、電壓電平和/或功率電平。
[0018] 圖1是根據(jù)實(shí)例實(shí)施例的用于感測(cè)罐110中的至少一種液體101的至少一個(gè)水平 面參數(shù)的實(shí)例系統(tǒng)100的功能框圖描繪，所述罐110在該罐內(nèi)部包括多個(gè)BAW傳感器111a、 IllbUllc和Illd (BAW傳感器陣列111)。盡管圖1中所示的是SHAPM器件，但是BAW傳 感器陣列111中的BAW傳感器可以是SHAPM器件或TSM器件。系統(tǒng)100被示為完全線(xiàn)連接 系統(tǒng)。如在聲學(xué)感測(cè)領(lǐng)域中已知的，聲學(xué)感測(cè)通過(guò)當(dāng)在電子振蕩器電路兩端的反饋環(huán)路中 的聲學(xué)器件對(duì)輸入激勵(lì)響應(yīng)時(shí)監(jiān)測(cè)該電子振蕩器電路的振蕩頻率的變化來(lái)起作用。盡管無(wú) 線(xiàn)或局部無(wú)線(xiàn)系統(tǒng)對(duì)于公開(kāi)的系統(tǒng)是可以的，但是被浸入液體中的無(wú)線(xiàn)聲傳感器的操作通 常將產(chǎn)生實(shí)施挑戰(zhàn)，因?yàn)闊o(wú)線(xiàn)聲傳感器的天線(xiàn)將不被浸入液體中。
[0019] 液體101被示為在罐110中填充到水平面L。BAW傳感器陣列111包括被示為垂直 地沿罐110的垂直壁堆疊的BAW傳感器111a、111b、Illc和llld。每個(gè)BAW傳感器llla-d 具有輸入交指型換能器（IDT)112和輸出IDT 113,其代表SHAPM器件的電極配置。對(duì)于TSM 器件，如下面提到的，相比之下它們具有相對(duì)簡(jiǎn)單的電極對(duì)，其中一個(gè)電極一般在襯底的頂 面上并且一個(gè)電極在襯底的底面上。用于IDT 112和113的相應(yīng)電極(或用于TSM器件的 第一電極(例如頂部）和第二(例如底部）電極）可以包括鋁（Al)或Al合金，并且它們的厚 度可以被設(shè)置為大致是它們的線(xiàn)間距的（1/100)至1/20,但是通常不低于?μπι。BAW傳感器 111a、111b、Illc和Illd之間的垂直間隔一般是恒定距離，然而這不是必要條件，因?yàn)橥ㄟ^(guò) 感測(cè)系統(tǒng)100只需要針對(duì)每個(gè)BAW傳感器的絕對(duì)垂直位置(例如相對(duì)于罐110的底部)來(lái)提 供液體水平面計(jì)算。
[0020] 系統(tǒng)100包括讀出設(shè)備（電路）190、多路復(fù)用器（MUX) 150和控制單元170。盡管 沒(méi)有示出，在讀出設(shè)備190和控制單元170之間通常將存在模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC)和濾波器?？?制單元170包括處理器171 (例如，數(shù)字信號(hào)處理器（DSP)或微控制器單元（MCU))以及相 關(guān)聯(lián)的存儲(chǔ)器172 (-般是非易失性存儲(chǔ)器)，該存儲(chǔ)器172可以存儲(chǔ)包括程序/算法以及 針對(duì)感測(cè)陣列111中的每個(gè)BAW傳感器111a、111b、Illc和Illd的唯一數(shù)字地址的信息， 以及其他信息，例如基于由設(shè)置在系統(tǒng)100中的溫度傳感器(未示出）提供的信息在不同溫 度與BAW傳感器操作相關(guān)的校準(zhǔn)系數(shù)。
[0021] 對(duì)于2"個(gè)BAW傳感器，將有η個(gè)地址線(xiàn)(例如，對(duì)于16個(gè)BAW傳感器有4個(gè)線(xiàn))。 至MUX 150的輸入耦合