專利名稱：單片式壓電鐵電晶體多功能露點濕度傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種精密、快響應(yīng)的多功能壓電、鐵電晶體(例如石英晶體、LiNbO晶體、磷酸鋁晶體、PZT壓電陶瓷、ZnO藍寶石壓電薄膜等)露點濕度傳感器，尤其是采用多模式彈性波工作的露點、霜點、濕度和溫度的單片式壓電鐵電晶體多功能傳感器。它利用瑞利波模式聲表面波敏感結(jié)露、結(jié)霜；利用 體聲波模式或淺體聲波模式敏感露點或點溫度；利用彎曲振動模式體波或扭曲振動模式體波敏感環(huán)境溫度；利用半導(dǎo)體制冷器和單片計算機軟件、硬件實現(xiàn)制冷/加熱的反饋控制和敏感特性補償、信號調(diào)理和轉(zhuǎn)換等。
背景技術(shù)：
氣體中水蒸氣的含量，即所謂濕度的精密、快速測量是化學(xué)傳感器中的難點之一。濕度包括相對濕度，絕對濕度和露點，三者存在緊密的聯(lián)系，并且可以互為換算。其中露點的測量已被國際公認為最精密的濕度測量方法。
露點是指在恒定壓力下，某種氣體，例如空氣的水蒸氣含量處于飽和狀態(tài)時的溫度值，由于露點與水的熱力學(xué)性質(zhì)密切相關(guān)，因此它可高準確地表示溫度，國際上已把露點濕度儀作為濕度測量的傳遞標準使用。此外露點傳感器和露點濕度儀已經(jīng)作為絕對濕度計廣泛地應(yīng)用于氣象、大氣物理、科學(xué)實驗室、紡織、食品、化工、農(nóng)業(yè)、核工業(yè)、微電子、生物、造紙等部門。由于它能提供精密、快速測量，因此已應(yīng)用在航空、航天、航海和興瑞武器行業(yè)。例如當飛行器，如導(dǎo)彈或飛機在大氣層飛行時，由于水蒸氣高度不均勻的分布，飛行器的外部環(huán)境的露點或霜點皆需精密、快速地測量。
目前國內(nèi)外大都使用光學(xué)冷鏡反射式露點濕度傳感器，以下簡稱光學(xué)式露點傳感器，測量露點，它的主要缺點是測量范圍窄，-60℃至+60℃，準確度不高，正負0.2℃至正負1℃，抗污染能力差，響應(yīng)速度慢，不能進行露點的連續(xù)測量，價格高昂，體積大，操作復(fù)雜。
石英晶體露點傳感器是一種精密高穩(wěn)定的傳感器，第一個研制成功的是日本等人，他們使用的體聲波石英晶體測量氣體冷凝，利用熱敏電阻器，測量露點溫度，其露點分辨率僅為0.1℃。
聲表面波露點/霜點傳感器工作原理如下利用表面波敏感元件作為射頻振蕩器電路的頻控元件，把表面波敏感元件的溫度作為反饋控制參數(shù)控制冷凝或加熱裝置的工作，以使被測環(huán)境的水蒸氣與冷凝水或冰在敏感元件的表面上達到平衡。測量此時的溫度，則獲得露點溫度。
聲表面波露點傳感器是由Kuisma和Wiik在1983年首次研制成功參見美國專利USA4378168，他們利用聲表面波的振幅裹減檢測冷凝結(jié)露。露點溫度是利用RTD測量在分辨率、準確度和成本方面它們皆優(yōu)于光學(xué)式露點傳感器。聲表面波露點傳感器在下述方面也比聲體波式露點傳感器優(yōu)越多。例如靈敏度高、制作工藝簡單，適宜大批量生產(chǎn)，封裝方便，抗振動、耐沖擊能力強。因此聲表面波露點傳感器嶄露頭角，顯示了很強的生命力?，F(xiàn)已公布了很多專利，并在市場上銷售。
上述聲表面波露點傳感器存在如下不足1、從傳感器工作機制可知，選擇與冷凝水相互作用的何種射頻振蕩器輸出信號作為敏感信息是該傳感器的基礎(chǔ)和關(guān)鍵。眾所周知，其輸出信號有頻率、振幅和相位，而以前的技術(shù)有選擇頻率的，也有選擇振幅的，沒有選擇相位的，更沒有選擇它們的組合的，因此改善傳感器特性，存在很大的空間。
2、此傳感器平衡溫度的精確測量是最重要的，它主要決定于信號調(diào)理電路反饋參數(shù)的準確度、敏感元件的表面污染的清除或補償以及溫度傳感器設(shè)定的位置與冷凝結(jié)露點的重合度。而以前的技術(shù)還沒有考慮或考慮不多。
