谐振式声表面波无线无源温/湿度传感器制造技术

本发明专利技术公开了一种谐振式声表面波无线无源温/湿度传感器，该温/湿度传感器由温度传感器和湿度传感器平行共面集成在一起，包括复合压电基底层、叉指换能器、反射栅阵、表面压电波导层，反射栅阵形成谐振腔，温度传感器和湿度传感器具有相同的谐振器结构和表面压电波导层结构，在湿度传感器的表面压电波导层上方集成有纳米湿敏材料。本发明专利技术由于声表面波无源无线传感器具有非接触、无电源、抗干扰、保密性好、成本低等优点，已广泛应用于许多领域。通过使用不同工作频段的温/湿度传感器阵列，传感器阵列无需引线连接，可分布于不同的工作地点，应用不受限制，特别适合一些应用环境复杂和恶劣的场合。

【技术实现步骤摘要】
谐振式声表面波无线无源温/湿度传感器
本专利技术属于环境参数检测
，尤其涉及一种可检测温度和湿度的高精度传感器。
技术介绍
温度、湿度是日常环境影响人们常生活最为密切相关的两个物理量，同时也是在科学实验和生产活动中需要测量和控制的重要物理量。温/湿度传感器是日常生活和工业生产中使用最为广泛的传感器，它可以应用到工农业生产、物流运输和管理、健康护理、医院药品存储和监管、食品质量监测、建筑结构质量监测等等众多场合。以药品的存储管理为例。GSP认证要求的药品储存条件要有药品分类保管和符合药品储存要求的库房。其中常温库温度为0～30℃，阴凉库温度不高于20℃，冷库温度为2～10℃；各库房相对湿度应保持在45～75％之间。药品储存的时候，应该根据季节的变迁和气候的变化，控制好仓库储存温度和湿度，既要保证药品存储的质量，又要遵循高效和节约以及方便安全的原则。目前工农业生产使用温/湿度传感器多为热敏电阻和湿敏电容组合使用的传感器，通常需要配线连接实现信号传输和电源供电。对于密闭和狭窄空间的温/湿度监测，这类传感器的使用对线缆配置和维护安装都带来了诸多不便。为此，开发一种小型的，不需要使用电缆和电源的无线无源温/湿度传感器具有重要的价值和意义。目前已知的无线无源温/湿度传感器主要有以下几种类型：M.K.Jain等人开发了一种基于磁声原理的无源无线温湿传感器【JainMK,SchmidtS,OngKG,etal.Magnetoacousticremotequerytemperatureandhumiditysensors.SmartMaterialsandStructures,2000,9(4):502---510.】。依靠磁弹性薄膜杨氏模量随温度和质量负载(以氧化铝薄膜吸附水分子的量表征湿度)的变化而变化，导致磁声传感器谐振频率的变化。这种传感器的具有灵敏度低和系统成本高的缺点。CN201810399536.3公开了一种声表面波(SAW)温/湿度传感器。该温/湿度传感器通过设置在延迟线上的叉指换能器进行声表面波和电磁波的相互转换，并通过声表面波在延迟线上传播时间差来计算得出温度和湿度。延迟线类型的SAW传感器具有无线传输距离短和系统成本高的缺点。CN201710886337.0公开了一种电感悬臂梁无线无源湿度传感器。该传感器利用温度和湿度导致的电感悬臂梁的形变来改变电感电容(LC)谐振回路的谐振频率。LC类型的谐振传感器主要缺点是无线传感距离短。因此，开发低成本、高灵敏度和远距离无线传感的温/湿度传感器对工农业生产和居民生活环境温/湿度的监测有重要意义。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术中无线无源温/湿度传感器存在无线传输距离短或检测灵敏度低的问题，提供一种谐振式声表面波无线无源温/湿度传感器，其具有高灵敏度、传输距离远、可同时测量温度和湿度。本专利技术通过以下技术方案加以实现：所述的谐振式声表面波无线无源温/湿度传感器，其特征在于该系统包括温/湿度传感器，所述温/湿度传感器为温度传感器和湿度传感器平行共面集成在一起，包括复合压电基底层、设置在复合压电基底层上的叉指换能器、对称分布在叉指换能器左右两边的等间距的反射栅阵、及设置在叉指换能器上方的表面压电波导层，所述反射栅阵形成谐振腔，所述温度传感器和湿度传感器具有相同的谐振器结构和表面压电波导层结构，在湿度传感器的表面压电波导层上方集成有纳米湿敏材料。优选地，复合压电基底层由厚度为100nm～10μm的IDT压电层和厚度为200μm～500μm的基底压电层组成。优选地，叉指换能器压电层选用氧化锌、氮化铝、锆钛酸铅压电陶瓷、偏聚氟乙烯中的任一材料制成，优选氧化锌；所述基底压电层选用能够产生声表面横波的ST-90°x石英、37°y-90°x石英、41°yx-LiNbO3、36°yx-LiTaO3中的任一材料制成。优选地，叉指换能器结构为单金属叉指换能器结构或双金属叉指换能器结构，对于双金属叉指换能器结构，两个金属叉指换能器之间有间隔，所述反射栅阵为开路栅、短路栅和混合栅。优选地，叉指换能器两端设置有信号电极和接地电极，所述信号电极与天线集成，接地电极与地线连接并扩展包围整个叉指换能器结构和反射栅阵。优选地，表面压电波导层厚度为10-100nm，其采用与叉指换能器压电层相同的材料，或采用氧化硅、氧化钛、氮化硅、聚甲基丙烯酸甲酯中的任一种。优选地，纳米湿敏材料制备在表面压电波导层的上表面，并位于叉指换能器上方或两个叉指换能器间隔的上方；所述的纳米湿敏材料为低维纳米结构材料，其结构为纳米点、纳米颗粒、纳米线、纳米棒、纳米柱、纳米管、纳米花、纳米片、纳米带、纳米弹簧、纳米笼中的任一种，所述的纳米湿敏材料选用无机氧化物、高分子纳米湿敏材料、碳基纳米材料中的任一种；所述无机氧化物为Fe3O4、Fe2O3、Cr2O3、Al2O3、Sb2O3、TiO2、SnO2、ZnO、CuO、Cu2O、ZrO2中的任一种；所述高分子纳米湿敏材料为聚苯乙烯，聚酰亚胺、硅树脂中的任一种；所述碳基纳米材料为富勒烯、碳纳米管、石墨烯、氧化石墨烯中的任一种。优选地，该传感器还包括收发天线、转换开关、控制单元、激励信号发生器、温/湿度读取器、显示单元，所述收发天线经转换开关控制实现交替发射激励电磁信号和接收温/湿度传感电磁信号给收发装置，所述收发天线的频响带宽覆盖温/湿度传感器的频响带宽；所述激励信号发生器通过控制单元可以产生多个中心频率不同的激励电磁信号；所述的温/湿度读取器可以处理接收到的温/湿度传感电磁信号；所述的显示单元用以显示测量的温度和湿度数值。本专利技术由于声表面波无源无线传感器具有非接触、无电源、抗干扰、保密性好、成本低等优点，已广泛应用于许多领域。通过使用不同工作频段的温/湿度传感器阵列，传感器阵列无需引线连接，可分布于不同的工作地点，应用不受限制，特别适合一些应用环境复杂和恶劣的场合，例如狭小的空间、转动的零部件、高电压和高电磁场的环境。本专利技术提出了利用IDT压电层与基底压电层复合实现了比单一压电基底更高的机电耦合系数。由于声表面横波模式是所有声波传感器中灵敏度最高的一种工作模式。同时，声表面横波具有低的传播损耗、低的相位噪声、低的老化和低的振动灵敏度优势，特别适合于声表面波温/湿度传感器的应用。因此本专利技术所述的复合压电基底选择使用可产生声表面横波的基底压电层，实现了声表面波能量集中在表面压电波导层中传输。为了降低表面粗糙的纳米湿敏结构材料对声表面波的散射损耗，通过设计表面压电波导层增强声表面波在表面压电波导层中的传输，提高表面声波与纳米湿敏材料的相互作用，提高传感器的灵敏度。利用本专利技术提出的谐振式声表面波无线无源温/湿度传感器可以同时探测所处环境的温度和湿度参数。同时，测量的温度参数还被用于解耦湿度传感器中的温度影响分量。本专利技术的复合压电声表面波无线无源温/湿度传感器通过MEMS微加工方法制造，因此具有集成制造、批量生产、一致性好和成本低廉等优势。附图说明图1为本专利技术实施例1基于单金本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.谐振式声表面波无线无源温/湿度传感器，其特征在于该温/湿度传感器由温度传感器和湿度传感器平行共面集成在一起，包括复合压电基底层、设置在复合压电基底层上的叉指换能器(1-3)、对称分布在叉指换能器(1-3)左右两边的等间距的反射栅阵(1-4)、及设置在叉指换能器(1-3)上方的表面压电波导层(1-5)，所述反射栅阵(1-4)形成谐振腔，所述温度传感器和湿度传感器具有相同的谐振器结构和表面压电波导层结构，在湿度传感器的表面压电波导层上方集成有纳米湿敏材料(1-6)。/n

