一种基于微间隙压力监测的声表面波传感器的制作方法

本实用新型涉及一种声表面波传感器，尤其是涉及一种基于微间隙压力监测的声表面波传感器。

背景技术：

因微间隙接触压力的理论分析很难准确，实际定量也有难度，接触压力监测器件虽种类繁多，但主要利用材料的压电和压阻效应实现，但都有不足之处。压电式接触压力敏感器件对测量电路有苛刻的要求，目前的应用范围还受到一定的限制。电容式压力传感器灵敏度高，但由于自身娇小的电容，易受到电路寄生电容干扰。此外，新进出现的利用新型材料研制的压力传感器由于存在灵敏范围小和不可重复测量等缺点，还处于继续研究阶段。通过研究发现，声表面波(Surface Acoustic Wave，SAW)器件可实现无源无线的工作方式，通过加工工艺制作能满足微间隙压力监测的结构、功能要求。

中国专利CN 204439245 U公开了一种声表面波温度和压力传感器，包括：衬底，衬底上平行安装有两个延迟型声表面波传感器图形，分别为：压力图形和温度图形；压力图形和温度图形分别包括：单向叉指换能器和多个反射栅，压力图形的单向叉指换能器与温度图形的单向叉指换能器相连接；衬底下固定有基座，基座在压力图形的多个反射栅下方开设有压力传导孔；基座上还设置有盖顶，盖顶与基座形成一腔体。然而该传感器具有以下曲线，第一其采用的中空结构是完全密封式的，因声表面波器件尺寸微小，工艺加工导线引出线很难保证精确；它的机械中空结构并未提升测量精度；第二，其只能对一侧压力进行测量。

技术实现要素：

本实用新型的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种基于微间隙压力监测的声表面波传感器。

本实用新型的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种基于微间隙压力监测的声表面波传感器，包括两块压电材料基片、两块压电材料垫片和两组叉指换能器，所述两块压电材料垫片连接两块压电材料基片并形成中空的内腔，两组叉指换能器均设于内腔中，且分别固定于两块压电材料基片上。

所述叉指换能器为延迟线型叉指换能器，每组叉指换能器至少包括一个输入叉指换能器和输出叉指换能器，且输入叉指换能器和输出叉指换能器分别固定于压电材料基片的两端。

所述传感器还包括金属电极板，该金属电极板与所有叉指换能器连接。

至少一块压电材料基片上设有固定用固定孔。

所述固定孔共设有四个。

与现有技术相比，本实用新型具有以下优点：

1)中空部分两面呈开放式，工艺加工导线引出线可以保证精确，进而提升测量精度，再者两侧基片均设置传感器电路，可实现两面压测的测量。

2)可减小基底热传导性及电极直接接触流场对流场的干扰，具有较强的抗干扰能力。

3)在有效测量范围内具有良好的线性度。

4)该类器件在常温条件下工作时，具有稳定度高、功耗小等特点。

5)由于该类器件采用半导体平面集成工艺制备，具有微型化、可集成化的优点。

附图说明

图1为复杂接触面间接触压力示意图；

图2为本实用新型的结构示意图；

图3为微间隙接触压力监测系统图；

图4为SAW压力传感器三维图；

其中：1、压电材料基片，2、压电材料垫片，3、输入叉指换能器，4、输出叉指换能器，5、金属电极板，6、导线，7、矢量函数发生器，8、计算机，9、频谱分析仪。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。本实施例以本实用新型技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本实用新型的保护范围不限于下述的实施例。

如图1所示，对于处在两个金属或者非金属物体(A和B)，以及若干局部弹性介质C(厚度在1-5mm)的微间隙来说，其接触压力的测量的基本原则是将力敏感元件串入到力系结构中，因微间隙的测量需求，实现无源、无线监测及其相应的力敏元件越薄越好、越小越好。除此，一些特殊的测量环境要要求力敏元件能自由弯曲，如测量人体压力分布。复杂接触面接触压力存在于物体A和物体B是两个金属或非金属物体形成一个间距d(1-5mm)的曲面间隙，物体B通过弹性介质支撑。

经研究发现，SAW微力传感器的主要原理是利用声表面波理论及晶体材料的压电性能，实现压力传感器无源、无线传输功能。此外，通过改变SAW传感器的传统实基底结构，对于压力测量，本实用新型采用中空结构基底的SAW传感器。该机构可分为上下两层结构，固定SAW压力传感器四个圆孔的位置，用于在两个金属或者非金属物体以及其间若干局部弹性介质接触面(厚度在1-5mm)间接触微压力(0-0.2N)的测量，利用材料的压电和压阻效应实现双面压力测量。SAW传感器的设计采用有限元法根据不同的机械结构进行基片的有限元分析，对压电基体的应力和应变进行不同尺寸的分析计算，统计数据并进行线性化分析，计算基底机构在不同长度L下的测试数据，确定输入叉指换能器和输出叉指换能器的位置。

具体的，一种基于微间隙压力监测的声表面波传感器，如图2和图4所示，包括两块压电材料基片1、两块压电材料垫片2和两组叉指换能器，两块压电材料垫片2连接两块压电材料基片1并形成中空的内腔，两组叉指换能器均设于内腔中，且分别固定于两块压电材料基片1上。

叉指换能器为延迟线型叉指换能器，每组叉指换能器至少包括一个输入叉指换能器3和输出叉指换能器4，且输入叉指换能器3和输出叉指换能器4分别固定于压电材料基片1的两端，输入叉指换能器3通过逆压电效应将输入的点信号转变成声信号，此声信号沿基片表面传播，最终由输出叉指换能器4将声信号转变成电信号输出。

传感器还包括金属电极板5，该金属电极板5与所有叉指换能器连接。至少一块压电材料基片1上设有固定用固定孔，固定孔共设有四个。

该中空结构的SAW器件与传统SAW器件相比较，中空结构的SAW传感器，可减小基底热传导性及电极直接接触流场对流场的干扰，具有较强的抗干扰能力；在有效测量范围内具有良好的线性度；该类器件在常温条件下工作时，具有稳定度高、功耗小等特点；同时，由于该类器件采用半导体平面集成工艺制备，具有微型化、可集成化的优点。

如图3所示，微间隙压力监测系统包括传感器端和查询端。传感器端由微带传输线G、小天线H、介质基底I和SAW器件F组成。查询端所需的组件包括接收天线E和发射天线D、矢量函数发生器7、计算机8和频谱分析仪9。系统工作过程如下：计算机8控制矢量函数发生器7产生一定频段内的电磁波，通过与矢量信号发生器7相连接的发射天线D将信号发射出去，激励一定距离外的传感器端的SAW传感器F，与频谱分析仪9相连接的接收天线E接收传感器端的反馈信号并输入到频谱分析仪9，利用计算机8分析接收到的信号频率，进一步分析传感器监测部位的压力变化情况。