专利名称：用于减小的滞后和蠕变的声波传感器封装的制作方法
用于减小的滞后和蠕变的声波传感器封装技术领域实施例通常涉及感测设备及其部件。实施例还涉及声波设备。实施例尤其涉及表面声波(SAW)设备。实施例还涉及转矩传感器。
技术背景声波传感器用在各种感测应用中，诸如，例如温度和/或压力感测 设备和系统。声波设备已经在商业上使用了六十年以上。虽然电信产 业是声波设备的最大用户，但是它们还用在用于传感器应用的其他领 域中，例如化学蒸汽检测。如此命名声波传感器是因为它们使用机械 波或声波作为感测机制。当声波在材料表面上或穿过材料表面传播时， 传播路径的任何变化会影响波的特性。声波特性的改变可以通过测量传感器的频率、幅度或相位特性来 监测，并且然后可以与正被测量的相应物理量或化学量相关。实际上， 所有的声波设备和传感器使用压电衬底产生声波。三种机制可以对声 波传感器响应产生贡献，即质量负载(mass-loading)、粘弹和声电效 应。化学物的质量负载改变这类传感器的频率、幅度和相位以及Q值。 大多数声波化学检测传感器例如依赖于传感器的质量敏感性以及吸收 感兴趣蒸汽导致声波传感器的增加的质量负载的化学选择性涂层。声波传感器的例子包括声波检测设备，用于检测诸如化学物的物 质的存在或诸如温度和压力之类的环境条件。充当传感器的声波(例 如SAW/BAW)设备因为由它们的内在高Q因子所引起的低噪声和对表面 负载的高敏感性可以提供高度灵敏的检测机制。表面声波设备通常使 用光刻技术利用放置在压电材料上的梳妆叉指式换能器来制造。表面 声波设备可以具有延时线、滤波器、或谐振器配置。体声波设备通常 使用真空镀覆装置(诸如CHA、 Transat或Saunder制作的那些)来制 造。电极材料的选择和电极的厚度由丝极温度和总加热时间控制。电 极的尺寸和形状由适当的掩模使用来定义。声波传感器看来提供优势的一个领域是在转矩感测的领域。例如， 在引入旋转驱动轴的系统中，通常需要知道这种轴的转矩和速度，以 便控制与可旋转轴相关的相同或其他设备。因此，希望以精确、可靠并且不昂贵的方式感测和测量转矩。测量施加到旋转轴上的转矩，诸如但不限于汽车中的轴，的传感 器被用在许多应用中。例如，可能希望为了各种本领域已知的目的，测量车辆变速器、车辆引擎，例如曲轴，或车辆的自动制动系统(ABS) 中的旋转轴上的转矩。这种类型的转矩测量的一个应用是在电动助力转向系统中，其中 响应于车辆方向盘的操作和/或操纵驱动马达。该系统然后解释施加到方向盘和其附轴的转矩或旋转的量，以便将该信息转换成合适的命令 用于车辆转向轮的操作装置。实施这类传感器，尤其是SAW石英压力传感器和/或转矩传感器， 的一种解决方案涉及利用全石英封装(all quartz packaging (AQP)) 配置，这可以最小化石英传感器衬底和金属盖之间的热膨胀失配。AQP 结构给传感器提供了希望的性能，包括最小的滞后、低蠕变、低老化 以及改进的长期稳定性。利用它们内在的高Q值(即分辨率)、频率 输出(例如数字的)，无源的和无线设计，石英压力和转矩传感器在 诸如卡车轮胎压力检测和传动转矩测量之类的应用中要优于它们的对手。然而，AQP结构的制造相当昂贵。此外，与AQP相关的高温处理可 能降低传感器性能。大多数石英传感器利用金属盖。在金属-石英配置 中，可以简单地放置石英传感器与适当的金属结构接触。由于外部的压力或转矩可能导致传感器的高应力点中的不稳定接触和微裂缝，结 果是较差的可重复性和较低的稳定性。人们相信使用粘合剂作为石英 SAW传感器和金属结构之间的介质可以解决该问题。然而，粘合剂依赖 于时间的粘弹性在传感器受到外部压力或转矩时可能造成接触条件的 变化，导致非弹性错误、大的滞后和蠕变。人们相信这些问题的解决 方案涉及实施如此处所述的改进的声波感测配置。 发明内容提供以下概述是为了方便对所公开的实施例的一些特有创新特征 的理解，并不是打算作全面的说明。通过将整个说明书、权利要求书、 附图和摘要作为一个整体可以获得实施例的各个方面的全面理解。 因此，本发明的一个方面是提供一种改进的感测设备。 本发明的另一方面是提供一种改进的声波传感器。本发明的又一方面是提供一种SAW转矩传感器，其中减小了蠕变 和滞后。上述方面和其他目的和优势可以如此处所述而实现。