【技术特征摘要】
1.谐振式声表面波无线无源温/湿度传感器，其特征在于该温/湿度传感器由温度传感器和湿度传感器平行共面集成在一起，包括复合压电基底层、设置在复合压电基底层上的叉指换能器(1-3)、对称分布在叉指换能器(1-3)左右两边的等间距的反射栅阵(1-4)、及设置在叉指换能器(1-3)上方的表面压电波导层(1-5)，所述反射栅阵(1-4)形成谐振腔，所述温度传感器和湿度传感器具有相同的谐振器结构和表面压电波导层结构，在湿度传感器的表面压电波导层上方集成有纳米湿敏材料(1-6)。


2.如权利要求1所述的谐振式声表面波无线无源温/湿度传感器，其特征在于复合压电基底层由厚度为100nm～10μm的叉指换能器压电层(1-2)和厚度为200μm～500μm的基底压电层(1-1)组成。


3.如权利要求2所述的谐振式声表面波无线无源温/湿度传感器，其特征在于所述叉指换能器压电层(1-2)选用氧化锌、氮化铝、锆钛酸铅压电陶瓷、偏聚氟乙烯中的任一材料制成，优选氧化锌；所述基底压电层(1-1)选用能够产生声表面横波的ST-90°x石英、37°y-90°x石英、41°yx-LiNbO3、36°yx-LiTaO3中的任一材料制成。


4.如权利要求1所述的谐振式声表面波无线无源温/湿度传感器，其特征在于叉指换能器(1-3)结构为单金属叉指换能器结构或双金属叉指换能器结构，对于双金属叉指换能器结构，两个金属叉指换能器之间有间隔，所述反射栅阵(1-4)为开路栅、短路栅和混合栅。


5.如权利要求1所述的谐振式声表面波无线无源温/湿度传感器，其特征在于叉指换能器(1-3)两端设置有信号电极(1-7)和接地电极(1-8)，所述信号电极(1-7)与天线集成，接地电极(1-8)与地线连接并扩展包围整个...

【专利技术属性】
技术研发人员：伞海生，王斌，
申请(专利权)人：杭州能工科技有限公司，
类型：发明
国别省市：浙江;33