阅读说明：本技术 传感器装置 (Sensor device ) 是由 帕先科·弗拉基米尔 缪拉尔特·保罗 齐恩·汉斯彼特 于 2020-03-19 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种传感器装置(1),其包括压电换能器(3)和基座构件(2)。压电换能器包括具有至少一个激励电极(37、38)的压电构件,激励电极连接到压电构件的第一面,并且压电构件具有在第一面和第二面之间的厚度(h)。压电换能器(3)附接到基座构件(2)的支撑面,其中压电换能器的第二面邻近基座构件的支撑面。基座构件包括至少一个远离压电构件的声波反射标签(21)。(A sensor device (1) comprises a piezoelectric transducer (3) and a base member (2). The piezoelectric transducer includes a piezoelectric member having at least one excitation electrode (37, 38) connected to a first face of the piezoelectric member, and the piezoelectric member has a thickness (h) between the first face and a second face. A piezoelectric transducer (3) is attached to the support face of the base member (2), with a second face of the piezoelectric transducer adjacent the support face of the base member. The base member includes at least one acoustic wave reflective label (21) remote from the piezoelectric member.)

传感器装置

技术领域

本公开涉及如权利要求中所述的传感器装置。进一步涉及包含所述传感器装置的测量系统。

背景技术

应用压电换能器来感测各种物理参数在本领域中是已知的。例如，这些应用利用表面声波(也称为SAW)的传播速度会根据表面声波装置表面上的机械应力、变形、应变、温度或分子沉积的不同而变化。传播速度的变化，以及由于应变引起的几何形状的变化，可以作为例如波的传播时间、相移等的变化来检测。因此，表面声波装置可以用于例如测量温度、应变、扭矩、力等。如果在表面声波装置上适当地施加特定的涂层，表面声波装置可以用于测量例如空气传播物质、湿度、生物物质、辐射或磁性。所述类型的压电传感器可以用作无线传感器，而不需要在压电换能器上安装特定电源或有线连接到特定电源。

表面和体声波装置也在电子应用中用作带通滤波器，特别是在电信应用中。

通常，表面声波装置作为压电基板上的电极提供。通常，它们作为叉指换能器提供，电极组交替地交错在压电基板的表面上。叉指换能器(IDT)是一种由两个互锁的梳状金属电极阵列组成的装置，呈拉锁状。这些金属电极沉积在压电基板的表面上，形成周期性结构。叉指换能器的主要功能是通过压电效应在输入换能器中产生周期性分布的机械力，从而将电信号转换成表面声波(SAW)。同样的原理也适用于在输出换能器中将表面声波转换回电信号。因此，某些装置应用输入换能器和输出换能器。提供给输入换能器的振荡电压激励信号引起基板中的传播波，该传播波又在输出换能器处被转换成振荡电压响应信号。

例如，在专利文献EP 1577667、US 7,243,547、US 7,434,989、US7,795,779、US 8,742,645、US 9,027,407、US 2016/0012265和US2015/0013461中提出了表面声波传感器。在某些应用中，这些装置的一个共同问题是它们受限于温度上限。US 2015/0244344提出了一种具有压电材料的表面声波装置，例如有序的硅酸镓镧A₃BC₃D₂0₁₄结构，其可以在高至约1500℃的温度下工作。一些成分包括Sr₃TaGa₃Si₂0₁₄、Sr₃NbGa₃Si₂0₁₄、Ca₃TaGa₃Si₂0₁₄以及Ca₃TaAl₃Si₂0₁₄。然而，硅酸镓镧显示出相对较差的机电耦合值。在涡轮发动机叶片的应用中，US 2015/0244344提出在压电材料和叶片的热障涂层之间放置介电层。US 2015/0244344提出将分立的压电换能器放置在声学基板上，以便构成一种表面引导体波换能器。在2016年的美国电气和电子工程师学会国际超声波学研讨会(IEEE InternationalUltrasonics Symposium)上，V.Pashchenko、R.Matloub、F.Parsapourkolour、P.Muralt,S.Balandras和K.Haffner公开了一种压电换能器，该压电换能器具有特定的优点，特别是在机电耦合方面，即把电激励信号转换成声波。

