同时监控多种状态的基于表面声波的微传感器装置和方法 临时申请的交叉引用
本申请要求于2008年12月23日提交的、名称为“同时监控多种状态的基于表面声波的微传感器装置和方法(Surface Acoustic Wave Based Micro-SensorApparatus and Method for Simultaneously Monitoring Multiple Conditions)”的、美国临时专利申请序号61/140,279的优先权，其被引入于此作为参考。
【技术领域】
实施例一般涉及表面声波(SAW)感测设备和应用。实施例也涉及微电子机械系统(MEMS)。实施例还涉及基于SAW的微传感器设备，其能够同时监控一种或多种状态，例如：加速度、振动、温度和/或其它参数。
背景技术
SAW设备，如延迟线和谐振器，是公知的用于测量加速度、应力、应变、温度、压力和/或其它参数的设备。通常，SAW设备装配在压电基片(piezoelectricsubstrate)上，该压电基片例如石英、铌酸锂、钽酸锂、硅酸镓镧(lanthanum galliumsilicate)等。这样的SAW设备通常包括一对或多对缠绕式叉指结构(interdigitalstructure)，其能够将应用的电信号转换成机电表面声波。通过在叉指结构上应用电信号生成的表面声波具有对基片的应力和温度变化敏感的传播速度。因此，所有导致SAW设备的应力和温度变化的外部参数都能够被检测到。这样的变化可以通过压电效应，根据与SAW谐振器相关联的谐振频率的偏移(shift)，或者根据从SAW延迟线部件发出的电信号的延迟时间或相位偏移被识别出来。
实时器材结构健康监控(SHMA(structural health monitoring of assets))是工业化过程控制用于状态维护(CBM(condition-based maintenance))的关键策略，因此，其能够被用作当前计划维护(scheduled-based maintenance)操作的一种智能替换。CBM方法可以被用于使运转设备的连续运行时间最大化和使维护成本降低到最低水平。先按照设备说明书恰当定义设备的正常运行状态，以及深入理解考虑中的器材的失效机制，之后可以是CBM。作为这些考虑因素的结果，小型的、无线的和/或无源传感器可以被用于解决SHM的要求，以持续监控设备的“脉搏(pulse)”，并且当物理重要参数(vital parameter)的阈值超出特定范围时向操作员提供警报信号。
用类似的方法，移动的机械部件通常是很多工业或汽车组件的薄弱点。这种移动的机械部件遭受的磨损和撕裂可能使它们的运行能力产生变化，特别是在噪声、过度振动、过热，和液体泄漏方面，这些最终将导致故障和整体失效。此外，这种器材的超出它们正常工况的使用而没有被及时的检测可能致使其它组件变得损坏，从而导致昂贵的失效。移动/旋转这种器材的部件的SHM是复杂的，因为这种方法需要无线传感器设置在移动部件上，或非常接近这些部件，以便和放置在相对于被监控设备的静态位置上的电子读取器(reader)进行无线通信。
基于上述内容，相信存在对改进的多个被测量(multi-measurand)的基于SAW的微传感器装置和方法的需要，以用于同时监控参数/状态，例如，特定器材的加速度、振动和温度，以向操作员产生关于特定位置的被测量的报警信号。同样对能够执行这些特征的无线的和/或有线的基于SAW的传感器装置地需要也是存在的。
【发明内容】
提供下列内容以帮助理解公开的实施例特有的一些创新特征，而不是为了完整描述。对实施例的各个方面的充分理解可以通过将整个说明书、权利要求、附图和摘要作为整体来获得。
因此，本发明的一个方面是提供改进的基于SAW的感测设备和应用。
本发明的另一个方面是提供一种通过微加工技术构造的改进的基于SAW的微传感器。
本发明的进一步方面是提供一种改进的超小尺寸多个被测量的基于MEMS的SAW传感器。
本发明还有一个方面是提供一种改进的两端子(terminal)基于SAW微传感器装置及其方法，用于同时监控温度补偿的加速度/振动和温度。