3、以前的技術(shù)皆使用熱敏電阻器等模擬傳感器測量結(jié)露溫度。模擬傳感器對電源的穩(wěn)定性要求很高，并且存在外電路的“熱漂移”，或稱“溫漂”問題，因此分別率低，準確度差。
4、RTD通過電流較大，還存在自加熱問題，存在對原溫場干擾問題。
5、RTD很難能夠設(shè)置在傳感器表面結(jié)露層上，因此檢測的“結(jié)露溫度”與實際的露點溫度存在溫度梯度，換言之，RTD測量的溫度不是真正的露點溫度。
6、在露點至霜點過渡的過程中，傳感器存在不穩(wěn)定性問題。
7、露點測量時敏感元件需要暴露在被測環(huán)境中，因此灰塵、油霧等都可能沾附在敏感元件表面，雖然比光學(xué)式露點傳感器的耐霧等都可能提高了很多，但是仍存在一個需要提高抗表面污染能力的問題，以及污染自潔問題。
8、表面波敏感元件經(jīng)常處于“降溫”和“升溫”過程，有時甚至處于快速升、降溫狀態(tài)，這無異于增加傳感器的老化。
9、露點常常與霜點濕度、溫度等物理量密切相關(guān)，為了提高它們在空間和時間上的準確度，以及測試方便，為了實現(xiàn)傳感器小型化、功能化、智能化、還需要解決“單片式”和“多功能”等問題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明目的是公開一種單片式壓電晶體多功能露點濕度傳感器，能夠測量露點、相對濕度、絕對濕度和環(huán)境溫度。擴大聲表面波露點濕度傳感器的量程動態(tài)范圍、提高傳感器的露點溫度測量的準確度，提高響應(yīng)速度，減少時間常數(shù)，改善傳感器的老化特性，增加其長期穩(wěn)定性。
本發(fā)明的目的是這樣實現(xiàn)的眾所周知，制作壓電鐵電晶體傳感器和其它器件，采用某種工作模式的傳感器，例如聲表面波模式，則要抑制或補償淺體聲波和深體聲波模式，利用淺體聲波的傳感器，則要抑制或補償聲表面和深體聲波模式等。利用壓電鐵電晶體的各項異性、光學(xué)冷加工晶體的物理尺寸和附加設(shè)施。例如金屬復(fù)合膜大小和厚度、叉指電極的幾何結(jié)構(gòu)和兩IDT間隔等。綜合地使用瑞利波模式(聲表面波)、淺體聲波(表面慢橫波)和深體聲波、反射體波(RBW)端面反射式壓電切變波、彎曲振動體波模式或扭曲振動體波模式的相位速度、群速度和能流角關(guān)系，制作了一種單片式壓電鐵晶體多功能露點濕度傳感器。
本發(fā)明其組成包括有柯伐管殼1和柯伐管座8組合成的傳感器外殼體、安裝于傳感器殼內(nèi)的壓電鐵電晶體敏感元件6、外接單片機控制的半導(dǎo)體致冷熱器7和柯伐管座8上的外接管腳，其特征在于所述的壓電鐵電晶體敏感元件6是瑞利波模式濕敏元件26和是淺體聲波或深體聲波模式的晶體溫度敏感元件27同一晶片，安裝于與管殼成一體的敏感元件環(huán)狀固定支架21，位于瑞利波模式濕敏元件的零溫度系數(shù)頂點溫度調(diào)整器28的后面，半導(dǎo)體致冷熱器7緊貼壓電鐵電晶體敏感元件6下表面，半導(dǎo)體致冷熱器7下方裝有與外接頭19連結(jié)的散熱水管的17，壓電鐵電晶體敏感元件6的上方的柯伐管殼1上是裝有過濾膜2的通氣窗口，與一個連接吸氣泵的負壓抽吸和正壓反吹清洗噴嘴22形成受感氣流的氣路。
本發(fā)明所述的壓電鐵電晶體敏感元件6是一片被切邊50和50’的圓形壓電晶片，可以是石英或磷酸鋁晶體或PZT陶瓷或PCM壓電陶瓷或ZnO薄膜/籃寶石或被切邊的LiNbO3、LiTaO3圓型鐵電晶體，呈具有直線跑道的圓形體育場狀，其上、下表面已被研磨和拋光，上下表面必須具有良好的平行度和不平度，若采用淺體聲波模式時，不需求上下表面的平行度，它們可以是Y30-46度切型，切邊是沿著X軸向，也可以是Y41度的LiNbO3，切邊方向Z軸向；或者使Y36度的LiTaO3，切邊方向是Z軸向。
