专利名称：声表面波压力温度传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于测量压力和温度的基于声表面波的传感器。
背景技术：
声表面波压力温度传感器可以用来同时测量温度和压力信号，目前已经在 实际中得到应用，如汽车轮胎的内部压力和温度的检测。通常的声表面波压力 温度传感器， 一般是在单个压电衬底的不同区域安装多个温度和压力声表面波 器件，并在柔性衬底上制作阻抗匹配电路和天线。这种结构设计虽然在多个不 同功能传感器安装上具有简便的一次性安装的优点，但是在同时需要高精度温 度和压力检测的情况下，存在着衬底制作面积较大和封装体积较大的缺点。其 原因在于，温度和压力声表面波器件同时会对温度压力信号都有响应，这样使
得在同一衬底上制作两种器件时需要一定的空间隔离。例如，YZ型的铌酸锂晶 体适合于高灵敏度温度检测的温度传感器的制作，但在同一衬底上制作相应的 压力传感器，则灵敏的温度特性将成为噪声信号影响压力传感器的测量精度； 反之，以低温度系数的ST型石英晶体作为压力传感器的衬底材料不仅使得其上 的温度传感器的灵敏度大大下降，而且温度传感器需通过加大与压力传感器衬 底之间的间距以及一些附加的封装基底结构设计来减少压力信号对它的影响。 因此，上述结构很难在较小的衬底面积和封装体积的条件下同时实现温度和压 力信号的高灵敏度和高精度检测。此外，对于少数分层封装设计的器件在电极 制作及安装电气通路时工艺颇为繁琐复杂。再则，声表面波传感器具有无线测 量的优势，因此，目前较多将之应用于无线遥测领域。在当前较为普遍使用的 频率范围内，具有微小封装特性的声表面波传感器的天线制作通常是通过在柔 性衬底上制作平面印刷天线和安装相应的阻抗匹配电路得以实现的，这些设计 普遍存在天线接收发射效率不高和制作工艺复杂的缺点。
中国专利CN101248339A公开了一种基于声表面波的传感器，该传感器通过 在同一压电衬底上安装压力声表面波谐振器、温度声表面波谐振器和基准谐振 器实现同时检测压力和温度信号的功能。这种传感器结构虽然具有一次性安装 的优点，但传感器需要较大的衬底面积，且难以做到小型化封装。此外这种传 感器在满足压力测量精度的同时，很难满足温度信号的高灵敏检测。中国专利CN101360623A公开了一种声表面传感器的结构。在该结构中，压 力、温度SAW器件安装于同一块石英基底上，压电衬底面积较大，难以同时达 到压力和温度信号的高灵敏度和高精度检测。此外，该方案通过无掩膜喷墨技 术在柔性衬底上形成一定厚度的平面天线，该天线与声表面波器件通过倒装焊 接方式连接在一起，这种方式的天线制作和结构封装工艺复杂，并且平面印制 天线的发射接收效率不高。
发明内容
本发明的目的是提供一种体积小、安装结构紧凑、封装工艺简便的声表面 波压力温度传感器。
为实现以上发明目的，本发明采用的技术方案是该声表面波压力温度传 感器主要包括支架、温度传感器衬底和压力传感器衬底，所述支架的内壁上设 有凸起部分，在支架的内壁上设有互不接触的第一导电层和第二导电层，所述 第一导电层和第二导电层覆盖支架的凸起部分并从支架的一端伸出，所述温度 传感器衬底和压力传感器衬底分别密封安装在支架的凸起部分的两侧，在所述 支架的凸起部分、压力传感器衬底和温度传感器衬底之间形成密闭的气体腔， 在所述温度传感器衬底的内表面上固定有第二声表面波器件、第一温度传感器 焊盘和第二温度传感器焊盘，所述第一温度传感器焊盘置于温度传感器衬底和 第二导电层之间，所述第二温度传感器焊盘置于温度传感器衬底和第一导电层 之间，在所述压力传感器衬底的内表面上固定有第一声表面波器件，第一压力 传感器焊盘和第二压力传感器焊盘，所述第一压力传感器焊盘置于压力传感器 衬底和第二导电层之间，所述第二压力传感器焊盘置于压力传感器衬底和第一 导电层之间。