公开了一种 声波感测仪器和系统，其包括具有石英表面的衬底。声波感测谐振器 通常从衬底配置，使得石英表面使用粘合剂可附接到金属轴，该粘合 剂减小了滞后和蠕变并且改进了声波感测谐振器的性能。优选地对金 属轴进行了抛光，以便减小与声波感测谐振器的石英表面和金属轴相 关的局部应力和接触面积。该粘合剂可以被实施为环氧粘合剂，其避 免了与接触面积相关的直接接触引起的频率不稳定性。这里公开的声波感测仪器和/或系统可以引入具有由压电材料形 成的表面的衬底的使用。这种声波感测仪器和/或系统还利用从该衬底 配置的声波感测设备，其中包括压电材料表面的该表面使用粘合剂可 附接到金属轴，该粘合剂减小了蠕变和滞后并且改进了声波感测设备 的性能。优选地，对由压电材料形成的表面进行抛光，从而提供抛光 过的压电表面。也可以对金属轴抛光，从而减小了与金属轴和声波感 测设备的表面相关的接触面积。金属轴的抛光还减小了与声波感测设 备的表面的接触面积相关的局部应力。使用的粘合剂可以被实施为环氧粘合剂，其避免了与接触面积相 关的直接接触引起的频率不稳定性。此外，声波感测设备可以被实施 为全石英封装(AQP)的声波传感器。这种AQP声波传感器可以被配置 为石英SAW谐振器传感器。声波感测设备可以进一步被配置为引入布 置在衬底上的至少一个电极的使用。可以从以下类型材料的其中之一实施所用的压电材料(x-石英、 铌酸锂(LiNb03)，和钽酸锂(LiTa03)以及Li2B407、 A1P04、 GaP04、 硅酸镓镧(La3Ga5Si014)、 ZnO、和/或外延生长的(Al、 Ga、 In)氮化 物。此外，声波感测设备可以被实施为以下类型传感器的其中之一， 或其组合，挠性板模式(FMP)传感器、声板波(APW)传感器、表 面横波(STW)传感器、和/或剪切水平声板模式(SH-APM)传感器。声波感测设备还可以被实施为以下类型传感器的其中之一幅度 板模式(APM)数据传感器、厚度剪切模式(TSM)数据传感器、表面 声波(SAW)传感器、和/或体声波模式(BAW)传感器。声波感测设备 还可以被实施为以下类型传感器的其中之一扭转模式传感器、乐甫波传感器、漏泄表面声波模式(LSAW)传感器和伪表面声波模式(PSAW) 传感器。声波感测设备还可以被配置为包括例如以下类型的电极材料 Al、 Pt、 Au、 Rh、 Ir、 Cu、 Ti、 W、 Cr和Ni;或者以下类型的合金 TiN、 CoSi2和WC。这种电极材料也可以从金属-非金属化合物配置， 诸如，例如NiCr和/或CuAl。声波感测设备还可以被配置为谐振器、 滤波器或延时线。
附图进一步说明了实施例，并且与具体实施方式
一起解释了这里 所公开的实施例，在附图中相似的参考数字指的是所有不同附图中相 同或功能相似的元件，附图被合并到说明书中并作为说明书的一部分。图1示出了转矩传感器系统的高级示图，其可适用于根据优选实 施例的^吏用；图2示出了无线转矩传感器的透视图，其可适用于根据优选实施 例的使用；图3示出了电子控制单元的侧视图，其可适用于根据优选实施例 的使用；图4示出了用于控制汽车引擎的系统的高级示图，其可适用于根 据优选实施例的使用；图5示出了用于控制汽车变速器的系统的高级示图，其可适用于根据优选实施例的使用；以及图6示出了用于将转矩检测数据无线传送到引擎控制单元和/或变 速器控制单元的系统的框图，其可适用于根据优选实施例的使用；图7示出了根据优选实施例的包括布置在金属轴上的SAW转矩传 感器的系统的直观图；图8示出了图7中所示的SAW转矩传感器的直观透视图；以及图9示出了示意性轮廓，其示出了微机制中可观察的粗糙的表面 和接触。
具体实施方式