本發(fā)明所述的半導(dǎo)體制冷熱器7，在單片機的控制下，對被測氣體降溫、被測氣體冷凝于敏感元件26的表面上，瑞利波濕敏元件26利用檢測相位法，檢測頻率法和測量Q值，即品質(zhì)因數(shù)法，敏感瑞利波的速度變化和振幅變化，測量出冷凝水的分布密度，利用瑞利波濕敏元件26成α角度α≤90°的諧振式淺體聲波漏波或深體聲波反射體波或端面反射式壓電切變波溫度敏感元件27，精確地測量濕敏元件26表面上上結(jié)露時出現(xiàn)冷凝水處的溫度，從而構(gòu)成了高精密的露點溫度傳感器，利用位于晶片6邊緣附近的金屬熱敏薄膜電阻器29和音叉溫度傳感器5測量環(huán)境溫度，把上述的敏感信息送入單片機中，經(jīng)過嵌入式軟件的處理和計算，可以獲得露點溫度，相對濕度，絕對濕度和環(huán)境溫度測量值，從而構(gòu)成了一個單片式多功能傳感器。
本發(fā)明在晶片6的上表面51上有濕敏元件27，濕敏元件27是由叉指換能器IDT52和58組成；IDT52是一種3指的分割—并聯(lián)--懸浮式叉指換能器，而IDT58是一種4指的分割—并聯(lián)--懸浮式叉指換能器，IDT52的每個叉指電極周期內(nèi)具有3條指電極53、54和55，其中至少一條電極54呈懸浮狀；IDT58的每個叉指電極周期內(nèi)具有4條電極70、71、72和73，其中至少一條電極72呈懸浮狀；IDT52和58的電極周期尺寸，可以使它們依次工作在2次和3次諧波上，并且在該次諧波上頻率相同；即兩IDT僅在2次和3次諧波上頻率特性重合，在其它次諧波上不重合，濕敏元件27僅在兩IDT諧波頻率重合處有響應(yīng)，金屬薄膜熱敏電阻器29和29’，其參數(shù)電阻在25℃時為100歐用來進行溫度傳感器的自校準和環(huán)境溫度的測量；金屬薄膜電極28的作用時起到靜電屏蔽和質(zhì)量加載作用，它與晶片彈性模量調(diào)整器16配合，可以調(diào)整頻率；采用45.8度Y旋石英晶體作為瑞利波濕敏元件基片，兩IDT的中心軸線與石英晶體的X軸電軸夾角為13度，并使兩IDT的距離適宜，使其具有令溫度系數(shù)，其頂點溫度為25℃，使瑞利波濕敏元件的插入損耗最小，而瑞利波的功率流角與體波的功率流角之差最大。
本發(fā)明在柯伐管殼1側(cè)壁，壓電鐵電晶體敏感元件6上表面處裝有用來沖洗排放傳感器外殼內(nèi)部污染物的無水乙醇高壓噴嘴4和污染物排放口20，和定期清除多孔聚四氟乙烯過濾膜2上的灰塵等污物的負壓抽吸和正壓反吹清洗轉(zhuǎn)換閥22。
本發(fā)明結(jié)露傳感器深體波輸IDT81與深體波輸出IDT86，分別與瑞利波濕敏元件27的輸入IDT52和IDT58相似，IDT81和86的中心軸線與IDT52和58的中心軸線平行；皆是沿石英晶體電軸X軸方向；晶片厚度為0.5-1mm，涂有硫化硅橡膠粘合劑82，由IDT82發(fā)射的聲體波83，瑞利波模式和淺體聲波模式截止器84是切入石英晶體的凹槽，槽內(nèi)涂覆彈性環(huán)氧樹脂等吸聲材料，石英晶體彈性模量直流調(diào)整器16與金屬薄膜電極28、石英晶片6配合調(diào)整深體波的反射強度和方向；當輸入IDT81與輸出IDT86之間連接上放大器時，若其增益大于1，并且相位相同時，構(gòu)成了諧振式深體波溫度傳感器。
本發(fā)明所述的淺體聲波溫度敏感元件27是由發(fā)射IDT60和接收IDT61構(gòu)成，它們的中心軸線與濕敏元件的IDT52和58的中心軸線成一角度，淺體聲波溫度敏感元件可以采用二指式IDT，即由電極59、59’和57、57’，以及62、62’、57、57’構(gòu)成，也可以采用與上述的IDT52、IDT58相似的結(jié)構(gòu)。
本發(fā)明所述的結(jié)露溫度傳感器是端面反射式壓電表面切變波泛音諧振器，叉指電極92、93的伸出方向是沿著晶體的Z方向，IDT電極92、93與IDT電極98、99必須同相。
