專利名稱：一種可無線訪問的聲表面波結冰傳感器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種結冰傳感器，尤其涉及一種可無線訪問的聲表面波結冰傳感器。
背景技術：
文獻[SPIE Conference on Smart Electronics and MEMS, 1999, 3673(3):284-291]
(文獻1)對聲表面波結冰傳感器進行了初步的描述，指出聲表面波結冰傳感器通過 利用SH型的SAW (Love波)來敏感表面結冰的變化，由于Love波對表面的變化 非常靈敏，因而也常常用于生物化學的微量檢測。比如文獻[Electronics Letters, 2000， 36(19):1672-1673]報道了通過Love波傳感器加上生物敏感膜對微量的生物化學成分 進行檢測的實驗。而聲表面波的其它類型波也對表面的物理影響有非常靈敏的響應， 因而聲表面波傳感器用于結冰過程的檢測也具有非常高的靈敏度。同時，由于聲表 面波傳感器的工作頻率一般在射頻段，能直接通過叉指換能器接收和發(fā)射射頻信號， 這個特點非常適合于無線無源的測量。文獻[Measurement, 2008, 41(5):579-588](文 獻2)報道了利用無線無源的聲表面波傳感器對溫度、壓力等進行測量。聲表面波傳 感器能無線無源測量的特性對于其在工程領域的應用具有巨大的優(yōu)勢。
另外，針對聲表面波結冰傳感器的應用場合，對于天線的要求有天線的物理 尺寸小；具有全向或半球覆蓋的方向性；具有高增益，能提供最大可能的信號給聲 表面波傳感芯片；阻抗匹配好，無論聲表面波傳感器在什么方向，天線的極化都能 與詢問信號相匹配。偶極子天線具有結構簡單、效率高的特點，既可獨立使用，也 可作為大型天線的輻射單元。分形天線、環(huán)天線等也可實現(xiàn)聲表面波傳感器天線的 小型化，但相對于印刷偶極子天線，效率低，構造相對復雜。
但是，上述文獻1中只提出了聲表面波結冰傳感器的原理研究，并沒有明確提 出如何實現(xiàn)無線測量，而文獻2中公開的利用聲表面波的結冰傳感器由于體積大， 損耗大，結構不緊湊而無法應用到物體表面結冰狀況檢測領域中。因此，目前正在 應用以及正在研究的比較先進的結冰探測方法包括紅外線方法、電容式方法、熱 流式方法、振動式方法。但這些傳感器系統(tǒng)復雜，體積龐大，不適合多處安裝，只 能在關鍵部位安裝，不能對結冰進行全面的監(jiān)控和測量。例如，中國專利號 ZL200620096802.8的實用新型專利說明書中公開了一種諧振式結冰傳感器裝置，其
3在筒狀不銹鋼殼體一端焊接振動膜片，另一端由后蓋板封閉形成密閉腔，并在振動 膜片上粘結壓電元件，利用壓電元件的正壓電效應和逆壓電效應以及振動膜片的振 動頻率的變化關系實現(xiàn)結冰檢測。該壓電諧振膜片式傳感器雖然體積、重量較小， 可以齊平安裝于飛機機翼等部位，但其靈敏度較低，結構以及信號處理比較復雜， 生產(chǎn)成本較高。另外，專利申請?zhí)?00710051934.8的中國發(fā)明專利申請公布說明書 中公開了一種光纖式結冰傳感器，但對于較薄的光滑冰敏感效果也不好，而且上述 兩種結冰傳感器不能進行無線無源測量。對于直升機旋翼的結冰監(jiān)測技術領域來說， 由于旋翼受到飛機電氣設備的限制，現(xiàn)有的體積較大的結冰傳感器不能在旋翼進行 安裝，而旋翼的結冰會對飛行安全產(chǎn)生嚴重影響，因此，目前的結冰傳感器對直升 機旋翼的結冰監(jiān)測仍然無法有效地解決。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種可無線訪問的聲表面波結冰傳感器，克服現(xiàn)有結冰 傳感器不能無線測量的缺點，能對物體表面結冰現(xiàn)象進行靈敏的檢測。
本發(fā)明是通過以下技術方案實現(xiàn)的
本發(fā)明的一種可無線訪問的聲表面波結冰傳感器，其特征在于，包括壓電基 片、波導層、叉指換能器、反射柵和天線，所述壓電基片、叉指換能器和反射柵組 成聲表面波延遲線。
