一种超高温环境用无源无线声表面波传感系统应答器技术方案

本发明专利技术提供一种超高温环境用无源无线声表面波传感系统应答器，由声表面波传感芯片和气密性封装件组成，声表面波传感芯片是采用通用微电子技术在一压电晶体基片上制作有叉指换能器、反射栅阵等传感用金属电极结构的无源芯片。将现今独立的应答器天线集成在声表面波传感芯片上。由于应答器天线集成在声表面波传感芯片上，被放置在气密性封装件内，因此，所用的气密性封装件必须尽量降低对射频传感信号的影响。本技术方案彻底解决了超高温环境下声表面波传感器制作的技术难点。这种超高温环境用无源无线声表面波传感系统应答器的工作环境温度，仅取决于封装件和传感芯片的耐高温能力，目前技术即可实现1000度以上超高温环境工作。

【技术实现步骤摘要】
一种超高温环境用无源无线声表面波传感系统应答器
本专利技术涉及声学技术中的一种声表面波传感系统应答器，尤其是涉及一种超高温环境用无源无线声表面波传感系统应答器。
技术介绍
作为其技术基础的5G移动通信中，物联网，即智能传感网，是5G框架中最激动人心的应用，万物互联是信息社会的真正体现。智能传感网，其基本特点是：无处不在的传感节点，随时感知环境变化并通过无线链路汇集到信息中心处理及告知用户。可无线联网的传感器是智能传感网的基础元件，其中无线遥测传感器是在高温、高辐射等恶劣环境中，或长期无人值守状态时应用的必选。此处我们所述的无线遥测传感器，更明确的表述是指：通过无线电波作为传感器探头(下称应答器)和主机(下称阅读器)间的连接媒质，实现遥测功能的系统。遥测传感器系统由三部分组成：内含传感探头的应答器，主动收发无线电波的阅读器，和联网后台。无线遥测应答器，按所需能源分为：有源(自带如长效电池、太阳能板等电源)，半无源(采用接收阅读器强力射频电波的无线供电方式)以及无源三种，显然无源应答器是最适用于在严酷环境，或长期无人值守状态时应用。能在高温、高辐射等恶劣环境，或长期无人值守状态中可靠工作的传感器，是智能传感网中不可或缺的，目前广泛应用的IC传感器，无法担当此重任。为此近年来开发的基于雷达原理的声表面波(SurfaceAcousticWave，SAW)无源无线传感器，不需外界电源，抗干扰能力强，能在各种恶劣环境(例如高温、强电磁干扰和核辐射等)中可靠工作，是常用IC传感器的补充，将在现代工业、农业、交通和环境保护等领域中发挥其独特作用。例如，2008年初全国电力系统因雪灾造成的直接经济损失约为400亿元，占全国雪灾损失的22.3％。如果能采用SAW无线温度传感器直接监测电力网架空输电线温度，并采取有力预防措施，就可大大减小这些损失。特别是2011年日本核电站事故，使人们认识到在恶劣环境中能正常工作的传感器是多么的重要，如果核电站布局了SAW无线传感器，随时实时检测危险区域温度，就能使核电站运行有效和安全，推进未来核能源的广泛应用。现有技术的SAW无线传感器应答器，由SAW传感芯片、气密性封装和应答器天线三部分组成。SAW传感芯片是采用通用微电子技术在一压电晶体基片上制作有叉指换能器、反射栅阵等传感用金属电极结构的无源芯片，利用压电晶体的(逆)压电效应，实现电磁波与声表面波的能量转换，完成电-声-电的信号处理。气密性封装是声表面波芯片的保护部件，同时实现芯片上叉指换能器与外部应答器天线的电气连接，也支撑应答器天线，其性状与使用环境密切相关。而与声表面波传感芯片上叉指换能器相连的应答器天线，是应答器与传感无线电波沟通的门户，用于收发声表面波传感系统应答器的激励与传感信号。SAW无线传感器的工作原理是：传感器的探头(应答器)所处周围环境的物理量、化学量和生物量变化，会引起其中SAW传感芯片电气特性的偏移，此偏移借助传感芯片电-声-电的能量转换功能，对阅读器激励信号进行调制，产生传感回波。通过检测传感回波，就能监测应答器所处周围环境物理量、化学量和生物量等参量，达到无源无线遥测功能。显见声表面波无线传感器是接触式传感，其应答器必须放置在待测处，能在待测点恶劣环境中可靠工作。只要无线电波传输链路通畅，阅读器和后台的工作环境就可以自主选择，限制较少。高温环境传感应用对汽车、航空航天、能源和军事等领域有极其重要作用，高温环境用声表面波传感器的研制倍受重视。已经发现不少能在极高温环境下正常工作的压电晶体材料，如硅酸镓镧类单晶和钙-稀土硼酸盐单晶等，如表1所示。也开始研究能在超高温环境下老化率低的耐高温金属电极系统，例如铂、钨等金属及其合金。超高温环境用声表面波传感芯片的技术正在成熟。现有技术中，声表面波芯片上叉指换能器与应答器天线的电气连接，是通过气密性封装的内外电极实现的。在应答器制作中，需要采用焊接实现电气连接的工序有：声表面波传感芯片上叉指换能器与气密性封装件内电极间的金丝焊接，以及气密性封装件外电极与应答器天线间的焊料焊接。特别是，为完成芯片金丝焊接，芯片压焊部分必须采用粘结剂固定在气密性封装件内。在目前，能在超高温环境下可靠工作的粘结剂不多，焊料基本没有，声表面波芯片与应答器天线的电气连接已成为研制超高温环境用声表面波传感器的技术难点。