本發(fā)明為了使上下表面51和87的同相電場在晶片厚度方向，即Y軸方向均勻分布，晶片6的厚度應(yīng)該等于IDT電極92和93，或98與99的電極周期的整數(shù)倍，構(gòu)成了體波泛音諧振器，把此泛音諧振器作為諧振式溫度傳感器敏感結(jié)露區(qū)的晶片表面溫度。


圖1為本發(fā)明實施例結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明實施例壓電(鐵電)晶體敏感元件俯視的示意圖；圖3為圖2的A-A剖視圖；圖4為本發(fā)明又一實施例敏感元件俯視的示意圖；圖5為本發(fā)明實施例使用端面反射式壓電表面切變波泛音諧振器作為結(jié)露溫度傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；圖6為圖5的B-B剖視圖。
具體實施例方式本發(fā)明是一種精密、快響應(yīng)的多功能(露點、濕度、溫度、霜點)單片式壓電(鐵電)晶體傳感器，綜合地利用瑞利表面波敏感、結(jié)露、結(jié)霜，使用深體聲波或淺體聲波，以及端面反射式壓電表面變波泛音諧振器敏感、結(jié)霜和結(jié)露濕度，采用體波的彎曲振動模式或扭曲振動模式，音叉諧振器敏感周圍環(huán)境溫度。利用半導(dǎo)體致冷器和單片計算機軟、硬件實現(xiàn)致冷(加熱)反饋控制、敏感特性的補償及信號調(diào)理和轉(zhuǎn)換。利用單片式的緊湊結(jié)構(gòu)解決了溫度傳感器檢測點與結(jié)露(結(jié)霜)點存在溫度梯度問題，利用瑞利表面波的振幅、頻率、相位三者對結(jié)露冷凝水敏感性差異和單片機軟件功能，提高了傳感器的靈敏度、分辨率、動態(tài)范圍和對污染狀態(tài)的識別問題。利用軟件補償和自診功能以及某些硬件(透氣不透灰的多孔聚四氟乙烯過程保護膜、天水乙醇高壓噴射咀、正壓反吹清洗噴咀的配合進行定期清洗等，提高傳感器的可靠性和長期穩(wěn)定性。
如圖1所示，本發(fā)明包括有柯伐管殼1，多孔聚四氟乙烯過濾膜2，過濾膜支撐架3，無水乙醇高壓噴射嘴4，彎曲振動模式或扭曲振動模式的石英音叉溫度傳感器5，壓電(鐵電)晶體敏感元件6，半導(dǎo)體致冷(熱)器7，柯伐管座8，負壓抽吸和正壓反吹清洗噴嘴22，聚四氟乙烯支座23、聚四氟乙烯膜固定壓環(huán)24，接地電極9、15、18，沖洗污染物排放口20，玻璃絕緣子10，接外電路用管腳11、14，敏感元件環(huán)狀固定支架21，它與管殼成一體，帶有負壓抽吸和正壓反吹清洗轉(zhuǎn)換閥的清洗噴嘴22，代表傳感器的內(nèi)引線12和13，用于粘結(jié)和吸聲的彈性環(huán)氧25，瑞利波模式濕敏元件26，淺體聲波或深體聲波模式的晶體溫度敏感元件27是，此溫度敏感晶片與濕敏元件晶片是同一晶片′6，它位于瑞｀利波模式濕敏元件的零溫度系數(shù)頂點溫度調(diào)整器28的后面，鏡片彈性模量調(diào)整器16，它利用直流偏壓對露表面波或深體聲波等模式的中心頻率進行調(diào)整、校準，補償由于老化和晶片污染產(chǎn)生的頻率漂移。半導(dǎo)體制冷器7的散熱水管17，散熱水管的外接頭19，它位于瑞利波濕敏元件兩叉指換能器52和58之間。是金薄膜熱敏電阻器29和29’。
本發(fā)明工作機制如下當把單片式壓電(鐵電)晶體多功能露點濕度傳感器置于被測濕度氣體環(huán)境中，則與噴嘴22相連的吸氣泵啟動，使得被測氣體經(jīng)過位于管殼1上的聚四氟乙烯膜2進入傳感器的內(nèi)部。由于膜2是一種具有微孔的透氣不透灰塵的特性，因此僅有被測氣體進入內(nèi)部，即可達到濕敏元件26的上方。