进一步地，本发明在所述温度传感器衬底的外表面上固定安装有阻抗匹配 电路、第一信号输入焊盘、第二信号输入焊盘、第一信号输出焊盘和第二信号 输出焊盘，所述第一信号输入焊盘和第二信号输入焊盘与阻抗匹配电路的输入 端连接，所述第一信号输出焊盘和第二信号输出焊盘均与阻抗匹配电路的输出 端连接。
进一步地，本发明所述支架的外壁上固定缠绕有螺旋型天线，所述螺旋型 天线的两端分别与第一信号输出焊盘和第二信号输出焊盘连接。
进一步地，本发明所述第一导电层和第二导电层为电镀的铝层。
4与现有技术相比，本发明的优点是
1)本发明用于连接声表面波压力、温度传感器的支架具有将外壳气密封装、 内部传感器结构支撑、传感器电气连接和外部天线骨架支撑等四个功能集成一 体的复合功能；支架内壁的第一导电层和第二导电层将温度、压力传感器输出 信号与内置一体的阻抗匹配电路连接在一起，通过上述的结构设计大大简化了 声表面波压力温度传感器的封装工艺，同时使得压力温度传感器的结构更加紧 凑，体积更小。2)与现有技术采用单一衬底不同，本发明分别采用压力传感器 衬底和温度传感器衬底，可以同时满足压力、温度的高灵敏和高精度检测的设 计要求，具有较强的灵活性。3)本发明声表面波压力温度传感器具有特殊的螺 旋型天线结构，该天线可通过绕制方式固定在支架外壁上，它较平面印刷电路 制作的天线具有发射接收效率高的优点。这种简单、紧凑和高效的封装结构和 天线设计使得本发明的压力温度传感器具有灵敏度高、精度高、体积小、重量 轻、线传输距离远等优良性能。本发明在航空航天和植入式电子器件等特殊领 域具有良好的应用前景。
图1是本发明声表面波压力温度传感器的第一种实施方式的结构示意图； 图2是本发明声表面波压力温度传感器的第二种实施方式的结构示意图； 图3是本发明声表面波压力温度传感器的第三种实施方式的结构示意图； 图4是图1的A-A剖视图5是本发明声表面波压力温度传感器的电路结构示意图6是本发明声表面波压力溫度传感器的第三种实施方式的电气连接示意图。
具体实施例方式
如图1至图3所示，本发明声表面波压力温度传感器包括支架8、温度传感 器衬底5和压力传感器衬底10。支架8可采用电绝缘材料，具有良好的支撑能 力， 一般可使用塑料材料，如ABS材料，或者使用绝缘性陶瓷材料作为支架8 的制作材料。支架8的内壁上镀有互不接触的第一导电层7和第二导电层14， 第一导电层7和第二导电层14覆盖支架8的凸起部分81并从支架8的一端伸 出。如图4所示，第一导电层7和第二导电层14可位于支架8的内壁上相对的 两侧，其中第一导电层7从支架8的一端伸出的部分30和第二导电层14从支架8的一端伸出的部分29用于连接外部电路。外接电路不仅可以为阻抗匹配电 路，用于无线声表面波传感器；也可以为信号处理电路，用于有线型的声表面 波传感器。
第一导电层7和第二导电层14可以为电镀的铝层，该电镀的铝层的制作方 法是(1)首先，分两次采用电镀铝工艺在支架8内壁的不同区域形成第一导 电层7和第二导电层14，即先将支架8的第一导电层7所在区域浸入铝电镀液 中，待在第一导电层7所处区域内形成一层均匀的铝膜后取出，在该过程中， 要注意尽量避免在支架8的内壁的非第一导电层7所在区域电镀铝膜；随后再 将支架8的第二导电层14所在区域浸入铝电镀液中，形成第二导电层14，同样， 在此过程中应尽量避免在支架8的内壁的非第二导电层14所在区域电镀铝膜。