技术实现思路
为推进超高温声表面波无源无线传感器的发展，本专利技术提出一种超高温环境用无源无线声表面波传感系统应答器的技术方案：一种超高温环境用无源无线声表面波传感系统应答器，由声表面波传感芯片和气密性封装件组成，本专利技术的主要特征是：声表面波传感芯片是采用通用微电子技术在一压电晶体基片上制作有叉指换能器、反射栅阵等传感用金属电极结构的无源芯片。将现今独立的应答器天线集成在声表面波传感芯片上(下称微型天线)。由于应答器天线集成在声表面波传感芯片上，被放置在气密性封装件内，因此，所用的气密性封装件必须尽量降低对射频传感信号的影响。声表面波传感芯片放在气密性封装件内的方式，可以是不使用粘结剂，但机械位置有限制的不固定方式，例如应用在温度传感器中；也可是使用粘结剂的芯片部分固定方式，例如应变传感器应用。声表面波传感芯片上的微型天线，是介质基板金属薄膜天线，在制作声表面波传感芯片上的传感用金属电极结构时，同时制作。本技术方案中，声表面波传感芯片与应答器天线不需要电气连接，彻底解决了超高温环境下声表面波传感器制作的技术难点。这种超高温环境用无源无线声表面波传感系统应答器的工作环境温度，仅取决于封装件和传感芯片的耐高温能力，目前技术即可实现1000度以上超高温环境工作。附图说明图1谐振型声表面波无源无线传感系统框图图2谐振型声表面波无源无线传感应答器实测回波图3延迟型声表面波无源无线传感系统框图图4现有技术的谐振型声表面波传感芯片图5本专利技术：一种超高温环境用无源无线声表面波传感系统应答器图6实施例1的谐振型声表面波传感芯片图7实施例2的谐振型声表面波传感芯片图8实施例3的谐振型声表面波传感芯片表1压电晶体工作温度范围具体实施方式一、声表面波(SurfaceAcousticWave，SAW)传感器简介1.1SAW器件特点SAW器件是在压电晶片上制作的无源微型电子元件，它利用淀积在压电晶片上的叉指换能器和反射栅阵等金属薄膜结构，基于晶片的(逆)压电效应，实现电磁波-声表面波的能量相互转换，产生、转换和控制声表面波，来完成稳频、滤波、延迟和传感等功能，已在雷达、通讯、音视频、遥控、传感等领域得到广泛应用。SAW器件的能量转换不涉及电子-空穴过程，外界电磁辐射不会对其产生影响，所以SAW器件能在强电磁辐射环境中应用。SAW器件的基本特点是：·抗辐射，耐高低温，环境适应能力强，能在严酷环境中可靠工作；·器件体积小，重量轻，可靠性高，采用微电子技术批量生产，一致性好；·表面波在晶片表面传播，容易控制其传输性能，实现信号处理和传感功能；·声表面波机电换能过程没有电载荷子参与，没有能量转换阈值，是无源器件。1.2SAW传感器SAW技术在信息敏感方面也表现出卓越的优势，SAW传感器的工作原理是：器件所处周围环境的物理量、化学量和生物量变化，会引起SAW器件电气特性的偏移，通过检测这些偏移就能监测周围环境物理量本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种超高温环境用无源无线声表面波传感系统应答器，其特征在于，由声表面波传感芯片和气密性封装件组成，所述声表面波传感芯片是在一压电晶体基片上制作有叉指换能器和反射栅阵的传感用金属电极结构的无源芯片，所述声表面波传感芯片上还集成有一个与叉指换能器并联的微型天线；所述声表面波传感芯片放在所述气密性封装件内，两者没有电气连接。

【技术特征摘要】
1.一种超高温环境用无源无线声表面波传感系统应答器，其特征在于，由声表面波传感芯片和气密性封装件组成，所述声表面波传感芯片是在一压电晶体基片上制作有叉指换能器和反射栅阵的传感用金属电极结构的无源芯片，所述声表面波传感芯片上还集成有一...

【专利技术属性】
技术研发人员：李勇，胡建学，夏前亮，马杰，何朝峰，崔坤，宋伟，朱卫俊，王祥邦，
申请(专利权)人：中电科技德清华莹电子有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江,33