这些非限制性实例中所讨论的特定值和配置可以被改变并且仅被 引用来说明至少一个实施例，并且不打算限制其范围。图1示出了转矩传感器系统100的高级示图，其可适用于根据优 选实施例的使用。注意这里在图l-6中，相似或相同部分或元件通常由相同的参考数字来表示。系统100通常包括诸如轴的旋转构件110， 转矩感测元件或传感器104可以位于其上，用于检测与旋转构件110 相关的转矩。转矩传感器104合并了天线106，天线106可以从合并了 天线108的电子控制单元102接收数据并向其发送数据。注意转矩传 感器104和其相关的天线106 —起可以形成无线转矩传感器200。天线 108可以被提供为例如耦合器或电容性耦合天线部件。天线还可以被配 置为例如感性耦合或仅仅是线性天线。图2示出了可以根据优选实施例实施的无线转矩传感器200的透 视图。如图2中所示，无线转矩传感器通常由转矩传感器或感测元件 104和天线106组成，两者都配置在相同的村底202上。图3示出了可 以根据优选实施例实施的电子控制单元300的侧视图。注意电子控制 单元300通常包括单个衬底302，其上配置控制电子器件102和天线 108。转矩感测元件104可以是例如磁阻感测元件。可选地，转矩感测 元件104可以被配置为声波感测元件，诸如例如表面声波(SAW)或体 声波(BAW)感测部件。如果转矩感测元件104包括声波感测元件，那 么村底202可以被配置为压电衬底。注意可以在声波转矩传感器的环境中提供转矩感测元件104。也就 是说，感测元件104可以被配置为声波感测元件，用于这里所迷的转 矩感测操作。感测元件1(M因此依赖于设计考虑可以被提供为例如以 下部件的其中一个或多个表面声波滤波器、表面声波谐振器、表面 声波延时线、体声波谐振器或其组合。可选地或与这些部件结合，转 矩感测元件104可以被配置为测量磁通量的磁弹转矩传感器。这种磁 弹转矩传感器也可以用于测量其谐振频率。因此，转矩感测元件104通常附接到旋转构件110，但是控制电子 器件102基本是固定的并且位于轴IIO和无线转矩传感器200的外部。 因此，信号在无线转矩传感器200和电子控制单元300之间传输。注 意衬底302可以被提供为例如印刷电路板(PCB)或注入塑料的金属层，依赖于设计考虑。图4示出了可以根据一个实施例实施的用于控制汽车引擎402的 系统400的高级示图。注意这里可以根据图1-3中所示的配置实施系 统400。在系统400中，轴110的旋转构件可以连接到引擎402或者与 引擎402结合使用。无线转矩传感器200安装到轴110，用于检测与轴110相关的转矩。图5示出了可以根据另一个实施例实施的用于控制汽车变速器的 系统500的高级示图。系统500也可以才艮据图1-3中所示的配置实施。 在系统500中，汽车变速器502连接到旋转构件或轴110。转矩传感器 200再次安装到轴110并且将转矩感测数据无线传送到例如之前所述 的电子控制单元300。图6示出了根据优选实施例的用于将转矩检测数据无线传送到引 擎控制单元602和/或变速器控制单元608的系统600的框图。再次， 注意在图1-6中相同或相似的部分或元件通常由相同的参考数字表示 是重要的。引擎控制单元602可以用于控制与图4中示出的引擎402 相关的操作。引擎控制单元602合并了天线612，其将数据无线传送到 无线转矩传感器200并从其传送数据，无线转矩传感器200可以位于 轴110上，如前所述。类似地，变速器控制单元608引入了天线610 的使用。变速器控制单元608通常控制与图5所示的变速器502相关 的操作。转矩检测数据可以无线地从无线转矩传感器200传送到如箭 头610所示的天线610。到转矩传感器200和来自引擎控制单元602 的数据的无线传送在图6中由箭头604所示。图7示出了根据优选实施例的包括布置在金属轴702上的SAW转 矩传感器705的系统700的直观图。SAW转矩传感器705由衬底704 形成，衬底704类似于分别在图2-3中示出的衬底202、 302,但不同 之处在于结构和衬底材料的使用，依赖于设计考虑。图8示出了图7 中所示的SAW转矩传感器705的直观透视图。注意在图7-8中相同或 相似的部分或元件通常由相同的参考数字表示。通常，可以根据这里 图1-6中所示的特征修改系统700以供使用。例如，图7中所示的金 属轴702类似于图1中所示的旋转构件110。类似地，图7-8中所示的 SAW转矩传感器705可以被实施为之前所示的转矩传感器200,虽然具 有或多或少的谐振器元件106、 104。图7-8中所示的SAW转矩传感器 705通常用作金属-石英转矩传感器，用于感测与金属轴702相关的转 矩。系统700通常包括由具有石英表面809的石英衬底702组成的声 波感测仪器或SAW传感器705，石英表面809在图8中更详细地示出。 