专利名称：单片式压电铁电晶体多功能露点湿度传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种精密、快响应的多功能压电、铁电晶体(例如石英晶体、LiNbO晶体、磷酸铝晶体、PZT压电陶瓷、ZnO蓝宝石压电薄膜等)露点湿度传感器，尤其是采用多模式弹性波工作的露点、霜点、湿度和温度的单片式压电铁电晶体多功能传感器。它利用瑞利波模式声表面波敏感结露、结霜；利用 体声波模式或浅体声波模式敏感露点或点温度；利用弯曲振动模式体波或扭曲振动模式体波敏感环境温度；利用半导体制冷器和单片计算机软件、硬件实现制冷/加热的反馈控制和敏感特性补偿、信号调理和转换等。
背景技术：
气体中水蒸气的含量，即所谓湿度的精密、快速测量是化学传感器中的难点之一。湿度包括相对湿度，绝对湿度和露点，三者存在紧密的联系，并且可以互为换算。其中露点的测量已被国际公认为最精密的湿度测量方法。
露点是指在恒定压力下，某种气体，例如空气的水蒸气含量处于饱和状态时的温度值，由于露点与水的热力学性质密切相关，因此它可高准确地表示温度，国际上已把露点湿度仪作为湿度测量的传递标准使用。此外露点传感器和露点湿度仪已经作为绝对湿度计广泛地应用于气象、大气物理、科学实验室、纺织、食品、化工、农业、核工业、微电子、生物、造纸等部门。由于它能提供精密、快速测量，因此已应用在航空、航天、航海和兴瑞武器行业。例如当飞行器，如导弹或飞机在大气层飞行时，由于水蒸气高度不均匀的分布，飞行器的外部环境的露点或霜点皆需精密、快速地测量。
目前国内外大都使用光学冷镜反射式露点湿度传感器，以下简称光学式露点传感器，测量露点，它的主要缺点是测量范围窄，-60℃至+60℃，准确度不高，正负0.2℃至正负1℃，抗污染能力差，响应速度慢，不能进行露点的连续测量，价格高昂，体积大，操作复杂。
石英晶体露点传感器是一种精密高稳定的传感器，第一个研制成功的是日本等人，他们使用的体声波石英晶体测量气体冷凝，利用热敏电阻器，测量露点温度，其露点分辨率仅为0.1℃。
声表面波露点/霜点传感器工作原理如下利用表面波敏感元件作为射频振荡器电路的频控元件，把表面波敏感元件的温度作为反馈控制参数控制冷凝或加热装置的工作，以使被测环境的水蒸气与冷凝水或冰在敏感元件的表面上达到平衡。测量此时的温度，则获得露点温度。
声表面波露点传感器是由Kuisma和Wiik在1983年首次研制成功参见美国专利USA4378168，他们利用声表面波的振幅裹减检测冷凝结露。露点温度是利用RTD测量在分辨率、准确度和成本方面它们皆优于光学式露点传感器。声表面波露点传感器在下述方面也比声体波式露点传感器优越多。例如灵敏度高、制作工艺简单，适宜大批量生产，封装方便，抗振动、耐冲击能力强。因此声表面波露点传感器崭露头角，显示了很强的生命力。现已公布了很多专利，并在市场上销售。
上述声表面波露点传感器存在如下不足1、从传感器工作机制可知，选择与冷凝水相互作用的何种射频振荡器输出信号作为敏感信息是该传感器的基础和关键。众所周知，其输出信号有频率、振幅和相位，而以前的技术有选择频率的，也有选择振幅的，没有选择相位的，更没有选择它们的组合的，因此改善传感器特性，存在很大的空间。
2、此传感器平衡温度的精确测量是最重要的，它主要决定于信号调理电路反馈参数的准确度、敏感元件的表面污染的清除或补偿以及温度传感器设定的位置与冷凝结露点的重合度。而以前的技术还没有考虑或考虑不多。