由于半導(dǎo)體制冷(熱)器7在單片機的控制下，圖1中未示出，使得被測氣體降溫、冷凝于敏感元件26的表面上。瑞利波濕敏元件26利用檢測相位法，檢測頻率法和測量Q值，即品質(zhì)因數(shù)法，敏感瑞利波的速度變化和振幅變化，從而測量出冷凝水的分布密度。利用瑞利波濕敏元件26成α角度(α≤90°)的諧振式淺體聲波(漏波)或深體聲波(反射體波或端面反射式壓電切變波)溫度敏感元件27，精確地測量濕敏元件26表面上上結(jié)露時出現(xiàn)冷凝水處的溫度，從而構(gòu)成了高精密的露點溫度傳感器。此外利用位于晶片6邊緣附近的金屬熱敏薄膜電阻器29和音叉溫度傳感器5測量環(huán)境溫度，把上述的敏感信息送入單片機中(圖中未出)，經(jīng)過嵌入式軟件的處理和計算，可以獲得露點溫度，相對濕度，絕對濕度和環(huán)境溫度測量，從而構(gòu)成了一個單片或多功能傳感器0。
無水乙醇高壓噴嘴4和污染物排放口20，是用來定期沖洗排放傳感器外殼內(nèi)部污染物的。負壓抽吸和正壓反吹清洗轉(zhuǎn)換閥22和正壓反吹噴嘴是為了定期清除多孔聚四氟乙烯過濾膜2上的灰塵等污物的，以保證傳感器長期、穩(wěn)定地使用。
多功能傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示，其內(nèi)部敏感元件如圖2所示。它包括一片被切邊50和50’的圓形壓電晶片6，例如石英、磷酸鋁晶體、PZT陶瓷或PCM壓電陶瓷、ZnO薄膜/籃寶石等或被切邊的圓型鐵電晶體(如LiNbO3、LiTaO3)。它們呈具有直線跑道的圓形體育場狀。
晶片6的上、下表面已被研磨和拋光，上下表面必須具有良好的平行度(當采用深體聲波模式時，若采用淺體聲波模式時，不需求上下表面的平行度。)和不平度。它們可以是Y(30-45度)切型，切邊是沿著X軸向，也可以是Y41度的LiNbO3，切邊方向Z軸向；或者使Y36度的LiTaO，切邊方向時Z軸向。
在晶片6的上表面51上有濕敏元件27，27’是由叉指換能器(IDT)52和58組成。IDT52是一種3指的分割—并聯(lián)--懸浮式叉指換能器，而IDT52是一種4指的分割—并聯(lián)--懸浮式叉指換能器，IDT52的每個叉指電極周期內(nèi)具有3條指電極53、54和55，其中至少一條電極54呈懸浮狀；IDT58的每個叉指電極周期內(nèi)具有4條電極70、71、72和73，其中至少一條電極72呈懸浮狀。設(shè)計適當IDT52和58的電極周期尺寸，可以使它們依次工作在2次和3次諧波上，并且在該次諧波上頻率相同。換言之，兩IDT僅在2次和3次諧波上頻率特性重合，在其它次諧波上不重合。顯然與常規(guī)設(shè)計的IDT相比，此濕敏元件27僅在兩IDT諧波頻率重合處有響應(yīng)，頻譜異常“干凈”，寄生信號極少，并且很小。此外，電極的分割，并聯(lián)和懸浮、可調(diào)整IDT的阻抗、降低瑞利波衍射損耗和相位特性，也可降低工藝難度。56和56’分別是IDT52和58的內(nèi)引線接線端子。29和29是金屬薄膜熱敏電阻器，其參數(shù)電阻(在25時為100)用來進行溫度傳感器的自校準和環(huán)境溫度的測量。金屬薄膜電極28的作用時起到靜電屏蔽和質(zhì)量加載作用，它與晶片彈性模量調(diào)整器16配合，可以調(diào)整頻率。
常規(guī)SAW濕敏元件或露點傳感器皆采用ST切型(42.75Y旋切割)，它的時延溫度系數(shù)可以為零。但是，其縱波模式和快橫波模式較大，這將對采用淺體聲波或深體聲波模式的溫度敏感器件產(chǎn)生干擾。
本發(fā)明采用45.8度Y旋石英晶體作為瑞利波濕敏元件基片。根據(jù)固體聲與波的理論和實驗可知，雖然該切型瑞利波的群速度和相連度不共線，但是，若使兩IDT的中心軸線與石英晶體的X軸(電軸)夾角為13度，并使兩IDT的距離適宜，那么不僅可以使其具有令溫度系數(shù)，其頂點溫度為20度，而且能使瑞利波濕敏元件的插入損耗最小，而瑞利波的功率流角與體波的功率流角之差最大。換言之，把表面波濕敏元件體波寄生信號消除，其頻譜及其干凈，而插入損耗很小。晶體6呈圓片狀，是為了防止瑞利波的基片邊緣反射波的干擾。溫度敏感元件27是采用深體聲波模式工作，如圖`2所示，或者采用淺體聲波模式工作。
