专利名称：一种声表面波压力温度传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型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。
实用新型内容本实用新型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。[0006] 为实现以上实用新型目的，本实用新型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，本实用新型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，本实用新型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，本实用新型所述第一导电层和第二导电层为电镀的铝层。 与现有技术相比，本实用新型的优点是 1)本实用新型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，本实用新型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)本实用新型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 计使得本实用新型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。本实用新型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
旦 豕。
图1是本实用新型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是本实用新型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是本实用新型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； 图5是本实用新型声表面波压力温度传感器的电路结构示意图； 图6是本实用新型声表面波压力温度传感器的第三种实施方式的电气连接示意图。
具体实施方式如图1至图3所示，本实用新型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采用声表面波谐振器，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O，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，在本实用新型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。 图2示出了本实用新型声表面波压力温度传感器的第二种实施方式的结构，它是 在本实用新型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、Ji形匹配网络或T形匹配网络等阻 抗匹配电路。本实用新型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，本实用新型的阻抗匹配电路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是本实用新型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为本实用新型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。 本实用新型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，可如本实用新型第 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 作为本实用新型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所述的一种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所述的一种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中任一项所述的一种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。
专利摘要本实用新型公开了一种声表面波压力温度传感器，支架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，温度传感器衬底内表面上和压力传感器衬底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。本实用新型封装结构简单紧凑、高效、体积小、重量轻，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G01L9/08GK201488854SQ200920190228
公开日2010年5月26日 申请日期2009年8月3日 优先权日2009年8月3日
发明者刘峰, 叶学松, 王学俊, 王琼, 蔡秀军, 贝伟斌 申请人:浙江大学