本公开的主题概述

如最初提到的，本公开涉及传感器装置。在一方面，应提供能够进行可靠温度测量的传感器。另一方面，应提供一种适合在高温条件下使用的传感器，例如在高于300℃、高于450℃或甚至高于600℃的温度下使用。在其他方面，传感器装置应为无源传感器装置，不需要直接连接到传感器装置的特定电源。在另一方面，传感器装置应该能够远程操作，从而不需要通过线缆连接到其他硬件。

这通过权利要求中阐述的主题实现。

考虑到下面提供的公开内容，公开主题的进一步效果和优点，无论是否明确提及，都将变得显而易见。

因此，公开了一种包括压电换能器和基座构件的传感器装置，其中压电换能器包括压电构件，该压电构件具有连接到其第一面的至少一个激励电极。具体地，基座构件是非压电基座构件，即基座构件由非压电材料制成。如下面更详细描述的，在非限制性的具体实施方案中，基座构件可以是纯蓝宝石构件。激励电极适于通过外部提供的电压电激励压电构件，以及接收和传递由压电构件的机械激励引起的电压信号。压电构件具有限定在第一面和第二面之间的厚度。压电换能器附接到基座构件的支撑面，其中压电换能器的第二面邻近基座构件的支撑面。基座构件包括至少一个远离压电构件的声波反射标签。在操作中，基本上在向至少一个激励电极提供振荡电压时，压电构件被电激励。所述电激励信号具有有限的持续时间。压电构件的振动被传递到基座构件，并作为表面声波在基座构件的表面上传播。表面声波在至少一个声波反射标签处被反射。反射的表面声波被传递到压电构件，并机械地激励压电构件。由于压电构件的激励，在激励电极上产生了一个振荡电压。在这方面，该压电换能器，即同一个压电换能器，被配置为作为输入换能器和输出换能器工作。“同一个压电换能器”不一定意味着只提供一个换能器；然而，如下所述，这是一个实施方案。它指出，一个传感器发挥两种功能。应当理解，电激励信号的持续时间必须短于声波激励和响应信号返回换能器之间的预期延迟。因此，如上所述，在示例性实施方案中，传感器装置可以包括单个换能器，并且该单个换能器可以用作输入换能器和输出换能器。电激励压电构件和检测到来自反射波的响应信号之间的延迟时间可以取决于某些物理参数，例如但不限于温度或应变。传感器装置可以被校准，以便知道延迟时间和感兴趣的物理参数之间的相关性。因此，本文公开的传感器装置可用于确定或测量感兴趣的物理参数。例如，它可以用来测量温度。因此，在向换能器施加振荡激励电压信号以便电激励压电构件并因此在基座构件上产生表面声波时，可以询问传感器。来自从声波反射标签反射的表面声波的响应信号随后机械地激励压电构件，从而在激励电极处产生电信号，该电信号可作为响应信号被检测到。应当理解，特别是，激励信号可以无线传输到激励电极，以及响应信号可以从激励电极无线传输。

在一些情况下，从第一面到第二面测量出的压电构件的总厚度可以至少大约相当于在目标激励频率下压电构件内部的体声波波长的二分之一。因此，可以理解，传感器装置可以被专门设计用于特定的目标激励频率或目标频率。

需注意，在本公开的框架内，不定冠词“一(a/an)”的使用绝不限定单数，也不排除多个命名构件或特征的存在。因此，它应该被理解为“至少一个”或“一个或多个”的意思。

在传感器装置的示例性实施方案中，至少一个声波反射标签设置在基座构件的支撑面上。这在各个方面都是有益的。一方面，当来自换能器的声波在基座构件的支撑面从换能器传递到基座构件时，假设表面声波在支撑面上最强是非常合理的。此外，一般来说，传感器装置可以旨在被附接到部件表面，其中基座构件的一面与支撑面相对，从而可以抑制或强烈衰减表面声波在所述相对面上的传播。

在其他方面，至少一个声波反射标签可以是基座构件的支撑面中的凹槽，并且设置为与压电换能器相距一个延迟线宽度。凹槽可以容易地在任何种类的基座构件中制造，并且在恶劣的环境中证明是坚固的，例如暴露于高温、高压和/或侵蚀性物质中。此外，已经表明凹槽产生优异的表面声波反射质量。本文使用的延迟线表示在基座构件的支撑面上换能器和声波反射标签之间的空间，并且容易理解的是，延迟线的宽度对于电激励换能器和检测到响应信号之间的时间延迟的大小具有决定性作用。