3、以前的技术皆使用热敏电阻器等模拟传感器测量结露温度。模拟传感器对电源的稳定性要求很高，并且存在外电路的“热漂移”，或称“温漂”问题，因此分别率低，准确度差。
4、RTD通过电流较大，还存在自加热问题，存在对原温场干扰问题。
5、RTD很难能够设置在传感器表面结露层上，因此检测的“结露温度”与实际的露点温度存在温度梯度，换言之，RTD测量的温度不是真正的露点温度。
6、在露点至霜点过渡的过程中，传感器存在不稳定性问题。
7、露点测量时敏感元件需要暴露在被测环境中，因此灰尘、油雾等都可能沾附在敏感元件表面，虽然比光学式露点传感器的耐雾等都可能提高了很多，但是仍存在一个需要提高抗表面污染能力的问题，以及污染自洁问题。
8、表面波敏感元件经常处于“降温”和“升温”过程，有时甚至处于快速升、降温状态，这无异于增加传感器的老化。
9、露点常常与霜点湿度、温度等物理量密切相关，为了提高它们在空间和时间上的准确度，以及测试方便，为了实现传感器小型化、功能化、智能化、还需要解决“单片式”和“多功能”等问题。
发明内容
本发明目的是公开一种单片式压电晶体多功能露点湿度传感器，能够测量露点、相对湿度、绝对湿度和环境温度。扩大声表面波露点湿度传感器的量程动态范围、提高传感器的露点温度测量的准确度，提高响应速度，减少时间常数，改善传感器的老化特性，增加其长期稳定性。
本发明的目的是这样实现的众所周知，制作压电铁电晶体传感器和其它器件，采用某种工作模式的传感器，例如声表面波模式，则要抑制或补偿浅体声波和深体声波模式，利用浅体声波的传感器，则要抑制或补偿声表面和深体声波模式等。利用压电铁电晶体的各项异性、光学冷加工晶体的物理尺寸和附加设施。例如金属复合膜大小和厚度、叉指电极的几何结构和两IDT间隔等。综合地使用瑞利波模式(声表面波)、浅体声波(表面慢横波)和深体声波、反射体波(RBW)端面反射式压电切变波、弯曲振动体波模式或扭曲振动体波模式的相位速度、群速度和能流角关系，制作了一种单片式压电铁晶体多功能露点湿度传感器。
本发明其组成包括有柯伐管壳1和柯伐管座8组合成的传感器外壳体、安装于传感器壳内的压电铁电晶体敏感元件6、外接单片机控制的半导体致冷热器7和柯伐管座8上的外接管脚，其特征在于所述的压电铁电晶体敏感元件6是瑞利波模式湿敏元件26和是浅体声波或深体声波模式的晶体温度敏感元件27同一晶片，安装于与管壳成一体的敏感元件环状固定支架21，位于瑞利波模式湿敏元件的零温度系数顶点温度调整器28的后面，半导体致冷热器7紧贴压电铁电晶体敏感元件6下表面，半导体致冷热器7下方装有与外接头19连结的散热水管的17，压电铁电晶体敏感元件6的上方的柯伐管壳1上是装有过滤膜2的通气窗口，与一个连接吸气泵的负压抽吸和正压反吹清洗喷嘴22形成受感气流的气路。
本发明所述的压电铁电晶体敏感元件6是一片被切边50和50’的圆形压电晶片，可以是石英或磷酸铝晶体或PZT陶瓷或PCM压电陶瓷或ZnO薄膜/篮宝石或被切边的LiNbO3、LiTaO3圆型铁电晶体，呈具有直线跑道的圆形体育场状，其上、下表面已被研磨和抛光，上下表面必须具有良好的平行度和不平度，若采用浅体声波模式时，不需求上下表面的平行度，它们可以是Y30-46度切型，切边是沿着X轴向，也可以是Y41度的LiNbO3，切边方向Z轴向；或者使Y36度的LiTaO3，切边方向是Z轴向。
