一種基于多通道聲表面波的多物理量傳感器的制造方法
【專利摘要】本實用新型提供了一種基于多通道聲表面波的多物理量傳感器，其包括：天線、信號端、接地端和傳感器芯片，天線分別與設(shè)于傳感器芯片上的所述信號端和接地端相連，傳感器芯片包括:壓電基底、信號傳輸通道、聲表面波溫度傳感單元、聲表面波氣體傳感單元和聲表面波水汽傳感單元；信號傳輸通道將并行設(shè)于壓電基底上的所述聲表面波溫度傳感單元、聲表面波氣體傳感單元和聲表面波水汽傳感單元彼此相互連接。本實用新型采用無線方式傳輸多種傳感物理量，有利于實現(xiàn)傳感器組網(wǎng)，進一步推動電力設(shè)備監(jiān)測的網(wǎng)絡(luò)化。
【專利說明】
一種基于多通道聲表面波的多物理量傳感器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實用新型涉及一種電力裝備的在線監(jiān)測系統(tǒng)，具體講涉及一種基于多通道聲表面波的多物理量傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著全球能源互聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，電網(wǎng)規(guī)模越來越大，需要實時監(jiān)測和智能感知電力裝備狀態(tài)，準(zhǔn)確及時地傳遞設(shè)備狀態(tài)信息，判斷設(shè)備運行狀況、對維護電網(wǎng)安全提供堅強保證。
[0003]對變壓器、斷路器和GIS等一次設(shè)備狀態(tài)監(jiān)測涉及的傳感器種類和布置點多，可靠性參差不齊，多物理量融合型傳感器的發(fā)展相對滯后，高可靠小型化傳感器勢在必行。
[0004]用多物理量傳感器實時監(jiān)測電力裝備運行狀態(tài)，可對故障預(yù)測、定期檢修、事故定位等提供可靠、及時的數(shù)據(jù)支撐，從而進一步提高電網(wǎng)的安全運行水平。電網(wǎng)中所需的非電量傳感物理量包括溫度、濕度、壓力和氣體等，由于絕緣距離和安裝空間的限制，在小型化和多物理量融合傳感等方面對傳感器提出了很高的要求。
[0005]需要感知的電力裝備的物理量包括溫度、局放、聲音、濕度、壓力、振動、氣體、電場和磁場等，現(xiàn)有的傳感器一般感知單一物理量，遠不能滿足要求。智能電網(wǎng)的建設(shè)和發(fā)展，提出了對變壓器、換流閥和斷路器等重要設(shè)備的全景式監(jiān)控，以確保設(shè)備狀態(tài)的可知可控。直流換流閥的本體溫度、局放和振動，GIS開關(guān)設(shè)備的溫度、微水、壓力和氣體，變壓器油溫和局放等關(guān)鍵設(shè)備的在線監(jiān)測應(yīng)用中，受到絕緣距離和安裝空間的限制，要求提供小型化和多物理量融合感知的傳感器。
[0006]本實用新型人經(jīng)長期大量觀察、深入研究、科學(xué)總結(jié)發(fā)現(xiàn)聲表面波傳感器是一種新型傳感器，具有無源無線、體積小、質(zhì)量輕、易于安裝等特點。與現(xiàn)有的傳感方式比，該技術(shù)具有:傳感器無源、無線，易安裝，易維護，抗干擾能力強；系統(tǒng)軟、硬件設(shè)計合理規(guī)劃，可以獲得較高的測量精度;后端處理可擴展性強，有利于實現(xiàn)多種人機交互方式等優(yōu)勢。將聲表面波傳感器用于電網(wǎng)設(shè)備狀態(tài)的監(jiān)測，由于它具有無線遙測、無需供電、抗干擾能力強、精度高、成本低、用途廣等優(yōu)點，在電力裝備的在線監(jiān)測應(yīng)用中展現(xiàn)出巨大的潛力。
[0007]此外，本實用新型提供的聲表面波傳感器，在復(fù)雜電磁環(huán)境中工作時呈現(xiàn)優(yōu)勢展現(xiàn)出了符合現(xiàn)代傳感的高精度化、信號系統(tǒng)數(shù)字化、微機控制化的發(fā)展方向。
【實用新型內(nèi)容】
[0008]為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本實用新型提供一種基于多通道聲表面波的多物理量傳感器，其包括:天線、信號端、接地端和傳感器芯片，天線分別與設(shè)于傳感器芯片上的信號端和接地端相連，傳感器芯片包括:壓電基底、信號傳輸通道、聲表面波溫度傳感單元、聲表面波氣體傳感單元和聲表面波水汽傳感單元;信號傳輸通道將并行設(shè)于壓電基底上的聲表面波溫度傳感單元、聲表面波氣體傳感單元和聲表面波水汽傳感單元彼此相互連接。
[0009]信號傳輸通道包括:溫度傳感通道、氣體傳感通道和水汽傳感通道;與接地端相連的溫度傳感通道和水汽傳感通道設(shè)于壓電基底的兩端;與信號端相連的氣體傳感通道設(shè)于壓電基底的中間。
[0010]設(shè)于溫度傳感通道上的聲表面波溫度傳感單元包括:氣體屏蔽腔、叉指換能器和反射柵組;氣體屏蔽腔內(nèi)置叉指換能器和反射柵組;兩組反射柵組間設(shè)有溫度敏感區(qū);叉指換能器設(shè)于靠近接地端的反射柵組外側(cè)。