前述的方面和其它目的及优点能够如这里描述的一样被实现。这里公开了利用配置在SAW设备(如SAW谐振器或SAW延迟线)环境中的感测元件，同时监控参数(例如，加速度/振动和温度)的、基于SAW的微传感器装置和方法。SAW设备可以相对于包含惯性质量的薄压电隔膜(diaphragm)，设置在基片的不同位置上。温度补偿加速度/振动可以利用加速度敏感型SAW谐振器(SAW-g)与温度敏感型SAW谐振器(SAW-T)之间的频率差异来测量，两种谐振器都被对齐到相同的结晶定向。温度可以利用由SAW-T和温度参考SAW谐振器(SAW-R)提供的频率偏移来测量，参考谐振器被对齐到具有不同频率温度系数的石英方向。同样，与SAW延迟线相关联的不同反射器的相位响应可以用于差动(differentially)测量加速度/振动和温度。由例如，四个桥(bridge)，悬挂的惯性质量可以用于高灵敏度的加速度检测。
在一个实施例中，三个相同的SAW谐振器(例如，SAW-R，SAW-T和SAW-g)电学上并联在基片上。SAW-T可设置在惯性质量上方的无应力(stress free)区域上，SAW-g可设置在隔膜的高应力区域上，接近惯性质量，并且SAW-R可设置在无应力区域上的边缘上。可以选择地，g敏感型谐振器可设置在边缘附近的径向高应力区域，而余下的SAW谐振器可设置在隔膜外部的无应力区域(边缘)。
在另一个实施例中，SAW延迟线可设置在惯性质量上方的无应力区域，SAW延迟线的g敏感型反射器可设置在隔膜的有应力(stressed)区域。温度敏感型反射器可设置在隔膜外部的无应力区域和隔膜的有应力区域上。反射器可以相对于叉指换能器(transducer)的方向以不同角度倾斜，用于温度测量。
可以选择地，IDT和温度敏感型反射器可设置在边缘上，在无应力区域中，而g敏感型反射器可设置在提供有惯性质量的隔膜的压缩(compressive)径向应力区域。另外，另一个实施例中包括这样的结构，其中IDT和温度敏感型反射器设置在惯性质量上方的无应力区域，而只有SAW延迟线的g敏感型反射器可设置在隔膜的应力区域。
微传感器装置通过压电效应将电能转换成机电能(例如，表面声波)。SAW波的传播速度对SAW设备的应力和温度敏感。由于加速度/振动和温度而引起的传播速度变化将进一步改变谐振频率(例如，对于SAW谐振器而言)，或者SAW延迟线的延迟时间或相位偏移。这样一种低成本、小型化、高性能、无线/有线的、两端子基于SAW的传感器装置利用压电基片测量温度补偿的加速度/振动和温度。
微传感器的两个端子可以连接到用于无线运行的天线，并且可以设置在用于有线运行的振荡器的正向反馈回路中。
【附图说明】
附图中相同标号在各个视图中涉及相同或功能相似的元件，同时附图也被包含在说明书中构成了说明书的一部分，附图进一步说明实施例，并与详细说明一起帮助解释在这里所公开的实施例。
图1-2图示了根据优选实施例，包含三个电学上并联的相同的SAW谐振器、用于监控加速度/振动和温度的、基于SAW的微传感器装置的顶视图和剖面视图。
图3图示了根据附图1-2和优选实施例，旋转180度的基于SAW的微传感器装置的左半边的剖面视图。
图4图示了根据附图1-3和示范性实施例，描述对基于SAW的微传感器装置施加10g加速度的径向和切向应力的图示。
图5-6图示了根据一个可选实施例可实现的，包含三个电学上并联的相同的SAW谐振器、用于监控加速度/振动和温度的、基于SAW的微传感器装置的顶视图和剖面视图。
图7-8图示了根据优选实施例，基于SAW的微传感器装置的顶视图和剖面视图，该微传感器装置具有基于MEMS技术的高g灵敏度结构。
图9-10图示了根据优选实施例，基于SAW的微传感器装置的顶视图和剖面视图，该微传感器装置包含具有多个反射器的单个SAW延迟线，用于监控加速度/振动和温度；以及
图11-12图示了根据可选实施例可实现的，基于SAW的微传感器装置的顶视图和剖面视图，该微传感器装置包含具有多个反射器的单个SAW延迟线，用于监控加速度/振动和温度。
【具体实施方式】
在这些非限定性的实施例中讨论的特定值和结构是可变的，是仅被论述以为了说明至少一个实施例，而不是为了限定其范围。