在圖2和圖3同一數(shù)字代表相同的部件中，深體波輸IDT81與深體波輸出IDT86，分別與瑞利波濕敏元件27的輸入IDT52和IDT58相似，僅物理尺寸和兩IDT距離不同。IDT81和86的中心軸線與IDT52和58的中心軸線平行。皆是沿石英晶體電軸(X軸)方向。晶片6很薄，通常為0.5-1mm厚，82是粘合劑。例如硫化硅橡膠粘合劑。83是由IDT82發(fā)射的聲體波，84是瑞利波模式和淺體聲波模式截止器，它是切入石英晶體的凹槽，槽內(nèi)涂覆吸聲材料。例如彈性環(huán)氧樹脂等。16是石英晶體彈性模量直流調(diào)整器，它與金屬薄膜電極28、石英晶片6配合，可以調(diào)整深體波的反射強度和方向。85是被壓電石英晶片6上表面反射的深體聲波。通常從發(fā)射IDT82至接收IDT86的體波波束83僅經(jīng)一次反射就被接收。IDT接收。該體波波束的傳播方向是由IDT81和IDT86的電極周期與被激勵的體波波長之間的相位匹配條件決定的。實際上深體波的輻射特性是晶體切型允許傳播的體波模式功率流角圖與發(fā)射、接收IDT的陣列因子之積決定的。
當輸入IDT81與輸出IDT86之間連接上放大器時，若其增益大于1，并且相位相同時，構(gòu)成了深體波溫度傳感器。
淺體聲波溫度敏感元件27是由發(fā)射IDT60和接收IDT61構(gòu)成，它們的中心軸線與濕敏元件的IDT52和58的中心軸線成一角度，淺體聲波溫度敏感元件可以采用二指式IDT(由電極59、59’和57、57’，以及62、62’、57、57’構(gòu)成)也可以采用與上述的IDT52、IDT58相似的結(jié)構(gòu)。
如圖5所示，相同的數(shù)字代表同一部件。本實施例使用端面反射式壓電表面切變波泛音諧振器作為結(jié)露溫度傳感器。與實施例1、2不同，它不僅要求上、下表面51和87平行度高，而且晶片邊緣面50和50’的加工要求也很高，邊緣面50與50’必須與上下表面51和87嚴格垂直，此外對50、50’的表面必須進行光學(xué)鏡面拋光，并且要求彼此嚴格地與X軸(電軸)平行。
圖6是圖5沿BB剖開的橫斷面。叉指電極92、93的伸出方向是沿著晶體的Z方向，當他們之間分別施加交變電信號時，則產(chǎn)生電場95和96。在本發(fā)明的實施例三中，電場95和96的水平分量將激勵體聲波97。IDT電極92、93與IDT電極98、99必須同相(這利用雙面光刻法比較容易實現(xiàn))。
此外，為了使上下表面51和87的同相電場在晶片厚度方向(Y軸方向)均勻分布，晶片6的厚度應(yīng)該等于IDT電極92和93(或98與99)的電極周期的整數(shù)信，從而構(gòu)成了體波泛音諧振器。把此泛音諧振器作為諧振式溫度傳感器敏感結(jié)露區(qū)的晶片表面溫度。
上述三個傳感器實例的測試準確度高、分別率佳，不僅能準確地測量露點溫度，還可以區(qū)別是結(jié)露，還是結(jié)霜。此外穩(wěn)定性好，抗污染能力強。
權(quán)利要求
1.一種單片式壓電晶體多功能露點濕度傳感器，其組成包括有柯伐管殼(1)和柯伐管座(8)組合成的傳感器外殼體、安裝于傳感器殼內(nèi)的壓電(鐵電)晶體敏感元件(6)、外接單片機控制的半導(dǎo)體致冷(熱)器(7)和柯伐管座(8)上的外接管腳，其特征在于所述的壓電(鐵電)晶體敏感元件(6)是瑞利波模式濕敏元件(26)和是淺體聲波或深體聲波模式的晶體溫度敏感元件(27)同一晶片，安裝于與管殼成一體的敏感元件環(huán)狀固定支架(21)，位于瑞利波模式濕敏元件的零溫度系數(shù)頂點溫度調(diào)整器(28)的后面，半導(dǎo)體致冷(熱)器(7)緊貼壓電(鐵電)晶體敏感元件(6)下表面，半導(dǎo)體致冷(熱)器(7)下方裝有與外接頭(19)連結(jié)的散熱水管的(17)，壓電(鐵電)晶體敏感元件(6)的上方的柯伐管殼(1)上是裝有過濾膜(2)的通氣窗口，與一個連接吸氣泵的負壓抽吸和正壓反吹清洗噴嘴(22)形成受感氣流的氣路。