在实施方案中，凹槽的深度相当于在设想的激励频率下基座构件上的表面声波的波长的3％到7％，并且在更具体的实施方案中至少大约相当于所述波长的5％。已发现凹槽的深度对响应信号的质量有显著影响，因为太浅的凹槽将无法产生足够的反射振幅。另一方面，观察到太深的凹槽导致表面声波转变成体声波并导致寄生耗散。有益的深度范围可能取决于基座构件的材料。例如，如果基座构件是蓝宝石基座构件，则上述值带来良好的性能。在某些情况下，在波传播方向上的凹槽宽度可以至少相当于在目标激励频率下基座构件上的表面声波的波长的四分之一。

在本文公开的传感器装置的实施方案中，压电换能器包括至少一个纵向延伸的梁，和至少一个声波反射标签，该声波反射标签平行于压电换能器的梁延伸。更具体地，波反射标签从梁平行偏移，偏移方向垂直于梁和标签。这使生成的表面声波能从标签处产生特别好的反射，同样使换能器很好地接收反射的表面声波信号。还可能是这样的情况，标签的长度至少等于梁的长度，这样从梁横向传播的波完全被标签捕获。可以发现如果基座构件和压电换能器被设置成使得压电构件的声阻抗除以基座构件的声阻抗之间的比率至少大约等于2^-1/2，则基座构件具有声阻抗且压电构件具有声阻抗是有益的。这可以改善换能器和基座构件之间的声耦合，使得在从换能器输入特定声功率时，基座构件上的表面声波振幅增强。

为了能够将无线信号和功率传输到传感器装置以及从传感器装置传输无线信号，激励电极可以连接到天线。反过来，天线可以设置在基座构件的支撑面上，这产生了特别紧凑和坚固的设计。应当理解，到达和来自换能器的有效无线功率和信号传输越容易实现，在压电构件内部产生特定声波幅度所需要的功率越低，或者反之，对于给定的激励信号强度，声波幅度越高。此外，换能器和基座构件之间的机械波传输和转换的效率越高，由给定激励信号得到的响应信号将越强，这进一步支持传感器装置和任何评估单元之间的有效无线信号传输和可接受的信噪比。

此外，至少在实施方案中已经发现，如果接地电极连接到换能器的第二面，即，特别是邻近基座构件或者在压电构件的第二面和基座构件的支撑表面之间，则传感器装置的性能得到了改善。在所述情况下，压电构件的厚度在第一面和面对接地电极的面之间测量。发现如果应用了硝酸钪铝换能器，这种布置产生了特别的性能益处。在某些非限制性实施方案中，接地电极是铂电极。

在更具体的实施方案中，压电换能器包括一体式单片压电构件，其中具有一定深度的平行凹槽阵列设置在压电构件内并在第一面中延伸，由此平行延伸梁的阵列限定在压电构件中并通过凹槽彼此分开。凹槽的深度小于在压电构件的第一面和第二面之间测量的压电构件的总厚度，以便保持梁之间的机械耦合。在压电构件的第一面上，每个梁连接到激励电极。在2016年的美国电气和电子工程师学会国际超声学研讨会(IEEE InternationalUltrasonics Symposium)上，V.Pashchenko、R.Matloub、F.Parsapourkolour、P.Muralt、S.Balandras以及K.Haffner指出，当换能器梁之间的机械耦合得以保持时，耦合系数(即基本上是来自换能器的声波转换成基座构件上的表面声波的效率，并且如本领域技术人员容易理解的那样，反之亦然，反射的表面声波被传送到换能器以转换成电响应信号的效率)显著增强。由于这些效应，传感器装置对提供给换能器的激励信号的响应得到增强。因此，传感器询问时的响应信号强度得到了提高。从而，将激励信号无线传输到换能器和从换能器无线传输响应信号时的信噪比得到了提高。