(2)接着，将支架8凸起部分81的两侧用盖板密封后浸入酸性溶液中，待支 架8外壁的电镀铝层清除干净后取出，去掉盖板即可。这种利用电镀铝的工艺 相对于光刻制作铝电极的工艺更为简单，所制成的导电层具有膜厚均匀，铝膜 较薄等特点。
如果对第一导电层7和第二导电层14质量要求不高，也可采用热浸方式制 作导电层。需要指出的是这两个导电层也可由其他导电物质形成，导电物质可 以为金属类物质，比如常用铜，贵重金属银等，另外还可以使用导电高分子聚 合物等。
温度传感器衬底5选取温度延迟系数较大，杨氏模量较大的压电衬底，这 种衬底对温度信号较为敏感，对压力信号不敏感。比如YZ型铌酸锂晶体，这种 切型的压电晶体对温度变化敏感，采用此切型的温度传感器可以达到较高温度 检测灵敏度。在温度传感器衬底5表面上，可通过光刻技术一次性制作完成第 二声表面波器件21、第一温度传感器焊盘23和第二温度传感器焊盘6，这两个 焊盘均与第二声表面波器件21的输出端相连。其中第二声表面波器件21釆用 声表面波谐振器，需要指出的是第二声表面波器件21也可以采用延迟线型的声 表面波器件等。
压力传感器衬底10 —般选取温度延迟系数较小，杨氏模量较小的压电衬底， 这种衬底对于压力信号较为敏感，对于温度变化不敏感。比如ST型石英晶体， 这种切型的石英晶体的延时温度系数可以达到0，采用这种切型的压力传感器可 以达到较高的压力检测灵敏度。在压力传感器衬底5表面上，可通过光刻技术 一次性形成第一声表面波器件22、第一压力传感器焊盘25和第二压力传感器焊盘26，这两个焊盘与第一声表面波器件22的输出端相连。其中第一声表面波器 件22采用声表面波谐振器，需要指出的是第一声表面波器件22也可以采用延 迟线型的声表面波器件等。
如图1至图3所示，在本发明声表面波压力温度传感器的结构中，温度传 感器衬底5和压力传感器衬底10分别密封安装在支架8的凸起部分81的两侧， 即温度传感器衬底5密封安装在支架8的凸起部分81的一侧811上；压力传感 器衬底10则与凸起部分81的相对的另一侧812密封安装在一起。由此，在支 架8的凸起部分81、压力传感器衬底10和温度传感器衬底5之间形成密闭的气 体腔28。该密闭的气体腔28内可充有空气或者氮气，气体腔28主要是为压力 传感器提供一个稳定的压力环境，使压力传感器衬底10向着气体腔28的内表 面不受来自密闭的气体腔28内气压变化的影响，而只受到来自下方待检测物所 施加的作用力的影响，从而可以精确地检测待测物所施加的压力。
压力传感器衬底10向着密闭气体腔28的内表面通过光刻工艺形成有第一 声表面波器件22、第一压力传感器焊盘25和第二压力传感器焊盘26。第一压 力传感器焊盘置25于压力传感器衬底10和第二导电层14之间，第二压力传感 器焊盘26置于压力传感器衬底10和第一导电层之7间。支架8内壁上的第二 导电层14和第一压力传感器焊盘25通过导电胶连接，第一导电层7和第二压 力传感器焊盘26通过导电胶连接。第一压力传感器焊盘25和第二压力传感器 焊盘26与第一声表面波器件22的输出端相连，将电信号导出。
温度传感器衬底5向着气体腔28的表面通过光刻工艺形成第二声表面波器 件21、第一温度传感器焊盘23和第二温度传感器焊盘6。第一温度传感器焊盘 23置于温度传感器衬底5和第二导电层14之间，第二温度传感器焊盘6置于温 度传感器衬底5和第一导电层7之间。第二导电层14和第一温度传感器焊盘23 通过导电胶连接，第一导电层7和第二温度传感器焊盘6通过导电胶连接，第 一温度传感器焊盘23和第二温度传感器焊盘6与第二声表面波器件21的输出 端相连，将电信号导出。