图1-2图示了根据优选实施例，基于SAW的微传感器装置100的顶视图和剖面视图，其包含三个相同的SAW谐振器110、120、130，用于监控加速度/振动和温度。基于SAW的微传感器装置100通常包括三个相同的SAW谐振器，诸如：加速度/振动敏感型SAW谐振器(SAW-g)110，温度敏感型SAW谐振器(SAW-T)120和温度参考SAW谐振器(SAW-R)130。三个相同的谐振器110、120和130能够电学上并联在压电基片140上。
如图1-2所示，SAW-T谐振器120可以设置在惯性质量M上方的无应力区域270上，并且SAW-g谐振器110可以设置在惯性质量M，270附近提供的隔膜160的应力区域210(同号(same sign)的径向和切向应力)上。在图4描述的实施例中，SAW-g谐振器设置在拉伸应力区域上，对其考虑正号。温度参考SAW-R谐振器130可以设置在隔膜160外部的无应力区域230上(例如，参见图2)。注意，无应力区域210和230不是在图2中描述的，而是在图3中说明的。
需要惯性质量M用于加速度感测。SAW谐振器110、120和130可以构造成包括用于产生表面声波(SAW)的缠绕式叉指换能器，通过表面声波不同的被测量(诸如温度和/或加速度/振动)可以被感测。温度补偿加速度/振动可以利用SAW-g谐振器110和SAW-T谐振器120之间的频率差异而被测量，并且温度可以利用由SAW-T谐振器120和温度参考SAW-R谐振器130提供的频率偏移而被测量。对于利用SAW-T谐振器120的温度测量而言，传播速度的不同值和它们的温度相关性可以在不同方向被测量出来。
温度参考SAW-R谐振器130可以相对于x轴旋转特定的角度，x轴如晶体线(crystal line)A-A’所示。可以选择角度，使得相对于其他方向，随着温度的速度变化在该方向上拥有最小值，这能够保证最小的谐振频率温度系数。SAW-T谐振器120和温度参考SAW-R谐振器130之间的频率偏移的存在可以用晶体各向异性解释，其中传播速度的温度效应在不同方向上是有差异的。
图3图示了半个基于SAW的微传感器装置100的剖面视图。注意，图3进一步说明了基于SAW的微传感器装置100详细的几何尺寸。隔膜的厚度是20μm。圆柱形的惯性质量M直径4mm，高度1mm。边缘220上的区域230的宽度可以根据机械强度原因而选择，且区域230可以是边缘220的无应力区域，SAW-T和/或SAW-R谐振器120和130可以设置在其上，如图1所描述的。同样，SAW-T或SAW-R谐振器可以设置在惯性质量270的无应力区域。描述这些尺寸是为了清楚和特定性；然而，它们不应该以任何限定方式解释。通常，正应力是拉伸的，负应力是压缩的。SAW-g谐振器110可以设置在隔膜160的拉伸应力区域210上，因此径向应力和切向应力都是拉伸的。如图3所示，除了小的边缘区域，在惯性质量区域M上没有应力。
图4图示了根据优选实施例，描述了对基于SAW的传感器装置100施加10g加速度的径向应力310和切向应力320的图示300。注意，在图1-12中，相同的或相似的块通常用相同的标号表示。径向应力310和切向应力320是区域210上(也就是，在惯性质量区域270附近的隔膜160上)的正(拉伸)应力，SAW-g谐振器110可以设置在这个区域上用于测量加速度/振动。应力310按兆帕斯卡(mega Pascal，MPa)进行测量，其可以绘制在y轴上，而按毫米(mm)测量到结构中心的距离，该距离可以绘制在x轴上。注意，这里讨论的实施例不应该解释为任何限定。可以理解，这样的实施例揭示了为更好理解本发明所必要的优选形式的结构的细节，本领域技术人员可以在实施例公开的范围内不离开本发明的思想对其进行改变。
图5-6图示了基于SAW的微传感器装置400的顶视图和剖面视图，其包含三个相同的SAW谐振器110、120和130用于监控加速度/振动和温度，其可以根据可选实施例实现。微传感器装置400分别包括SAW-g、SAW-T和SAW-R谐振器110、120和130，它们电学上并联在压电基片140上。