本发明所述的半导体制冷热器7，在单片机的控制下，对被测气体降温、被测气体冷凝于敏感元件26的表面上，瑞利波湿敏元件26利用检测相位法，检测频率法和测量Q值，即品质因数法，敏感瑞利波的速度变化和振幅变化，测量出冷凝水的分布密度，利用瑞利波湿敏元件26成α角度α≤90°的谐振式浅体声波漏波或深体声波反射体波或端面反射式压电切变波温度敏感元件27，精确地测量湿敏元件26表面上上结露时出现冷凝水处的温度，从而构成了高精密的露点温度传感器，利用位于晶片6边缘附近的金属热敏薄膜电阻器29和音叉温度传感器5测量环境温度，把上述的敏感信息送入单片机中，经过嵌入式软件的处理和计算，可以获得露点温度，相对湿度，绝对湿度和环境温度测量值，从而构成了一个单片式多功能传感器。
本发明在晶片6的上表面51上有湿敏元件27，湿敏元件27是由叉指换能器IDT52和58组成；IDT52是一种3指的分割—并联--悬浮式叉指换能器，而IDT58是一种4指的分割—并联--悬浮式叉指换能器，IDT52的每个叉指电极周期内具有3条指电极53、54和55，其中至少一条电极54呈悬浮状；IDT58的每个叉指电极周期内具有4条电极70、71、72和73，其中至少一条电极72呈悬浮状；IDT52和58的电极周期尺寸，可以使它们依次工作在2次和3次谐波上，并且在该次谐波上频率相同；即两IDT仅在2次和3次谐波上频率特性重合，在其它次谐波上不重合，湿敏元件27仅在两IDT谐波频率重合处有响应，金属薄膜热敏电阻器29和29’，其参数电阻在25℃时为100欧用来进行温度传感器的自校准和环境温度的测量；金属薄膜电极28的作用时起到静电屏蔽和质量加载作用，它与晶片弹性模量调整器16配合，可以调整频率；采用45.8度Y旋石英晶体作为瑞利波湿敏元件基片，两IDT的中心轴线与石英晶体的X轴电轴夹角为13度，并使两IDT的距离适宜，使其具有令温度系数，其顶点温度为25℃，使瑞利波湿敏元件的插入损耗最小，而瑞利波的功率流角与体波的功率流角之差最大。
本发明在柯伐管壳1側壁，压电铁电晶体敏感元件6上表面处装有用来冲洗排放传感器外壳内部污染物的无水乙醇高压喷嘴4和污染物排放口20，和定期清除多孔聚四氟乙烯过滤膜2上的灰尘等污物的负压抽吸和正压反吹清洗转换阀22。
本发明结露传感器深体波输IDT81与深体波输出IDT86，分别与瑞利波湿敏元件27的输入IDT52和IDT58相似，IDT81和86的中心轴线与IDT52和58的中心轴线平行；皆是沿石英晶体电轴X轴方向；晶片厚度为0.5-1mm，涂有硫化硅橡胶粘合剂82，由IDT82发射的声体波83，瑞利波模式和浅体声波模式截止器84是切入石英晶体的凹槽，槽内涂覆弹性环氧树脂等吸声材料，石英晶体弹性模量直流调整器16与金属薄膜电极28、石英晶片6配合调整深体波的反射强度和方向；当输入IDT81与输出IDT86之间连接上放大器时，若其增益大于1，并且相位相同时，构成了谐振式深体波温度传感器。
本发明所述的浅体声波温度敏感元件27是由发射IDT60和接收IDT61构成，它们的中心轴线与湿敏元件的IDT52和58的中心轴线成一角度，浅体声波温度敏感元件可以采用二指式IDT，即由电极59、59’和57、57’，以及62、62’、57、57’构成，也可以采用与上述的IDT52、IDT58相似的结构。
本发明所述的结露温度传感器是端面反射式压电表面切变波泛音谐振器，叉指电极92、93的伸出方向是沿着晶体的Z方向，IDT电极92、93与IDT电极98、99必须同相。
