阅读说明：本技术 一种高灵敏度的声表面波绝压压力传感器 (High-sensitivity surface acoustic wave absolute pressure sensor ) 是由 郝文昌 骆伟 赵广宏 焦海龙 刘铁钢 张小辉 于 2020-06-10 设计创作，主要内容包括：一种高灵敏度的声表面波绝压压力传感器,包括感压膜片、声表面波谐振器、中间层、压力参考腔和盖板；中间层、感压膜片和盖板通过直接键合或间接键合方式形成整体结构,并在所述整体结构上形成压力参考腔；声表面波谐振器设置在感压膜片的内表面,位于压力参考腔的感压区域中心处；压力参考腔为矩形或椭圆形结构,矩形短边或椭圆形短轴与所述声表面波谐振器中声表面波的传播方向平行,且长度大于等于声表面波谐振器的长度,矩形长边或椭圆形长轴与所述声表面波谐振器中声孔径方向平行；声表面波谐振器(2)汇流条处均连接输出引线。本发明灵敏度高且体积小,加工工艺简单且继承性好,具有良好的长期稳定性。(A high-sensitivity surface acoustic wave absolute pressure sensor comprises a pressure sensing diaphragm, a surface acoustic wave resonator, an intermediate layer, a pressure reference cavity and a cover plate; the middle layer, the pressure sensing film and the cover plate form an integral structure in a direct bonding or indirect bonding mode, and a pressure reference cavity is formed on the integral structure; the surface acoustic wave resonator is arranged on the inner surface of the pressure sensing film and is positioned in the center of a pressure sensing area of the pressure reference cavity; the pressure reference cavity is of a rectangular or oval structure, the short side or the short axis of the rectangle is parallel to the propagation direction of surface acoustic wave in the surface acoustic wave resonator, the length of the pressure reference cavity is greater than or equal to that of the surface acoustic wave resonator, and the long side or the long axis of the rectangle is parallel to the direction of the aperture of the sound in the surface acoustic wave resonator; and output leads are connected to the bus bars of the surface acoustic wave resonator (2). The invention has the advantages of high sensitivity, small volume, simple processing technology, good inheritance and good long-term stability.)

一种高灵敏度的声表面波绝压压力传感器

技术领域

本发明涉及一种高灵敏度的声表面波绝压压力传感器，属于传感器设计领域。

背景技术

声表面波压力传感器因其独特的无线无源等特点，近年来受到人们的广泛关注。其主要应用于汽车轮胎的压力测量，被称为第二代“智能轮胎监测系统”。声表面波压力传感器的工作原理是：当外界压力作用于感压膜片时，与内部的压力参考腔形成压力差，引起感压膜片变形，导致膜片表面传播的声表面波特性改变，通过检测声表面波器件的频率或相位等输出信号，即可获得待测压力值。

作为声表面波压力传感器的关键性能指标，压力灵敏度的高低将直接影响传感器的优劣。过低的压力灵敏度将增大无线信号的解调难度，严重时将无法获取有效数据，导致传感器精度降低甚至失效，阻碍其实用性。为了提高压力灵敏度，研究者们在封装结构方面做了改善。对于均匀薄板式封装结构，常形成正方形压力参考腔或圆形压力参考腔，通过减薄感压膜片厚度、增大感压区域面积或将声表面波器件放置在参考腔边缘处，均可提高压力灵敏度。然而，减薄感压膜片厚度对微纳结构的体加工工艺要求较高，制备难度大；增大感压区域面积将不可避免地造成传感器尺寸的增加，降低集成度；如果将声表面波器件放置在参考腔边缘处，则会因为应力集中等影响，造成器件易损坏。另一方面，对于点压式封装结构，常采用导力顶针等部件，将压力变化转换为导力变化，加剧了声表面波敏感芯片的基片形变，提高了压力灵敏度。然而，相比于均匀薄板式封装结构，该类型传感器结构复杂，加工难度大。

因此，对于声表面波压力传感器，在提高压力灵敏度的同时，仍然面临着压力参考腔结构复杂、加工制备难度大、传感器体积增加或使用易损坏等问题。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种高灵敏度的声表面波绝压压力传感器。