2.如權(quán)利要求1所述的單片式壓電晶體多功能露點濕度傳感器，其特征在于所述的壓電(鐵電)晶體敏感元件(6)是一片被切邊50和50’的圓形壓電晶片，可以是石英或磷酸鋁晶體或PZT陶瓷或PCM壓電陶瓷或ZnO薄膜/籃寶石或被切邊的LiNbO3、LiTaO3圓型鐵電晶體，呈具有直線跑道的圓形體育場狀，其上、下表面已被研磨和拋光，上下表面必須具有良好的平行度和不平度，若采用淺體聲波模式時，不需求上下表面的平行度，它們可以是Y(30-46度)切型，切邊是沿著X軸向，也可以是Y41度的LiNbO3，切邊方向Z軸向；或者使Y36度的LiTaO3，切邊方向是Z軸向。
3.如權(quán)利要求1所述的單片式壓電晶體多功能露點濕度傳感器，其特征在于所述的半導(dǎo)體制冷(熱)器(7)，在單片機的控制下，對被測氣體降溫、被測氣體冷凝于敏感元件(26)的表面上，瑞利波濕敏元件(26)利用檢測相位法，檢測頻率法和測量Q值，即品質(zhì)因數(shù)法，敏感瑞利波的速度變化和振幅變化，測量出冷凝水的分布密度，利用瑞利波濕敏元件(26)成α角度(α≤90°)的諧振式淺體聲波(漏波)或深體聲波(反射體波或端面反射式壓電切變波)溫度敏感元件(27)，精確地測量濕敏元件(26)表面上上結(jié)露時出現(xiàn)冷凝水處的溫度，從而構(gòu)成了高精密的露點溫度傳感器，利用位于晶片(6)邊緣附近的金屬熱敏薄膜電阻器(29)和音叉溫度傳感器(5)測量環(huán)境溫度，把上述的敏感信息送入單片機中，經(jīng)過嵌入式軟件的處理和計算，可以獲得露點溫度，相對濕度，絕對濕度和環(huán)境溫度測量值，從而構(gòu)成了一個單片式多功能傳感器。
4.如權(quán)利要求2所述的單片式壓電晶體多功能露點濕度傳感器，其特征在于在晶片(6)的上表面(51)上有濕敏元件(27)，濕敏元件(27)是由叉指換能器IDT(52)和(58)組成；IDT(52)是一種3指的分割—并聯(lián)--懸浮式叉指換能器，而IDT(58)是一種4指的分割—并聯(lián)--懸浮式叉指換能器，IDT(52)的每個叉指電極周期內(nèi)具有3條指電極(53)、(54)和(55)，其中至少一條電極(54)呈懸浮狀；IDT(58)的每個叉指電極周期內(nèi)具有4條電極(70)、(71)、(72)和(73)，其中至少一條電極(72)呈懸浮狀；IDT(52)和(58)的電極周期尺寸，可以使它們依次工作在2次和3次諧波上，并且在該次諧波上頻率相同；即兩IDT僅在2次和3次諧波上頻率特性重合，在其它次諧波上不重合，濕敏元件(27)僅在兩IDT諧波頻率重合處有響應(yīng)，金屬薄膜熱敏電阻器(29)和(29’)，其參數(shù)電阻(在25℃時為100歐)用來進行溫度傳感器的自校準和環(huán)境溫度的測量；金屬薄膜電極(28)的作用時起到靜電屏蔽和質(zhì)量加載作用，它與晶片彈性模量調(diào)整器(16)配合，可以調(diào)整頻率；采用45.8度Y旋石英晶體作為瑞利波濕敏元件基片，兩IDT的中心軸線與石英晶體的X軸(電軸)夾角為13度，并使兩IDT的距離適宜，使其具有令溫度系數(shù)，其頂點溫度為25℃，使瑞利波濕敏元件的插入損耗最小，而瑞利波的功率流角與體波的功率流角之差最大。
5.如權(quán)利要求1所述的單片式壓電晶體多功能露點濕度傳感器，其特征在于在柯伐管殼1側(cè)壁，壓電(鐵電)晶體敏感元件(6)上表面處裝有用來沖洗排放傳感器外殼內(nèi)部污染物的無水乙醇高壓噴嘴(4)和污染物排放口(20)，和定期清除多孔聚四氟乙烯過濾膜(2)上的灰塵等污物的負壓抽吸和正壓反吹清洗轉(zhuǎn)換閥(22)。