本发明为了使上下表面51和87的同相电场在晶片厚度方向，即Y轴方向均匀分布，晶片6的厚度应该等于IDT电极92和93，或98与99的电极周期的整数倍，构成了体波泛音谐振器，把此泛音谐振器作为谐振式温度传感器敏感结露区的晶片表面温度。
图1为本发明实施例结构示意图；图2为本发明实施例压电(铁电)晶体敏感元件俯视的示意图；图3为图2的A-A剖视图；图4为本发明又一实施例敏感元件俯视的示意图；图5为本发明实施例使用端面反射式压电表面切变波泛音谐振器作为结露温度传感器结构示意图；图6为图5的B-B剖视图。
具体实施例方式本发明是一种精密、快响应的多功能(露点、湿度、温度、霜点)单片式压电(铁电)晶体传感器，综合地利用瑞利表面波敏感、结露、结霜，使用深体声波或浅体声波，以及端面反射式压电表面变波泛音谐振器敏感、结霜和结露湿度，采用体波的弯曲振动模式或扭曲振动模式，音叉谐振器敏感周围环境温度。利用半导体致冷器和单片计算机软、硬件实现致冷(加热)反馈控制、敏感特性的补偿及信号调理和转换。利用单片式的紧凑结构解决了温度传感器检测点与结露(结霜)点存在温度梯度问题，利用瑞利表面波的振幅、频率、相位三者对结露冷凝水敏感性差异和单片机软件功能，提高了传感器的灵敏度、分辨率、动态范围和对污染状态的识别问题。利用软件补偿和自诊功能以及某些硬件(透气不透灰的多孔聚四氟乙烯过程保护膜、天水乙醇高压喷射咀、正压反吹清洗喷咀的配合进行定期清洗等，提高传感器的可靠性和长期稳定性。
如图1所示，本发明包括有柯伐管壳1，多孔聚四氟乙烯过滤膜2，过滤膜支撑架3，无水乙醇高压喷射嘴4，弯曲振动模式或扭曲振动模式的石英音叉温度传感器5，压电(铁电)晶体敏感元件6，半导体致冷(热)器7，柯伐管座8，负压抽吸和正压反吹清洗喷嘴22，聚四氟乙烯支座23、聚四氟乙烯膜固定压环24，接地电极9、15、18，冲洗污染物排放口20，玻璃绝缘子10，接外电路用管脚11、14，敏感元件环状固定支架21，它与管壳成一体，带有负压抽吸和正压反吹清洗转换阀的清洗喷嘴22，代表传感器的内引线12和13，用于粘结和吸声的弹性环氧25，瑞利波模式湿敏元件26，浅体声波或深体声波模式的晶体温度敏感元件27是，此温度敏感晶片与湿敏元件晶片是同一晶片′6，它位于瑞｀利波模式湿敏元件的零温度系数顶点温度调整器28的后面，镜片弹性模量调整器16，它利用直流偏压对露表面波或深体声波等模式的中心频率进行调整、校准，补偿由于老化和晶片污染产生的频率漂移。半导体制冷器7的散热水管17，散热水管的外接头19，它位于瑞利波湿敏元件两叉指换能器52和58之间。是金薄膜热敏电阻器29和29’。
本发明工作机制如下当把单片式压电(铁电)晶体多功能露点湿度传感器置于被测湿度气体环境中，则与喷嘴22相连的吸气泵启动，使得被测气体经过位于管壳1上的聚四氟乙烯膜2进入传感器的内部。由于膜2是一种具有微孔的透气不透灰尘的特性，因此仅有被测气体进入内部，即可达到湿敏元件26的上方。
由于半导体制冷(热)器7在单片机的控制下，图1中未示出，使得被测气体降温、冷凝于敏感元件26的表面上。瑞利波湿敏元件26利用检测相位法，检测频率法和测量Q值，即品质因数法，敏感瑞利波的速度变化和振幅变化，从而测量出冷凝水的分布密度。利用瑞利波湿敏元件26成α角度(α≤90°)的谐振式浅体声波(漏波)或深体声波(反射体波或端面反射式压电切变波)温度敏感元件27，精确地测量湿敏元件26表面上上结露时出现冷凝水处的温度，从而构成了高精密的露点温度传感器。此外利用位于晶片6边缘附近的金属热敏薄膜电阻器29和音叉温度传感器5测量环境温度，把上述的敏感信息送入单片机中(图中未出)，经过嵌入式软件的处理和计算，可以获得露点温度，相对湿度，绝对湿度和环境温度测量，从而构成了一个单片或多功能传感器0。