声波感测仪器或SAW传感器705通常包括配置在石英表面809上的一个或多个SAW谐振器802、 804、 806、 808。注意图8中所示的SAW谐 振器802、 804、 806、 808基本类似于图2-3中所示的谐振器部件105、 106、 108。声波感测仪器或SAW传感器705因此可以用作具有石英表 面809的声波感测谐振器。声波感测谐振器的石英表面809可以使用 粘合剂706附接到金属轴702，粘合剂706可以减小滞后和蠕变并且改 进声波感测谐振器或传感器705的性能。优选地，可以抛光金属轴702，如图7中块703和箭头707图形指 示的，从而减小与声波感测谐振器设备705石英表面809和金属轴702 相关的接触面积。如块703和箭头707所指示的金属轴702的抛光还 减小了与声波感测谐振器设备或SAW传感器705的石英表面809的接 触面积相关的局部应力。粘合剂706可以被配置为环氧粘合剂，避免了与石英表面809和 金属轴702的接触面积相关的直接接触引起的频率不稳定性。图7-8 中所示的配置通常导致减小了诸如传感器705的金属-石英转矩传感器 的蠕变特性。感测石英SAW谐振器设备705通过环氧粘合剂706与金 属轴702接触，避免了直接接触引起的频率不稳定性。由于其粘弹特 征，传感器705的蠕变主要归因于环氧树脂的存在。实验结果可以表明随着表面粗糙度的降低或预载以及用于粘合剂 706的环氧树脂的弹性的增加，传感器705的蠕变可以被减小。基于这 种实验，可以使用抛光方法减小蠕变并且改进传感器705的性能。图9示出了示意性轮廓902、 904和906，其示出了在微机制中可 观察的粗糙表面和接触。示意性902描述了在接触之前的表面，而示 意性轮廓904示出了在接触之后的表面。此外，示意性轮廓906示出 了接触之后的表面。提供图9中所示的配置是为了解释金属-石英表面 (粗糙的)。当表面粗糙时，可得到较小的接触并且局部应力增加。 通常，粘合剂的粘弹性和金属-石英接触的应力关系可以导致金属-石 英传感器的滞后和蠕变。滞后和蠕变与表面粗糙度、预载和环氧粘合 剂相关。因此作为较大的接触面积和较少的环氧树脂的结果，较平滑 的表面对于减小滞后和蠕变是有帮助的。虽然滞后和蠕变可以得益于 较大的预载，但是对于预载有一个最佳范围，因为太大的预栽导致小 的测量范围。因此，基于图9，可以理解的是预栽可以适用于例如图 7-8中所示的配置的使用，使得可以利用与金属轴702和压电衬底表面809的表面粗糙度有关的预载获得希望的滞后和/或蠕变值。基于上述，可以理解声波感测仪器705可以引入具有由压电材料 形成的表面809的衬底704的使用。这种声波感测设备705从衬底704 配置，使得表面809构成使用粘合剂706可附接到金属轴702的压电 材料表面，粘合剂706减小了滞后和蠕变并且改进了声波感测设备705 的性能。优选地，抛光由压电材料形成的表面809，从而提供了经过抛 光的压电表面。也可以抛光金属轴702，从而减小了与声波感测设备 705的表面809和金属轴702相关的接触面积。金属轴702的抛光也可 以减小与声波感测设备的表面809的接触面积相关的局部应力。所用的粘合剂706可以被实施为环氧粘合剂，避免了与接触面积 相关的直接接触引起的频率不稳定性。此外，声波感测设备705可以 被实施为全石英封装(AQP)的声波传感器。这种AQP声波传感器705 可以被配置为石英SAW谐振器传感器。声波感测设备705可以进一步 被配置为引入一个或多个电极的使用，诸如例如，布置在衬底704上 的电极802、 804、 806、 808。用以实施衬底704的压电材料可以是例如诸如a-石英、铌酸锂 (LiNb03)，和钽酸锂(LiTa03)以及Li2B407、 A1P04、 GaP04、硅 酸镓镧(La3Ga5Si014) 、 ZnO、和/或外延生长的(Al、 Ga、 In)氮化物 之类的材料。此外，声波感测设备705可以被实施为诸如例如挠性板 模式(FMP)传感器、声板波(APW)传感器、表面横波(STW)传感器、 和/或剪切水平声板模式(SH-APM)传感器。声波感测设备705也可以被实施为例如幅度板模式(APM)数据传 感器、厚度剪切模式(TSM)数据传感器、表面声波(SAW)传感器、 和/或体声波模式(BAW)传感器。