在实施方案中，垂直于梁纵向延伸方向测量的梁的节距至少大约相当于在目标激励频率下基座构件上的表面声波的波长的一半。在实施方案中，将梁彼此分开的凹槽的深度可以至少大约相当于在压电构件的第一面和第二面之间测量的压电构件总厚度的60％。如上所述，从第一面到第二面测量出的压电构件的所述总厚度可以至少大约相当于在目标激励频率下压电构件内部的体声波波长的二分之一。观察每个所述值以改善表面声波的机电耦合，即每个电激励信号幅度对应的表面声波强度或幅度，反之亦然，从某一反射波振幅得出的电信号强度。所述参数的增强可以用于增强传感器装置的信噪比。

在更具体的实施方案中，梁阵列被细分为两个子集，其中连接到梁的第一子集的激励电极彼此电连接，连接到梁的第二子集的激励电极彼此电连接，并且与连接到梁的第一子集的激励电极电绝缘，其中第一子集的梁与第二子集的梁交替布置，使得梁的两个子集彼此交错。该实施方案基本上构成了叉指换能器。此外，可以是这样的情况，即梁的第一子集从第一横向梁向第二横向梁延伸，并且梁的第二子集从第二横向梁向第一横向梁延伸。通过各自的横向凹槽，梁的第一子集与第二横向梁分离，梁的第二子集与第一横向梁分离。横向凹槽可以具有与将梁彼此分开的凹槽相同的深度。“横向”，在本文中以及当与梁相关时，应被理解为相对于梁阵列的梁为横向，而不是相对于传感器装置或基座构件为横向。

梁的每个子集的激励电极可以彼此连接，并且还可以连接到公共天线。然而，应当理解，梁的第一子集的电极与梁的第二子集的电极电绝缘。

压电换能器可以包括至少一个由硝酸铝和硝酸铝钪之一组成的压电构件。在这方面，压电换能器包括至少一个由硝酸铝或硝酸铝钪组成的压电构件。现在已知的或将来的其他合适的材料可以应用于本文所述的压电换能器中的压电构件。基座构件可以是纯蓝宝石构件。

在实施方案中，压电换能器和至少一个声波反射标签之间的基座构件的至少一个表面可以涂覆有金属氧化物。这使得能够应用传感器装置来检测某些化学物质。

还公开了包括至少一个上述类型的传感器装置的一种测量系统。至少一个激励电极被适配和配置用于信号的无接触传输。测量系统还包括被配置为向换能器传输致动信号并从换能器接收响应信号(即询问传感器)的设备。用于向换能器传输致动信号并从换能器接收响应信号的设备可以是单个装置或者可以作为独立的多个装置提供。

还公开了一种用于制造本文公开类型的传感器装置的方法。该方法包括分别提供基座构件或基板。在特定实施方案中，基座构件是蓝宝石构件。该方法包括在基座构件的顶表面中蚀刻凹槽，该凹槽旨在用作声波反射标签。该方法包括在基座构件的顶表面上沉积压电材料。沉积压电材料可以包括溅射。压电材料可以是硝酸铝或硝酸铝钪中的一种。

随后，该方法包括蚀刻压电材料，以便在压电材料中产生将换能器梁彼此分开的凹槽。应当理解，在生成凹槽时，蚀刻深度小于压电层的厚度。该方法还可以包括掩蔽旨在形成换能器的压电材料部分，并从基座构件的不旨在被换能器覆盖的部分移除压电材料。在实施方案中，该方法可以包括在分别蚀刻凹槽或梁之前，在压电材料层上提供电极材料层。因此，当分离槽被蚀刻时，激励电极形成在梁上。更具体的实施方案可以进一步包括在基座构件上沉积用于接地电极的材料，并且在沉积压电材料之前制造接地电极。

应当理解，上面公开的特征和实施方案可以彼此组合。还应当理解，在本公开和所要求保护的主题的范围内，其他实施方案是可想到的，这些实施方案对于本领域技术人员而言是显而易见的。

具体实施方式

现在将通过附图中所示的选定示例性实施方案来更详细地解释本公开的主题。附图示出内容，其中：

图1示出了本文所述类型的传感器装置的示例性实施方案的平面图；

图2示出了图1所示传感器装置的剖视图；以及

图3示出了包括本文所述类型的传感器装置的测量系统的示例性实施方案。

应当理解，附图是高度示意性的，并且为了便于理解和描绘，可能已经省略了指示目的不需要的细节。还应当理解，附图仅示出了选定的说明性实施方案，未示出的实施方案可能仍然落在本文公开和/或要求保护的主题的范围内。