本发明的技术解决方案是：

一种高灵敏度的声表面波绝压压力传感器，包括：感压膜片、声表面波谐振器、中间层、压力参考腔和盖板；

感压膜片为均匀薄板式结构，中间层位于感压膜片和盖板之间，三者通过直接键合或间接键合方式形成整体结构，并在所述整体结构上形成压力参考腔；

声表面波谐振器设置在感压膜片的内表面，位于压力参考腔的感压区域中心处；

所述压力参考腔为矩形或椭圆形结构，矩形短边或椭圆形短轴与所述声表面波谐振器中声表面波的传播方向平行，且长度大于等于所述声表面波谐振器的长度，矩形长边或椭圆形长轴与所述声表面波谐振器中声孔径方向平行；

所述声表面波谐振器汇流条处均连接输出引线。

所述感压膜片为ST-X石英基片、AT-X石英基片、ZX-LiNbO3基片、YZ-LiNbO3基片、128°YX-LiNbO3基片或X-112°Y-LiTaO3基片。

所述声表面波谐振器的结构为单端对谐振器、两换能器双端对谐振器或三换能器双端对谐振器。

所述声表面波谐振器的电极为Al、Au、Cu、Pt或金属复合材料。

所述声表面波谐振器的汇流条处连接输出引线，引线从中间层第一表面引出，所述中间层第一表面为中间层与感压膜片相接触的表面，引线焊盘设置在中间层的外侧，焊盘不被盖板覆盖。

所述中间层为绝缘材料，通过直接键合或间接键合的方式与感压膜片和盖板结合，形成具有气密性的压力参考腔。

所述盖板和感压膜片选用同种材料制成，中间层材料和感压膜片材料的热膨胀系数接近，两者热膨胀系数的差值为±10％。

所述压力参考腔设置在中间层和盖板上，压力参考腔深度大于传感器满量输出时感压膜片的最大位移值。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：

(1)本发明压力参考腔为矩形或椭圆形结构，矩形短边或椭圆形短轴长度大于等于声表面波谐振器的长度，减小了声波传播方向上的参考腔尺寸，增大了该方向上应力变化，避免了现有技术增大感压区域面积，造成传感器体积增加的问题，实现了灵敏度高且体积小的声表面波绝压压力传感器。

(2)本发明的声表面波绝压压力传感器具有加工工艺简单且继承性好的优势。传感器采用工艺简单的均匀薄板式封装结构，工艺实现上与传统绝压腔制备类似，具有很好的工艺继承性。

(3)本发明的声表面波绝压压力传感器具有良好的长期稳定性。传感器采用参考腔内部封装谐振器的形式，避免了外界气体、水份或颗粒物等的污染，同时采用热膨胀系数相近的膜片材料制备，最大程度上抑制了热应力，提高了稳定性。

附图说明

图1为本发明高灵敏度声表面波绝压压力传感器的结构示意图；

图2为本发明实施例的矩形压力参考腔的结构俯视图；

图3为本发明实施例的椭圆形压力参考腔的结构俯视图；

图4为本发明实施例的单端对声表面波谐振器的频率响应测试曲线；

图5为本发明实施例的椭圆形结构压力传感器和现有圆形结构压力传感器对气体压力的测试响应结果，测试环境气体为纯净干燥的氮气。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

如图1所示，本发明提出了一种高灵敏度的声表面波绝压压力传感器，包括：感压膜片1、声表面波谐振器2、中间层3、压力参考腔4和盖板5；

感压膜片1为均匀薄板式结构，中间层3位于感压膜片1和盖板5之间，三者通过直接键合或间接键合方式形成整体结构，并在所述整体结构上形成压力参考腔4；

声表面波谐振器2设置在感压膜片1的内表面，位于压力参考腔4的感压区域中心处；

所述压力参考腔4为矩形或椭圆形结构，矩形短边或椭圆形短轴与所述声表面波谐振器2中声表面波的传播方向平行，且长度大于等于所述声表面波谐振器2的长度，矩形长边或椭圆形长轴与所述声表面波谐振器2中声孔径方向平行；