声波感测设备705也可以被实施为 扭转模式传感器、乐甫波传感器、漏泄表面声波模式(LSAW)传感器 和/或伪表面声波模式(PSAW)传感器。还可以配置声波感测设备705， 例如，4吏得电极802、 804、 806、 808由诸如A1、 Pt、 Au、 Rh、 Ir、 Cu、 Ti、 W、 Cr和/或Ni的电极材料形成；或以下类型的合金形成TiN、 CoSi2和WC。这种电极材料也可以从金属-非金属化合物配置，诸如， 例如NiCr和/或CuAl。声波感测设备705还可以被配置为谐振器、滤 波器或延时线。应理解上述公开的变化和其他特征和功能，或其可选方案可以结合到许多不同的系统或应用中。而且随后本领域技术人员可以做出各 种目前不可见或不可预测的可选方案、修改、变化或改进，这些都意 在包括在随附的权利要求书中。
权利要求
1.一种声波感测仪器，包括衬底，具有由压电材料形成的表面；以及从所述衬底配置的声波感测设备，其中包括所述压电材料表面的所述表面可以使用粘合剂附接到金属轴，该粘合剂减小滞后和蠕变并且改进所述声波感测设备的性能。
2. 权利要求l的仪器，还包括指示所述金属轴和所述表面的表面 粗糙度的预载，其中利用所述预栽获得其希望的滞后值和希望的蠕变 值。
3. 权利要求l的仪器，其中所述表面被抛光，从而包括经过抛光 的压电表面。
4. 权利要求l的仪器，其中所述金属轴被抛光，从而减小了与所 述声波感测设备的所述表面和所述金属轴相关的接触面积。
5. 权利要求4的仪器，其中所述金属轴被抛光，从而减小了与所 述声波感测设备的所述表面的所述接触面积相关的局部应力。
6. 权利要求4的仪器，其中所述粘合剂包括环氧粘合剂，环氧粘 合剂避免了与所述接触面积相关的直接接触引起的频率不稳定性。
7. —种声波感测系统，包括衬底，具有由压电材料形成的表面，其中所述表面被抛光，从而 包括经过抛光的压电表面； 金属轴；以及从所述衬底配置的声波感测设备，其中所述表面可以使用粘合剂 附接到所述金属轴，该粘合剂减小滞后和蠕变并且改进所述声波感测 设备的性能，其中所述金属轴被抛光，从而减小了与所述声波感测设 备的所述表面和所述金属轴相关的接触面积，同时还减小了与所述声 波感测设备的所述表面的所述接触面积相关的局部应力。
8. 权利要求7的系统，其中所述压电材料选自包括以下材料的至 少其中之一的材料组ot-石英、铌酸锂(LiNb03)，和钽酸锂(LiTa03) 以及Li2B407、 A1P04、 GaP04、珪酸镓镧(La3Ga5Si014) 、 ZnO、和外 延生长的(Al、 Ga、 In)氮化物。
9. 一种声波传感器系统，包括衬底，具有由压电材料形成的表面，其中所述表面被抛光，从而 包括经过抛光的压电表面，其中所述压电材料选自包括以下材料的至少其中之一的材料组ct-石英、铌酸锂(LiNb03)，和钽酸锂(LiTa03) 以及Li2B407、 A1P04、 GaP04、硅酸镓镧(La3Ga5Si014) 、 ZnO、和外 延生长的(Al、 Ga、 In)氮化物；以及从所述衬底配置的声波感测设备，其中所述表面可以使用粘合剂 附接到所述金属轴，该粘合剂减小滞后和蠕变并且改进所述声波感测 设备的性能，其中所述金属轴被抛光，从而减小了与所述声波感测设 备的所述表面和所述金属轴相关的接触面积，同时还减小了与所述声 波感测设备的所述表面的所述接触面积相关的局部应力。
10.权利要求9的系统，其中所述声波感测设备包括谐振器。
全文摘要
一种声波感测仪器包括具有经过抛光的压电表面的衬底。声波感测设备(滤波器、谐振器、或延时线)通常从衬底配置，使得经过抛光的压电表面可以使用粘合剂附接到经过抛光的金属轴，该粘合剂减小滞后和蠕变并且改进所述声波感测设备的性能。优选地，金属轴被抛光，以便减小与声波感测设备的压电表面和金属轴相关的接触面积和局部应力。粘合剂可以被实施为环氧粘合剂，环氧粘合剂避免了与接触面积相关的直接接触引起的频率不稳定性。
文档编号G01L3/10GK101283246SQ200680037220
公开日2008年10月8日 申请日期2006年8月1日 优先权日2005年8月5日
发明者J·Z·刘 申请人:霍尼韦尔国际公司