所述叉指換能器、反射柵沉積在所述壓電基片上，用于通過壓電效應和逆壓電 效應對聲表面波進行發(fā)射和接收。
所述波導層依附在所述壓電基片上，位于所述叉指換能器和反射柵之間、或自 叉指換能器和反射柵之間向兩側延伸并覆蓋叉指換能器和反射柵。
所述天線沿所述聲表面波延遲線接入所述叉指換能器的外側，用于無線通信。
另外，本發(fā)明的聲表面波結冰傳感器還包括封裝層，進行封裝時將所述波導層 的位于所述叉指換能器和所述反射柵之間的區(qū)域暴露在外形成敏感區(qū)，對其余部分 進行封裝以保護所述叉指換能器、反射柵、天線以及壓電基片。所述壓電基片為能 激發(fā)瑞利波、樂甫波、表面掠波、偽表面波的壓電晶體。
所述叉指換能器以及反射柵是通過在壓電基片上一定形狀沉積金屬指條實現(xiàn) 的，能通過壓電效應和逆壓電效應對聲表面波進行發(fā)射和接收。
所述波導層采用低聲速膜，包括二氧化硅、氧化鋅、聚甲基丙烯酸甲酯 (PMMA)、聚酰亞胺(PI)、光刻膠等，聲速在波導層的速度比在壓電基片中的聲速低。
所述天線為偶極子天線及其它平面小型天線，可與叉指換能器和反射柵一起沉 積在基片的同一平面內(nèi)，通過相同的工藝進行制作。
所述傳感器通過天線接收到一定頻率的射頻信號后，射頻信號通過壓電基片上 的叉指換能器激發(fā)形成聲表面波，在基片和波導層中進行傳播。當敏感區(qū)收集水滴 或者形成冰層之后，聲表面波的頻率以及插入損耗將會發(fā)生變化，在波導層和基片 中傳播的是不同類型的聲表面波，通過反射柵又將這些波反射到叉指換能器。通過 偶極子天線將信號反射出去。通過檢測回波信號的變化就能夠得到結冰以及冰層厚 度的信息。
本發(fā)明的優(yōu)點在于，本發(fā)明的無線無源測量可以對這些部位的測量提供非常靈 活的應用形式。由于聲表面波傳感器體積小，且工作在射頻頻率，能直接接收和發(fā) 射射頻信號，不需要電源對其進行供電，因而聲表面波傳感器在各個領域具有非常 大的應用潛力。本發(fā)明的聲表面波結冰傳感器具有聲表面波傳感器的各種優(yōu)點，可 以無線訪問，體積小，可齊平安裝，并且靈敏度高，在各種應用場合下，能發(fā)揮其 特有的應用優(yōu)勢，例如不僅可以安裝在飛機旋翼上用于進行結冰檢測，也可以應用 在公路結冰的檢測。
本發(fā)明應用方便、體積小、靈敏度高，能無線測量，并且通過將天線和傳感芯 片一體化，而可以大批量生產(chǎn)，價格低廉。


圖1為本發(fā)明第一實施方式的聲表面波結冰傳感器的平面示意圖。 圖2為本發(fā)明第一實施方式的聲表面波結冰傳感器的剖面示意圖。 圖3為本發(fā)明第一實施方式的聲表面波結冰傳感器封裝后示意圖。 圖4為本發(fā)明第二實施方式的聲表面波結冰傳感器的平面示意圖。 圖5為本發(fā)明第二實施方式的聲表面波結冰傳感器的剖面示意圖。 圖6為本發(fā)明第二實施方式的聲表面波結冰傳感器封裝后示意圖。
具體實施例方式
下面，參照附圖對本發(fā)明的具體實施方式
進行詳細的說明。 實施例1如圖l、圖2所示，本聲表面波結冰傳感器，主要包括壓電基片3、叉指換能
器l、反射柵2、天線5和光刻膠波導層4以及封裝層6。通過洗片、鍍膜、甩膠、 光刻、清洗等工序，偶極子天線5、叉指換能器1和反射柵2依附在ST900X石英的 壓電基片3上，中心頻率為433 500MHZ，空載通過天線5的插入損耗為15 25dB， 通過甩膠、前烘、光刻、后烘等工序，將SU8 2050光刻膠波導層4依附在壓電基片 3上，位于叉指換能器1和反射柵2之間，厚度為2 3 y m。通過陶瓷封裝層6將叉 指換能器l、反射柵2、天線5以及壓電基片3保護起來，而將SU8 2050光刻膠波 導層4全部暴露在外作為敏感區(qū)域，其封裝之后的正視圖如圖3所示。當SU8 2050 光刻膠波導層4表面有冰層形成時，則叉指換能器1通過天線5接收到的電磁信號， 通過逆壓電效應轉化為聲信號，聲信號經(jīng)作為敏感區(qū)域的光刻膠波導層4傳播后， 到達反射柵2，聲信號經(jīng)反射柵2反射后，返回叉指換能器l，叉指換能器l通過壓 電效應，將聲信號轉變?yōu)殡娦盘?，并通過天線5將信號以電磁波的形式發(fā)射出去。 當水層由液態(tài)轉變?yōu)楣虘B(tài)的冰后，電磁信號的插入損耗會產(chǎn)生20 30dB的變化，冰 層的厚度變化會使得回波的頻率發(fā)生相應變化。通過天線5的接收和發(fā)送電磁信號， 將插入損耗和頻率的變化信息發(fā)送給電磁信號的收發(fā)裝置，然后將這些信號進行處 理，得到結冰的相關信息。