所述声表面波谐振器2汇流条处均连接输出引线。

感压膜片1为ST-X石英基片、AT-X石英基片、ZX-LiNbO3基片、YZ-LiNbO3基片、128°YX-LiNbO3基片或X-112°Y-LiTaO3基片。

声表面波谐振器2的结构为单端对谐振器、两换能器双端对谐振器或三换能器双端对谐振器。声表面波谐振器2的电极为Al、Au、Cu、Pt或金属复合材料。

声表面波谐振器2的汇流条处连接输出引线，引线从中间层3第一表面引出，所述中间层3第一表面为中间层3与感压膜片1相接触的表面，引线焊盘设置在中间层3的外侧，焊盘不被盖板5覆盖。

中间层3为绝缘材料，通过直接键合或间接键合的方式与感压膜片1和盖板5结合，形成具有气密性的压力参考腔4。

盖板5和感压膜片1选用同种材料制成，中间层3材料和感压膜片1材料的热膨胀系数接近，两者热膨胀系数的差值为±10％。

压力参考腔4设置在中间层3和盖板5上，压力参考腔4深度大于传感器满量输出时感压膜片的最大位移值。

实施例：

感压膜片选用AT-X石英(欧拉角(0°,54.7°,0°))压电片。声表面波谐振器采用单端对谐振器结构，选用金属Al电极制备，汇流条处连接输出引线。声表面波谐振器设置在感压膜片内表面，位于压力参考腔的感压区域中心处，声表面波谐振器器件尺寸为3mm×2mm。

中间层采用绝缘材料，热膨胀系数与感压膜片相近。盖板选用AT-X石英压电片，热膨胀系数与感压膜片一致。通过直接键合的方式实现真空压力参考腔。

传统方式中，采用正方形或圆形压力参考腔。经理论测算，采用正方形压力参考腔时，为了覆盖器件尺寸，一般选用边长4mm的正方形压力参考腔，压力灵敏度为-133.64kHz/MPa。而采用本发明的矩形压力参考腔，短边(3.2mm)与声表面波的传播方向平行，长边(4mm)与声孔径方向平行，声表面波谐振器2放置在感压膜中心处，如图2所示，经理论计算，本发明实施例中的矩形压力参考腔4，压力灵敏度为-167.14kHz/MPa，因此，本发明实施例中的矩形压力参考腔较现有结构灵敏度提高了25％。

若采用圆形压力参考腔，选用直径4mm的圆形压力参考腔，压力灵敏度为-116.40kHz/MPa。而采用本发明的椭圆形压力参考腔4，短轴(3.2mm)与声表面波的传播方向平行，长轴(4mm)与声孔径方向平行，声表面波谐振器1放置在感压膜中心处，压力灵敏度为-142.24kHz/MPa，如图3所示。因此，经理论计算，本发明实施例中的椭圆形压力参考腔较现有圆形结构灵敏度提高了22％。

经测，本发明实施例中的声表面波谐振器的中心频率为432.95MHz，***损耗为20.94dB，频率响应测试曲线如图4所示。

利用本发明实施例中的椭圆形结构压力传感器和现有的圆形结构压力传感器分别对气体压力进行检测(尺寸参数见上面所述)，测试环境气体为纯净干燥的氮气，实际检测结果如图5所示，横坐标表示压力变化，纵坐标表示传感器输出频率变化，可见：本发明实施例中的椭圆形结构压力传感器，其灵敏度为-133.33kHz/MPa，与现有的圆形结构压力传感器(灵敏度-106.25kHz/MPa)相比，灵敏度实际提高了25.5％。由此可见，本发明中的声表面波压力传感器具有更高的灵敏度。

本发明克服了现有声表面波压力传感器灵敏度提高方法中，压力参考腔结构复杂、加工制备难度大、传感器体积增加或使用易损坏等技术问题，提供了一种高灵敏度的声表面波绝压压力传感器，该传感器采用均匀薄板式封装结构，将传统的正方形或圆形压力参考腔优化为矩形或椭圆形结构，无需增加复杂结构部件，通过减小声波传播方向上的参考腔尺寸，增大该方向上应力变化，实现压力传感器的高灵敏度。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。