实施本公开教导的示例性模式

借助于图1和图2中描绘的非限制性示例性实施方案，将更好地理解上述主题。图1示出了上述类型的传感器装置1的示例性实施方案的平面图。图2示出了沿着图1的II-II线的剖视图。压电换能器3设置在基座构件或基板2上。压电换能器附接到基座构件，压电构件的底部或第二面邻近基座构件2的支撑表面。基座构件可以由蓝宝石制成。压电换能器通常包括压电构件和设置在压电构件顶部或第一面上的电极。注意，在这方面，诸如“顶部”和“底部”、“在…上”、“下面”、“下方”等术语不应被解释为将主题限制在空间中的特定方位，而应被理解为有助于对附图的解释。在实施方案中，压电构件可以由硝酸铝(AIN)或硝酸铝钪(AIScN)材料制成。压电构件包括以两个子集提供的平行延伸梁31和33。从图2中可以最好地看出，梁被凹槽35分开，为了使附图清晰和可理解，仅用附图标记表示出凹槽35的一部分。如图1所示，第一子集的所有梁31都连接到第一横向梁32。第二子集的所有梁33连接到第二横向梁34。梁的第一子集的梁31通过凹槽与第二横向梁34分开。梁的第二子集的梁33通过凹槽与第一横向梁32分开。将梁与横向梁分开的凹槽连接到将梁彼此分开的凹槽35，并且在特定实施方案中，可以具有与将梁彼此分开的凹槽35相同的深度。从图1中还可以清楚地看到，第一和第二子集的梁31和33分别交替布置。如将借助于图2所理解的，所有梁在压电构件的第二面(在该情况下为底表面)与基座构件相邻的位置处彼此连接。从压电构件的第一面或顶面延伸的凹槽的深度t小于压电构件的厚度h。如上所述，发现凹槽深度t和压电构件厚度h之比是0.6或者至少大约等于0.6是有益的。激励电极37的第一子集连接到压电构件的顶面，并设置在梁的第一子集的梁31的顶部。激励电极38的第二子集连接到压电构件的顶面，并设置在第二子集的梁33的顶部。第一子集的所有激励电极37彼此电连接，例如沿着第一横向梁32的顶侧。第二子集的所有激励电极38彼此电连接，例如沿着第二横向梁34的顶侧。第一子集的激励电极37和第二子集的激励电极38彼此电绝缘。因为布置在梁的第一子集上的所有电极彼此连接，并且布置在梁的第二子集上的所有电极彼此连接，并且第一和第二子集的梁交替布置，由此形成叉指换能器。天线51和52设置在基座构件2的顶面上。天线51电连接到位于梁的第一子集上的激励电极37。天线52电连接到位于梁的第二子集上的激励电极38。此外，接地电极36设置为邻近压电构件的底面。接地电极可以是铂电极。此外，在实施方案中，激励电极和天线可以包括铂。天线51和52可以被配置成接收激励信号并将高频激励电压信号传输到激励电极37和38。激励电压在压电构件内部引起振荡。振荡可能导致在压电构件内部形成体声波。反之亦然，压电构件的机械激励导致在激励电极处可检测到的电压，并且可以通过天线51和52传输到远程设备。在压电构件内部引起的体声波可以被传递到基座构件，并且可以被转换成沿着基座构件的顶表面(即换能器附着到基座构件的支撑表面)传播的表面声波。本领域技术人员将理解，该装置旨在以目标激励频率操作。因此，在所述目标频率下，压电构件内部的体声波和基座构件表面上的表面声波的波长是已知的。选择压电换能器的梁的空间频率，使得梁的节距p至少大约相当于目标频率下基座构件上的表面声波的波长的二分之一。结果，如果第一和第二子集的梁被激励以便以反相关系振荡，则单个梁将与基座构件表面上的表面声波共振振荡。有利地，蓝宝石基座构件的最小厚度应当相当于所述波长的至少十倍。从图1可以明显看出，基座构件具有纵向范围和横向范围，其中纵向范围大于横向范围。换能器3的梁阵列的梁31、33以其纵向方向在基座构件的横向方向上延伸，并且沿着基座构件的纵向方向交替布置。注意，横向梁32、34在基座构件的纵向方向上延伸。因此，当换能器被目标频率的电信号激励时，基座构件上的表面声波从换能器垂直于梁阵列的梁31、33并在基座构件的纵向上向基座构件的纵向端部传播。凹槽21在基座构件的横向方向上延伸，或者平行于换能器的梁，或者换句话说，横向于表面声波的传播方向。所述凹槽21设置在基座构件的支撑表面或顶表面中。只有一些凹槽由附图标记具体标识。所述凹槽构成声波反射标签。凹槽布置在延迟线上，与换能器相距s。一些凹槽的延迟线宽度在s1、s3和s5处确定。应当理解，换能器两侧的声波反射槽的布置是对称的。因此，由换能器激发声波到检测到作为来自凹槽的反射波的响应信号之间的时间是相应延迟线宽度除以表面声波传播速度的两倍。为了获得高反射质量，声波反射槽的深度u优选地选择在目标频率下表面声波波长的1％到6％的范围内。在更具体的实施方案中，最小深度相当于目标频率下表面声波波长的2％。在更进一步更具体的实施方案中，最大深度相当于目标频率下表面声波波长的5％。凹槽的深度越小，产生的反射越少，而凹槽的深度过大，会产生寄生损耗，并将表面声波转换成体声波。还应当理解，在实施方案中，在基座构件的横向方向上延伸的凹槽的长度至少相当于换能器的梁在基座构件的横向方向上的长度。凹槽的所述长度还可以至少相当于换能器在基座构件的横向方向上的范围。在示例性实施方案中，凹槽可以布置成从换能器的梁平行偏移。为了避免反射波和/或模糊反射信号的相消干涉，凹槽的宽度w可以有利地选择为至少大约相当于目标频率下的表面声波波长的四分之一，而换能器任一侧上的不同凹槽的延迟线宽度之间的差(例如，差s5-s3、s5-s1或s3-s1)应该至少大约相当于目标频率下的表面声波的一半波长的整数倍。