当温度传感器衬底5和压力传感器衬底10上的焊盘同支架8的内壁上的第 一导电层7和第二导电层14同时连接时，即实现了第一声表面波器件22和第 二声表面波器件21均与支架8的内壁上的第一导电层7和第二导电层14的连 接，从而实现电信号传导通路的连通，传感器所采集的电信号可通过支架8的 两侧的第一导电层7和第二导电层14传输到外部，方便与外部电路连接。
7图2示出了本发明声表面波压力温度传感器的第二种实施方式的结构，它 是在本发明第一种实施方式的结构的基础上，还在温度传感器衬底5的外表面 安装有阻抗匹配电路18 、第一信号输入焊盘9、第二信号输入焊盘15、第一信 号输出焊盘16和第二信号输出焊盘17。如图5所示，第一信号输入焊盘9、第 二信号输入焊盘15与阻抗匹配电路18的输入端相连，第一信号输出焊盘16和 第二信号输出焊盘17与阻抗匹配电路18的输出端相连。
其中阻抗匹配电路18可采用L形匹配网络、"形匹配网络或T形匹配网络 等阻抗匹配电路。本发明第二种实施方式是采用L形匹配网络进行天线匹配， 该匹配网络由两个不同性质的电抗元件构成，即电容和电感。此外，第二信号 输入焊盘15和第一导电层7从支架8的一端伸出的部分30通过导电胶连接， 第一信号输入焊盘9和第二导电层14从支架8的一端伸出的部分29通过导电 胶连接，第一信号输出焊盘16和第二信号输出焊盘17可用于连接外部的天线。
以上阻抗匹配电路的制作方法可以是首先通过光刻工艺在温度传感器衬 底5的外表面形成阻抗匹配电路18的铝连接线和铝焊盘；然后将0402封装贴 片电容和电感元器件通过导电胶焊接于阻抗匹配电路18对应连接位置。
此外，本发明的阻抗匹配电路18 、第一信号输入焊盘9、第二信号输入焊 盘15、第一信号输出焊盘16和第二信号输出焊盘17也可以通过光刻工艺制作 在温度传感器衬底5向着气体腔28的内表面上。
图3是本发明声表面波压力温度传感器的第三种实施方式的结构示意图。 该声表面波压力温度传感器包括支架8、温度传感器衬底5、压力传感器衬底10 和螺旋型天线4。螺旋型天线4的两端通过导线19和导线20分别与第一信号输 出焊盘16和第二信号输出焊盘17相连。螺旋型天线4可以采用漆包线或者铝 丝绕制而成。螺旋型天线4固定缠绕在支架8的外壁上。该螺旋型天线4制作 简单，结构紧凑，具有较长的天线等效长度，发射接收效率高。
图6为本发明声表面波压力温度传感器的第三种实施方式的电气连接图。 其中，第二声表面波器件21的输出端与第一温度传感器焊盘23和第二温度传 感器焊盘6连接，第一声表面波器件22输出端与第一压力传感器焊盘25和第 二压力传感器焊盘26连接，第一压力传感器焊盘25和第一温度传感器焊盘23 均与第二导电层14连接，第二压力传感器焊盘26和第二温度传感器焊盘6均 与第一导电层7连接，第二导电层14从支架8的一端伸出的部分29与第一信 号输入焊盘9连接，第一导电层7从支架8的一端伸出的部分30与第二信号输入焊盘15连接，第一信号输入焊盘9和第二信号输入焊盘15与阻抗匹配电路 18的输入端连接，阻抗匹配电路18的输出端与第一信号输出焊盘16和第二信 号输出焊盘17连接，第一信号输出焊盘16和第二信号输出焊盘17与螺旋型天 线4的两端连接。
本发明声表面波压力温度传感器的工作过程为压力信号作用于压力传感 器衬底10上，温度信号作用于温度传感器衬底5上，第一声表面波器件22产 生压力传感器输出信号，第二声表面波器件21产生温度传感器输出信号，压力 传感器输出信号和温度传感器输出信号均通过第一导电层7和第二导电层14传 输到外部电路。