无水乙醇高压喷嘴4和污染物排放口20，是用来定期冲洗排放传感器外壳内部污染物的。负压抽吸和正压反吹清洗转换阀22和正压反吹喷嘴是为了定期清除多孔聚四氟乙烯过滤膜2上的灰尘等污物的，以保证传感器长期、稳定地使用。
多功能传感器的结构示意图如图1所示，其内部敏感元件如图2所示。它包括一片被切边50和50’的圆形压电晶片6，例如石英、磷酸铝晶体、PZT陶瓷或PCM压电陶瓷、ZnO薄膜/篮宝石等或被切边的圆型铁电晶体(如LiNbO3、LiTaO3)。它们呈具有直线跑道的圆形体育场状。
晶片6的上、下表面已被研磨和抛光，上下表面必须具有良好的平行度(当采用深体声波模式时，若采用浅体声波模式时，不需求上下表面的平行度。)和不平度。它们可以是Y(30-45度)切型，切边是沿着X轴向，也可以是Y41度的LiNbO3，切边方向Z轴向；或者使Y36度的LiTaO，切边方向时Z轴向。
在晶片6的上表面51上有湿敏元件27，27’是由叉指换能器(IDT)52和58组成。IDT52是一种3指的分割—并联--悬浮式叉指换能器，而IDT52是一种4指的分割—并联--悬浮式叉指换能器，IDT52的每个叉指电极周期内具有3条指电极53、54和55，其中至少一条电极54呈悬浮状；IDT58的每个叉指电极周期内具有4条电极70、71、72和73，其中至少一条电极72呈悬浮状。设计适当IDT52和58的电极周期尺寸，可以使它们依次工作在2次和3次谐波上，并且在该次谐波上频率相同。换言之，两IDT仅在2次和3次谐波上频率特性重合，在其它次谐波上不重合。显然与常规设计的IDT相比，此湿敏元件27仅在两IDT谐波频率重合处有响应，频谱异常“干净”，寄生信号极少，并且很小。此外，电极的分割，并联和悬浮、可调整IDT的阻抗、降低瑞利波衍射损耗和相位特性，也可降低工艺难度。56和56’分别是IDT52和58的内引线接线端子。29和29是金属薄膜热敏电阻器，其参数电阻(在25时为100)用来进行温度传感器的自校准和环境温度的测量。金属薄膜电极28的作用时起到静电屏蔽和质量加载作用，它与晶片弹性模量调整器16配合，可以调整频率。
常规SAW湿敏元件或露点传感器皆采用ST切型(42.75Y旋切割)，它的时延温度系数可以为零。但是，其纵波模式和快横波模式较大，这将对采用浅体声波或深体声波模式的温度敏感器件产生干扰。
本发明采用45.8度Y旋石英晶体作为瑞利波湿敏元件基片。根据固体声与波的理论和实验可知，虽然该切型瑞利波的群速度和相连度不共线，但是，若使两IDT的中心轴线与石英晶体的X轴(电轴)夹角为13度，并使两IDT的距离适宜，那么不仅可以使其具有令温度系数，其顶点温度为20度，而且能使瑞利波湿敏元件的插入损耗最小，而瑞利波的功率流角与体波的功率流角之差最大。换言之，把表面波湿敏元件体波寄生信号消除，其频谱及其干净，而插入损耗很小。晶体6呈圆片状，是为了防止瑞利波的基片边缘反射波的干扰。温度敏感元件27是采用深体声波模式工作，如图`2所示，或者采用浅体声波模式工作。