6，如權(quán)利要求3所述的單片式壓電晶體多功能露點濕度傳感器，其特征在于結(jié)露傳感器深體波輸IDT(81)與深體波輸出IDT(86)，分別與瑞利波濕敏元件(27)的輸入IDT(52)和IDT(58)相似，IDT(81)和(86)的中心軸線與IDT(52)和(58)的中心軸線平行；皆是沿石英晶體電軸(X軸)方向；晶片厚度為0.5-1mm，涂有硫化硅橡膠粘合劑(82)，由IDT(82)發(fā)射的聲體波(83)，瑞利波模式和淺體聲波模式截止器(84)是切入石英晶體的凹槽，槽內(nèi)涂覆彈性環(huán)氧樹脂等吸聲材料，石英晶體彈性模量直流調(diào)整器(16)與金屬薄膜電極(28)、石英晶片(6)配合調(diào)整深體波的反射強度和方向；當輸入IDT(81)與輸出IDT(86)之間連接上放大器時，若其增益大于1，并且相位相同時，構(gòu)成了諧振式深體波溫度傳感器。
7.如權(quán)利要求2所述的單片式壓電晶體多功能露點濕度傳感器，其特征在于所述的淺體聲波溫度敏感元件(27)是由發(fā)射IDT(60)和接收IDT(61)構(gòu)成，它們的中心軸線與濕敏元件的IDT(52)和(58)的中心軸線成一角度，淺體聲波溫度敏感元件可以采用二指式IDT，即由電極(59)、(59’)和(57)、(57’)，以及(62)、(62’)、(57)、(57’)構(gòu)成，也可以采用與上述的IDT(52)、IDT(58)相似的結(jié)構(gòu)。
8.如權(quán)利要求3所述的單片式壓電晶體多功能露點濕度傳感器，其特征在于所述的結(jié)露溫度傳感器是端面反射式壓電表面切變波泛音諧振器，叉指電極(92)、(93)的伸出方向是沿著晶體的Z方向，IDT電極(92)、(93)與IDT電極(98)、(99)必須同相。
9.如權(quán)利要求2所述的單片式壓電晶體多功能露點濕度傳感器，其特征在于為了使上下表面(51)和(87)的同相電場在晶片厚度方向，即Y軸方向均勻分布，晶片(6)的厚度應(yīng)該等于IDT電極(92)和(93)，或(98)與(99)的電極周期的整數(shù)倍，構(gòu)成了體波泛音諧振器，把此泛音諧振器作為諧振式溫度傳感器敏感結(jié)露區(qū)的晶片表面溫度。
全文摘要
本發(fā)明公開一種單片式壓電鐵電晶體多功能露點濕度傳感器，其組成包括有柯伐管殼1和柯伐管座8組合成的傳感器外殼體、安裝于傳感器殼內(nèi)的壓電(鐵電)晶體敏感元件6、外接單片機控制的半導(dǎo)體致冷(熱)器7和柯伐管座8上的外接管腳等，是一種精密、快響應(yīng)的多功能(露點、濕度、溫度、霜點)單片式壓電(鐵電)晶體傳感器綜合地利用瑞利表面波敏感、結(jié)露、結(jié)霜，使用深體聲波或淺體聲波，以及端面反射式壓電表面變波泛音諧振器敏感、結(jié)霜和結(jié)露濕度，采用體波的彎曲振動模式或扭曲振動模式，音叉諧振器敏感周圍環(huán)境溫度。利用半導(dǎo)體致冷器和單片計算機軟、硬件實現(xiàn)致冷(加熱)反饋控制、敏感特性的補償及信號調(diào)理和轉(zhuǎn)換。利用單片式的緊湊結(jié)構(gòu)解決了溫度傳感器檢測點與結(jié)露(結(jié)霜)點存在溫度梯度問題，利用瑞利表面波的振幅、頻率、相位三者對結(jié)露冷凝水敏感性差異和單片機軟件功能，提高了傳感器的靈敏度、分辨率、動態(tài)范圍和對污染狀態(tài)的識別問題。利用軟件補償和自診功能以及某些硬件，如多孔聚四氟乙烯過程保護膜、天水乙醇高壓噴射咀、正壓反吹清洗噴咀的配合進行定期清洗等提高傳感器的可靠性和長期穩(wěn)定性。
文檔編號G01N25/62GK1632546SQ20041004416
公開日2005年6月29日 申請日期2004年12月24日 優(yōu)先權(quán)日2004年12月24日
發(fā)明者林江, 林冬輝, 王世光 申請人:王世光, 林江