若声表面波压力温度传感器为有线型的声表面波压力温度传感器，则压力 传感器输出信号和温度传感器输出信号均通过第一导电层7和地二导电层14直 接连接外部的信号处理电路即可。
若声表面波压力温度传感器为无线声表面波压力温度传感器，可如本发明 第二种实施方式和第三种实施方式的结构，使压力传感器输出信号和温度传感 器输出信号均通过第一导电层7和第二导电层14传输到阻抗匹配电路18，阻抗 匹配电路18对这两个串联后的信号进行处理，然后通过第一信号输出焊盘16 和第二信号输出焊盘17将信号传到天线，通过天线发以电磁波的形式将信号传 输出去，这里的天线可以是外置天线，也可以是作为本发明声表面波压力温度 传感器组成部分的螺旋型天线4。
权利要求
1.一种声表面波压力温度传感器，其特征在于它包括支架、温度传感器衬底和压力传感器衬底，所述支架的内壁上设有凸起部分，在支架的内壁上设有互不接触的第一导电层和第二导电层，所述第一导电层和第二导电层覆盖支架的凸起部分并从支架的一端伸出，所述温度传感器衬底和压力传感器衬底分别密封安装在支架的凸起部分的两侧，在所述支架的凸起部分、压力传感器衬底和温度传感器衬底之间形成密闭的气体腔，在所述温度传感器衬底的内表面上固定有第二声表面波器件、第一温度传感器焊盘和第二温度传感器焊盘，所述第一温度传感器焊盘置于温度传感器衬底和第二导电层之间，所述第二温度传感器焊盘置于温度传感器衬底和第一导电层之间，在所述压力传感器衬底的内表面上固定有第一声表面波器件，第一压力传感器焊盘和第二压力传感器焊盘，所述第一压力传感器焊盘置于压力传感器衬底和第二导电层之间，所述第二压力传感器焊盘置于压力传感器衬底和第一导电层之间。
2. 根据权利要求1所述的声表面波压力温度传感器，其特征在于在所述温 度传感器衬底的外表面上固定安装有阻抗匹配电路、第一信号输入焊盘、第二 信号输入焊盘、第一信号输出焊盘和第二信号输出焊盘，所述第一信号输入焊 盘和第二信号输入焊盘与阻抗匹配电路的输入端连接，所述第一信号输出焊盘 和第二信号输出焊盘均与阻抗匹配电路的输出端连接。
3. 根据权利要求2所述的声表面波压力温度传感器，其特征在于所述支架 的外壁上固定缠绕有螺旋型天线，所述螺旋型天线的两端分别与第一信号输出 焊盘和第二信号输出焊盘连接。
4. 根据权利要求1至3中任一项所述的声表面波压力温度传感器，其特征在 于所述第一导电层和第二导电层为电镀的铝层。
全文摘要
本发明公开了一种声表面波压力温度传感器，支架的内壁上设有凸起部分和互不接触的两个导电层，该两个导电层分别覆盖支架的凸起部分，温度传感器衬底和压力传感器衬底分别密封安装在支架的凸起部分的两侧，支架的凸起部分、压力传感器衬底和温度传感器衬底之间形成密闭的气体腔，温度传感器衬底的内表面上和压力传感器衬底的内表面上各自固定有相应的声表面波器件、温度传感器焊盘或压力传感器焊盘，温度传感器焊盘置于相应的温度传感器衬底和导电层之间，压力传感器焊盘置于相应的压力传感器衬底和导电层之间。本发明封装结构简单、紧凑、高效、体积小、重量轻，并且灵敏度高、精度高、线传输距离远，适于应用在航空航天和植入式电子器件等领域。
文档编号G01L9/08GK101650247SQ20091010108
公开日2010年2月17日 申请日期2009年8月3日 优先权日2009年8月3日
发明者峰 刘, 叶学松, 琼 王, 王学俊, 蔡秀军, 贝伟斌 申请人:浙江大学