在图2和图3同一数字代表相同的部件中，深体波输IDT81与深体波输出IDT86，分别与瑞利波湿敏元件27的输入IDT52和IDT58相似，仅物理尺寸和两IDT距离不同。IDT81和86的中心轴线与IDT52和58的中心轴线平行。皆是沿石英晶体电轴(X轴)方向。晶片6很薄，通常为0.5-1mm厚，82是粘合剂。例如硫化硅橡胶粘合剂。83是由IDT82发射的声体波，84是瑞利波模式和浅体声波模式截止器，它是切入石英晶体的凹槽，槽内涂覆吸声材料。例如弹性环氧树脂等。16是石英晶体弹性模量直流调整器，它与金属薄膜电极28、石英晶片6配合，可以调整深体波的反射强度和方向。85是被压电石英晶片6上表面反射的深体声波。通常从发射IDT82至接收IDT86的体波波束83仅经一次反射就被接收。IDT接收。该体波波束的传播方向是由IDT81和IDT86的电极周期与被激励的体波波长之间的相位匹配条件决定的。实际上深体波的辐射特性是晶体切型允许传播的体波模式功率流角图与发射、接收IDT的阵列因子之积决定的。
当输入IDT81与输出IDT86之间连接上放大器时，若其增益大于1，并且相位相同时，构成了深体波温度传感器。
浅体声波温度敏感元件27是由发射IDT60和接收IDT61构成，它们的中心轴线与湿敏元件的IDT52和58的中心轴线成一角度，浅体声波温度敏感元件可以采用二指式IDT(由电极59、59’和57、57’，以及62、62’、57、57’构成)也可以采用与上述的IDT52、IDT58相似的结构。
如图5所示，相同的数字代表同一部件。本实施例使用端面反射式压电表面切变波泛音谐振器作为结露温度传感器。与实施例1、2不同，它不仅要求上、下表面51和87平行度高，而且晶片边缘面50和50’的加工要求也很高，边缘面50与50’必须与上下表面51和87严格垂直，此外对50、50’的表面必须进行光学镜面抛光，并且要求彼此严格地与X轴(电轴)平行。
图6是图5沿BB剖开的横断面。叉指电极92、93的伸出方向是沿着晶体的Z方向，当他们之间分别施加交变电信号时，则产生电场95和96。在本发明的实施例三中，电场95和96的水平分量将激励体声波97。IDT电极92、93与IDT电极98、99必须同相(这利用双面光刻法比较容易实现)。
此外，为了使上下表面51和87的同相电场在晶片厚度方向(Y轴方向)均匀分布，晶片6的厚度应该等于IDT电极92和93(或98与99)的电极周期的整数信，从而构成了体波泛音谐振器。把此泛音谐振器作为谐振式温度传感器敏感结露区的晶片表面温度。
上述三个传感器实例的测试准确度高、分别率佳，不仅能准确地测量露点温度，还可以区别是结露，还是结霜。此外稳定性好，抗污染能力强。
权利要求
1.一种单片式压电晶体多功能露点湿度传感器，其组成包括有柯伐管壳(1)和柯伐管座(8)组合成的传感器外壳体、安装于传感器壳内的压电(铁电)晶体敏感元件(6)、外接单片机控制的半导体致冷(热)器(7)和柯伐管座(8)上的外接管脚，其特征在于所述的压电(铁电)晶体敏感元件(6)是瑞利波模式湿敏元件(26)和是浅体声波或深体声波模式的晶体温度敏感元件(27)同一晶片，安装于与管壳成一体的敏感元件环状固定支架(21)，位于瑞利波模式湿敏元件的零温度系数顶点温度调整器(28)的后面，半导体致冷(热)器(7)紧贴压电(铁电)晶体敏感元件(6)下表面，半导体致冷(热)器(7)下方装有与外接头(19)连结的散热水管的(17)，压电(铁电)晶体敏感元件(6)的上方的柯伐管壳(1)上是装有过滤膜(2)的通气窗口，与一个连接吸气泵的负压抽吸和正压反吹清洗喷嘴(22)形成受感气流的气路。