如图6所示，SAW-g谐振器110可以设置在边缘220附近、隔膜160的具有径向压缩应力的区域中，SAW-T谐振器120可以设置在惯性质量区域270上，并且温度参考SAW-R谐振器130可以设置在边缘220上，在隔膜160和惯性质量区域M，270外部。SAW-g和SAW-T谐振器110和120可以分别用于加速度/振动的温度补偿差动(differential)测量，其中对于温度补偿效应而言，当测量振动/加速度时，SAW-T谐振器120是SAW-g 110的参考传感器。SAW-T和SAW-R谐振器120和130可以分别设置在压电基片140的无应力区域270和220上，它们可以用于温度的差动测量。由于将要被测量的外部加速度，惯性质量M可以用于产生在圆形隔膜160内的应变。
图7-8图示了根据首选实施例，具有基于MEMS技术的高g灵敏度结构的、基于SAW的微传感器装置500的顶视图和剖面视图。SAW传感器500包括分别在基片140上的多个桥515、516、517和518，以及SAW-g、SAW-T和SAW-R谐振器110、120和130。仅桥515、516、517和518支承着悬挂的惯性质量区域270，另外其被压电基片140上的空孔包围，如在图7中边缘170和160之间的孔。
SAW-g谐振器110可以放置在桥517上，接近边缘220，在负应力区域上，而SAW-T和SAW-R谐振器120和130可以在隔膜160和惯性质量270外部分别放置在无应力区域中。惯性质量M可以由多个桥515、516、517和518支承以用于高灵敏性加速度测量。注意，SAW-g传感器110可以设置在边缘220附近的压缩应力区域中，如图7-8所示，或者设置在相同的桥上，或者设置在惯性质量附近，在拉伸应力区域中(未示出)。
注意，上述实施例讨论了三个并联的SAW谐振器在差动测量振动/加速度和温度本身中的使用，当将天线附接到到上述谐振器上且并联连接以得到用于上述被测量的无线检测的微感测装置时，其可以适于在构造无线微传感器中使用。根据不同的实施例，上述三个并联的SAW谐振器的可选使用，其可以在电子振荡器的反馈的情境下连接，以得到用于差动测量坚硬位置(rigid location)的加速度/振动和温度本身的有线的基于SAW的微装置，其中这样的组件按照每一个特定应用的要求设置。
图9-10图示了根据优选实施例，基于SAW的微传感器装置600的顶视图和剖面视图，其包含SAW延迟线，用于监控加速度/振动和温度。微传感器装置600通常包括叉指换能器(IDT)650，其可以设置在压电基片140的无应力区域680上，用于产生根据用于改变其轨道的反射器向不同方向移动的表面声波645。反射器640可以设置在无应力区域680上。如图9所示，一组反射器630可以设置在具有压缩切向应力的区域上。
装置600进一步被构造成包括一组反射器660(从而与x轴形成α(alpha)角)和另一组反射器670。表面声波645被反射器630、640、660和670反射以生成回声声波，回声声波携带着关于振动/加速度的差动测量(例如，由反射器630和640反射的波)和温度的差动测量(例如，由反射器645、660和670反射的波)的信息。从反射器630反射的表面声波645的传播速度通常依赖于压电基片140的应变和传播方向。
同样，速度的温度系数依赖于传播方向。从反射器630、640、660和670回来的声信号的延迟时间依赖于它的速度，其也依赖于行进区域的应力/应变和温度。当加速度存在时，隔膜160的应变依赖于质量M产生的惯性力。在隔膜160的表面之下的惯性质量M的轮廓由虚线圆圈170表示。从反射器630和640接收的声信号被用于差动加速度/振动测量。
由IDT 650从反射器640和670接收的信号可以用于温度测量。如图5所示，为了提供不同方向上的传播速度的差异供温度测量，叉指(IDT)结构650的齿(teeth)和反射器630和640垂直于x方向设置，反射器660和670相对于x轴成不同角度来设置。IDT 650可用于从电信号(压电效应)产生声波，从反射器630、640、660和670反射的声信号用于感测被测量。注意，IDT 650作为声波发生器和接收器的双重功能对SAW设备的无线运行是特定的，其中在这种情况下，天线被附接到IDT 650。