在操作中，在向换能器广播短持续时间的高频激励信号时，可以询问来自传感器装置的测量值。有利的是，“短持续时间”应该短于反射波信号从最近的声波反射槽返回到换能器的预期延迟时间。激励信号可以是无线传输的高频信号，例如在从约100兆赫到数千兆赫的范围内。特别是，激励信号的频率相当于传感器装置设计的目标频率，特别是相对于如上所述的特定尺寸，或者在另一方面，传感器装置的尺寸被设计成适合目标频率。无线广播的信号被天线接收并传输到激励电极。如借助图1和2将理解的，天线的偶极基本上相互平行延伸。然而，激励电极的子集连接到偶极的相对端，因此存在于激励电极的两个子集的振荡电压信号彼此具有180°或反相偏移。振荡电压信号电激励换能器的压电构件内部的体声波。体声波被转换成在基座构件的表面上传播的表面声波。在传播通过延迟线之后，表面声波的反射作为响应波传播回换能器。响应波机械地激励压电构件，因此在激励电极处产生电响应信号。电响应信号通过天线无线传输到接收器。如最初概述的，广播激励信号和接收响应信号之间的延迟时间取决于某些物理参数。传感器装置可以相应地被校准，从而可以从延迟时间中扣除物理参数，例如但不限于温度或应变。

图3示意性地描绘了包括上述类型的传感器装置的测量系统的示例性实施方案。传感器装置1可以例如位于燃气涡轮发动机的热气路径中。广播装置110向传感器装置1广播激励信号115。上文概述了关于激励信号的频率和持续时间的考虑。利用上述延迟，可以得出关于传感器装置的物理状况的结论，传感器装置1向接收器装置120发送响应信号125。广播装置110和接收器装置120可以连接到公共评估单元130，该评估单元130记录广播激励信号和接收响应信号之间的时间延迟，并根据所述测量的时间延迟计算期望的物理状况。在其他实施方案中，广播装置、接收器装置和评估单元中的一个或多个可以包含在一个单独的装置或单元中。

根据以上描述，技术人员将容易理解传感器装置也可以如何通过有线连接来操作。

虽然已经通过示例性实施方案解释了本公开的主题，但是应当理解，这些决不旨在限制所要求保护的发明的范围。应当理解，权利要求书覆盖了在此未明确示出或公开的实施方案，并且与在实施本公开的教导的示例性模式中公开的实施方案不同的实施方案仍将被权利要求书覆盖。