2.如权利要求1所述的单片式压电晶体多功能露点湿度传感器，其特征在于所述的压电(铁电)晶体敏感元件(6)是一片被切边50和50’的圆形压电晶片，可以是石英或磷酸铝晶体或PZT陶瓷或PCM压电陶瓷或ZnO薄膜/篮宝石或被切边的LiNbO3、LiTaO3圆型铁电晶体，呈具有直线跑道的圆形体育场状，其上、下表面已被研磨和抛光，上下表面必须具有良好的平行度和不平度，若采用浅体声波模式时，不需求上下表面的平行度，它们可以是Y(30-46度)切型，切边是沿着X轴向，也可以是Y41度的LiNbO3，切边方向Z轴向；或者使Y36度的LiTaO3，切边方向是Z轴向。
3.如权利要求1所述的单片式压电晶体多功能露点湿度传感器，其特征在于所述的半导体制冷(热)器(7)，在单片机的控制下，对被测气体降温、被测气体冷凝于敏感元件(26)的表面上，瑞利波湿敏元件(26)利用检测相位法，检测频率法和测量Q值，即品质因数法，敏感瑞利波的速度变化和振幅变化，测量出冷凝水的分布密度，利用瑞利波湿敏元件(26)成α角度(α≤90°)的谐振式浅体声波(漏波)或深体声波(反射体波或端面反射式压电切变波)温度敏感元件(27)，精确地测量湿敏元件(26)表面上上结露时出现冷凝水处的温度，从而构成了高精密的露点温度传感器，利用位于晶片(6)边缘附近的金属热敏薄膜电阻器(29)和音叉温度传感器(5)测量环境温度，把上述的敏感信息送入单片机中，经过嵌入式软件的处理和计算，可以获得露点温度，相对湿度，绝对湿度和环境温度测量值，从而构成了一个单片式多功能传感器。
4.如权利要求2所述的单片式压电晶体多功能露点湿度传感器，其特征在于在晶片(6)的上表面(51)上有湿敏元件(27)，湿敏元件(27)是由叉指换能器IDT(52)和(58)组成；IDT(52)是一种3指的分割—并联--悬浮式叉指换能器，而IDT(58)是一种4指的分割—并联--悬浮式叉指换能器，IDT(52)的每个叉指电极周期内具有3条指电极(53)、(54)和(55)，其中至少一条电极(54)呈悬浮状；IDT(58)的每个叉指电极周期内具有4条电极(70)、(71)、(72)和(73)，其中至少一条电极(72)呈悬浮状；IDT(52)和(58)的电极周期尺寸，可以使它们依次工作在2次和3次谐波上，并且在该次谐波上频率相同；即两IDT仅在2次和3次谐波上频率特性重合，在其它次谐波上不重合，湿敏元件(27)仅在两IDT谐波频率重合处有响应，金属薄膜热敏电阻器(29)和(29’)，其参数电阻(在25℃时为100欧)用来进行温度传感器的自校准和环境温度的测量；金属薄膜电极(28)的作用时起到静电屏蔽和质量加载作用，它与晶片弹性模量调整器(16)配合，可以调整频率；采用45.8度Y旋石英晶体作为瑞利波湿敏元件基片，两IDT的中心轴线与石英晶体的X轴(电轴)夹角为13度，并使两IDT的距离适宜，使其具有令温度系数，其顶点温度为25℃，使瑞利波湿敏元件的插入损耗最小，而瑞利波的功率流角与体波的功率流角之差最大。
5.如权利要求1所述的单片式压电晶体多功能露点湿度传感器，其特征在于在柯伐管壳1側壁，压电(铁电)晶体敏感元件(6)上表面处装有用来冲洗排放传感器外壳内部污染物的无水乙醇高压喷嘴(4)和污染物排放口(20)，和定期清除多孔聚四氟乙烯过滤膜(2)上的灰尘等污物的负压抽吸和正压反吹清洗转换阀(22)。