从反射器630和640接收的信号的相位可以用于温度补偿g/v测量。反射器630可设置在隔膜160的具有负径向应力的区域中，其中声速度与传感器装置600中在相同方向上的其它无应变(un-strained)区域是不同的，而反射器640将向提供声信号的传感器提供参考，该声信号来自无应力区域。如上所述，从反射器640和670接收的信号的相位可以用于温度测量。SAW延迟线的不同反射器630和640的相位响应可用于差动测量温度补偿加速度-振动。
如图10所示，SAW延迟线的IDT 650设置在无应力区域680上，并且SAW延迟线的g敏感型反射器630设置在隔膜160的应力区域上。温度敏感型反射器640和670可设置在隔膜160外部的无应力区域上。反射器660和670相对于IDT 650的方向倾斜不同的角度以进行温度测量。如图10所示，金属线630、640、650和660用于实现延迟线和反射器的实现。
图11-12图示了根据可选实施例可实现的，基于SAW的微传感器装置700的顶视图和剖面视图，其包含SAW延迟线，用于监控加速度/振动和温度。此外，作为提醒，在图1-12中，相同的或相似的块通常用相同的标号表示。SAW延迟线的IDT 750可设置在惯性质量M，270上方。用于差动温度测量的反射器710和720设置在惯性质量M(在图11-12中未示出)上方的无应力区域中，其可以作为选择而被提供。如图11所示，反射器710和720也可以设置在隔膜160的应变区域中。
从反射器730和740接收回来的信号用于加速度/振动的差动测量。从反射器730、720和710接收回来的信号用于温度的测量。通过在(梳状)金属叉指结构750上应用交变电信号(alternative electrical signal)产生的表面声波(即，压电效应)向相反的方向传播，并按照光学反射原理被反射。IDT 750和温度敏感型反射器730、720和710(反射器710在图12中未示出)可设置在惯性质量270上方在无应力区域中，g敏感型反射器740可设置在惯性质量M附近的隔膜160的拉伸径向应力区域中。
如图12所示，其描述了从图11的轴线A-A’的剖面视图，金属线720、730和740分别对应于反射器720、730和740，与IDT750的特定金属图案(pattern)一起可被用于延迟线和反射器实现。此外，这种基于单个延迟线的SAW传感器结构自动与无线运行相关联，其中天线被附接到IDT上，用于接收来自读取器天线的电信号并感测回到相同的该读取器的回声信号，但是这种回声信号传送关于待测量的物理量(例如，温度、加速度/振动等等)的信息。两个延迟线可用在有线应用的情况下，其中SAW延迟线被设置在电子放大器的正反馈回路中，用于形成基于电子振荡器的感测电路。
这样的微传感器装置100、400、500、600和700监控器材的加速度/振动和温度(g/v和T)以提供关于这些在指定位置处的被测量的报警信号给操作员。致动器(actuator)(未示出)被设置用于根据当g/v和T超出正常指定范围时发送信号通知或者甚至停止该设备的运行来控制设备。两端子微装置100、400、500、600和700可被用于有线/无线的应用。SAW微传感器的两个端子可连接到天线(未示出)用于无线运行，而对于有线运行，传感器装置可设置在振荡器(未示出)的正反馈回路中。
微传感器装置可以是同时作为无源传感器和收发器的多功能设备，这使得它们在无线应用中非常有吸引力。该装置可以由低成本的MEMS技术实现，以通过使用单个芯片测量g/v和T二者，且无需任何电池用于它们的运行。小型化的传感器甚至可以被用于小的空间和小型器材，在某些情况下它甚至可以被嵌入到器材内部。
应该理解，上面公开的内容的各种变化及其它特征和功能，或者它们的替换，可能希望合并到许多其它不同的系统或应用中。同样，本领域技术人员随后可能做出的各种目前不可预见或不可预期的替换，修改、改变或改进也将包含在下列权利要求范围内。