實施例2
具體工藝制作及原理如實施例1，如圖4、圖5所示。不同之處在于(1)將SU8 2050光刻膠波導層4依附在壓電基片3上的過程中，將光刻膠波導層4的面積覆蓋 到叉指換能器1和反射柵2; (2)封裝時將SU8 2050光刻膠波導層4的一部分區(qū)域 暴露在外，將其作為敏感區(qū)域，對叉指換能器1和反射柵2進行有效保護。封裝層6 對電磁波發(fā)射與接收并沒有影響，但封裝層6對于叉值換能器和反射柵能進行有效 的保護，使得傳感器能應用到比較復雜的自然環(huán)境中，封裝后的結構如圖6所示。
實施例3
具體實施方案如實施例1 ，結構如圖4、圖5所示。不同之處在于(1 )利用PMMA 膠作為波導層，將PMMA膠依附在壓電基片3上，覆蓋在叉指換能器1和反射柵2 上；(2)壓電基片3采用360鉭酸鋰。
權利要求
1、一種可無線訪問的聲表面波結冰傳感器，其特征在于，包括壓電基片、波導層、叉指換能器、反射柵和天線，所述壓電基片、叉指換能器和反射柵組成聲表面波延遲線；所述叉指換能器、反射柵沉積在所述壓電基片上，用于通過壓電效應和逆壓電效應對聲表面波進行發(fā)射和接收；所述波導層依附在所述壓電基片上，位于所述叉指換能器和反射柵之間、或自叉指換能器和反射柵之間向兩側延伸并覆蓋叉指換能器和反射柵；所述天線沿所述聲表面波延遲線接入所述叉指換能器的外側，用于無線通信。
2、 根據(jù)權利要求1所述的聲表面波結冰傳感器，其特征在于，該聲表面波結冰 傳感器還包括封裝層，進行封裝時將所述波導層的位于所述叉指換能器和所述反射 柵之間的區(qū)域暴露在外形成敏感區(qū)，對其余部分進行封裝以保護所述叉指換能器、 反射柵、天線以及壓電基片。
3、 根據(jù)權利要求1所述的聲表面波結冰傳感器，其特征在于，所述壓電基片為 能激發(fā)瑞利波、樂甫波、表面掠波或偽表面波的壓電晶體。
4、 根據(jù)權利要求1所述的聲表面波結冰傳感器，其特征在于，所述波導層采用 低聲速膜，包括二氧化硅、氧化鋅、聚甲基丙烯酸甲酯、聚酰亞胺或光刻膠。
5、 根據(jù)權利要求1所述的聲表面波結冰傳感器，其特征在于，所述天線為偶極 子天線或其它平面小型天線，與叉指換能器和反射柵位于同一平面內(nèi)。
6、 根據(jù)權利要求5所述的聲表面波結冰傳感器，其特征在于，所述天線與叉指 換能器、反射柵一起沉積在所述壓電基片上。
全文摘要
本發(fā)明提供一種可無線訪問的聲表面波結冰傳感器，對物體表面結冰現(xiàn)象進行靈敏的檢測。本發(fā)明的可無線訪問的聲表面波結冰傳感器包括壓電基片、波導層、叉指換能器、反射柵和天線，叉指換能器、反射柵沉積在壓電基片上，用于通過壓電效應和逆壓電效應對聲表面波進行發(fā)射和接收。波導層依附在壓電基片上，位于叉指換能器和反射柵之間、或自叉指換能器和反射柵之間向兩側延伸并覆蓋叉指換能器和反射柵。另外，本發(fā)明的聲表面波結冰傳感器還包括封裝層以保護叉指換能器、反射柵、天線以及壓電基片。具有上述結構的本發(fā)明的聲表面波結冰傳感器可以無線訪問，體積小，可齊平安裝，并且靈敏度高，通過將天線和傳感芯片一體化，而可以大批量生產(chǎn)。
文檔編號G01S15/04GK101644772SQ20081011800
公開日2010年2月10日 申請日期2008年8月6日 優(yōu)先權日2008年8月6日
發(fā)明者何世堂, 李紅浪, 城 江 申請人:中國科學院聲學研究所;中國人民解放軍空軍工程大學工程學院