6，如权利要求3所述的单片式压电晶体多功能露点湿度传感器，其特征在于结露传感器深体波输IDT(81)与深体波输出IDT(86)，分别与瑞利波湿敏元件(27)的输入IDT(52)和IDT(58)相似，IDT(81)和(86)的中心轴线与IDT(52)和(58)的中心轴线平行；皆是沿石英晶体电轴(X轴)方向；晶片厚度为0.5-1mm，涂有硫化硅橡胶粘合剂(82)，由IDT(82)发射的声体波(83)，瑞利波模式和浅体声波模式截止器(84)是切入石英晶体的凹槽，槽内涂覆弹性环氧树脂等吸声材料，石英晶体弹性模量直流调整器(16)与金属薄膜电极(28)、石英晶片(6)配合调整深体波的反射强度和方向；当输入IDT(81)与输出IDT(86)之间连接上放大器时，若其增益大于1，并且相位相同时，构成了谐振式深体波温度传感器。
7.如权利要求2所述的单片式压电晶体多功能露点湿度传感器，其特征在于所述的浅体声波温度敏感元件(27)是由发射IDT(60)和接收IDT(61)构成，它们的中心轴线与湿敏元件的IDT(52)和(58)的中心轴线成一角度，浅体声波温度敏感元件可以采用二指式IDT，即由电极(59)、(59’)和(57)、(57’)，以及(62)、(62’)、(57)、(57’)构成，也可以采用与上述的IDT(52)、IDT(58)相似的结构。
8.如权利要求3所述的单片式压电晶体多功能露点湿度传感器，其特征在于所述的结露温度传感器是端面反射式压电表面切变波泛音谐振器，叉指电极(92)、(93)的伸出方向是沿着晶体的Z方向，IDT电极(92)、(93)与IDT电极(98)、(99)必须同相。
9.如权利要求2所述的单片式压电晶体多功能露点湿度传感器，其特征在于为了使上下表面(51)和(87)的同相电场在晶片厚度方向，即Y轴方向均匀分布，晶片(6)的厚度应该等于IDT电极(92)和(93)，或(98)与(99)的电极周期的整数倍，构成了体波泛音谐振器，把此泛音谐振器作为谐振式温度传感器敏感结露区的晶片表面温度。
全文摘要
本发明公开一种单片式压电铁电晶体多功能露点湿度传感器，其组成包括有柯伐管壳1和柯伐管座8组合成的传感器外壳体、安装于传感器壳内的压电(铁电)晶体敏感元件6、外接单片机控制的半导体致冷(热)器7和柯伐管座8上的外接管脚等，是一种精密、快响应的多功能(露点、湿度、温度、霜点)单片式压电(铁电)晶体传感器综合地利用瑞利表面波敏感、结露、结霜，使用深体声波或浅体声波，以及端面反射式压电表面变波泛音谐振器敏感、结霜和结露湿度，采用体波的弯曲振动模式或扭曲振动模式，音叉谐振器敏感周围环境温度。利用半导体致冷器和单片计算机软、硬件实现致冷(加热)反馈控制、敏感特性的补偿及信号调理和转换。利用单片式的紧凑结构解决了温度传感器检测点与结露(结霜)点存在温度梯度问题，利用瑞利表面波的振幅、频率、相位三者对结露冷凝水敏感性差异和单片机软件功能，提高了传感器的灵敏度、分辨率、动态范围和对污染状态的识别问题。利用软件补偿和自诊功能以及某些硬件，如多孔聚四氟乙烯过程保护膜、天水乙醇高压喷射咀、正压反吹清洗喷咀的配合进行定期清洗等提高传感器的可靠性和长期稳定性。
文档编号G01N25/62GK1632546SQ20041004416
公开日2005年6月29日 申请日期2004年12月24日 优先权日2004年12月24日
发明者林江, 林冬辉, 王世光 申请人:王世光, 林江