[0011 ]氣體傳感通道設(shè)置的聲表面波氣體傳感單元包括:叉指換能器和反射柵組;兩組反射柵組間設(shè)有氣體吸收膜;叉指換能器設(shè)于靠近信號端的反射柵組外側(cè)。
[0012]水汽傳感通道設(shè)置的聲表面波水汽傳感單元包括:叉指換能器和反射柵組;反射柵組間設(shè)有水汽吸收膜;信號端反射柵組的外側(cè)設(shè)置叉指換能器。壓電基底材料為YZ切或128° YX切型的鈮酸鋰晶體，或ST切或YX切石英晶體。
[0013]氣體屏蔽腔為聚二甲基硅氧烷PDMS材制；水汽吸收膜聚(N-異丙基丙烯酰胺)PNIPAM材料制；由需吸收的氣體種類定制氣體吸收膜的材料。
[0014]叉指換能器和反射柵尺寸為金屬鋁條或金條制得;接地線和信號線為銅箔。聲表面波氣體傳感單元和聲表面波水汽傳感單元用聲表面波溫度傳感單元的測量數(shù)據(jù)校正溫度對傳播速度的影響。
[0015]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型的有益效果在于:
[0016]1.本實用新型采用聲表面波技術(shù)原理以實現(xiàn)多物理量的傳感，具有體積小、重量輕、成本低的特點，適合工業(yè)化批量生產(chǎn)。
[0017]2.本實用新型采用射頻信號無線傳輸、傳感芯片無源工作的模式，適用于電力設(shè)備監(jiān)測中的絕緣距離和供能不便應(yīng)用需求。
[0018]3.本實用新型為單一傳感器，具備溫度、氣體、濕度的多物理量傳感功能，可有效減少電力設(shè)備監(jiān)測中所需的傳感器數(shù)目，實現(xiàn)集成化傳感。
[0019]4.本實用新型的傳感器芯片由天線接收的射頻信號功能，并利用該信號完成多種物理量的傳感，具有高可靠性，同時具有較長的使用壽命，并降低了維護的壓力。
[0020]5.本實用新型采用無線方式傳輸多種傳感物理量，有利于實現(xiàn)傳感器組網(wǎng)，進一步推動電力設(shè)備監(jiān)測的網(wǎng)絡(luò)化。
【附圖說明】

[0021 ]圖1是本實用新型的傳感器結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0022]下面結(jié)合說明書附圖對本實用新型的技術(shù)方案做進一步詳細說明。
[0023]本實用新型面向電力設(shè)備的在線監(jiān)測，基于聲表面波傳感原理，在壓電基底上制作了三個傳感通道，三個傳感通道共用同樣的信號端和接地端，三個通道并行完成溫度、濕度、氣體等多種物理量的融合傳感。
[0024]系統(tǒng)主要包括讀寫器、發(fā)射天線、傳感器接收天線和傳感器芯片結(jié)構(gòu)等。其中，讀寫器具有射頻信號的發(fā)射和傳感器回波信號的高精度解調(diào)能力，讀寫器和傳感器之間的信息通訊通過兩個窄帶天線實現(xiàn)，讀寫器需具備發(fā)射信號在一定頻率范圍內(nèi)靈活可調(diào)的能力，如433MHz ± IMHz。發(fā)射功率根據(jù)實際需要自動或手動調(diào)節(jié)，其最大值在20dBm左右，對傳感器回波小信號具有高速高精度處理能力，能夠迅速解調(diào)回波信號的頻率。
[0025]傳感器芯片部分主要由一些制作在壓電基底表面的微結(jié)構(gòu)組成，壓電基底可選用的典型材料包括多種切型的LiNb03和石英晶體等，微結(jié)構(gòu)中包含了三個信號傳輸通道，三個通道以圖1中的方式并聯(lián)在信號端和接地端中間，從上到下的三個通道依次為溫度傳感通道、氣體傳感通道和水汽傳感通道。Cl?C3為對應(yīng)通道中的叉指換能器，可將射頻信號轉(zhuǎn)換為沿壓電基底表面?zhèn)鞑サ穆暠砻娌ㄐ盘?。Fl?F6為六組反射柵，聲表面波遇到反射柵之后將折回傳播，每兩組布置在同一個通道中，通過分析接收到反射柵回波信號的時間差，實現(xiàn)各通道物理量的測量。
[0026]圖1中的S1、G1、G2、Y1、Y2為電路通路，電信號可以沿這些通路傳播。因此，由SI進入的信號，既是叉指換能器Cl的信號，也是叉指換能器C2的信號，還是叉指換能器C3的信號。同樣的，接地信號通過Gl和G2兩條接地通路實現(xiàn)三個通路的共地。溫度傳感通道、氣體傳感通道和水汽傳感通道三個通道分別連接至傳感器收發(fā)天線的信號端和接地端，每個通道中均含有一組叉指換能器和兩組反射柵，其中叉指換能器可將從天線接收到的射頻信號轉(zhuǎn)換成沿壓電基底表面?zhèn)鞑サ穆暠砻娌?，反射柵則可將沿正向傳播的聲表面波反射回去，反射信號經(jīng)過叉指換能器的正向壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)換為電信號，再通過射頻天線發(fā)射給遠端的讀寫器，解調(diào)出對應(yīng)的傳感物理量信息。
[0027]下面對各物理量傳感通道的工作方式進行具體闡述:
[0028]聲表面波溫度傳感結(jié)構(gòu)如圖1中Yl?Y2之間部分所示，其主要原理為:當(dāng)溫度發(fā)生變化時，聲表面波在壓電基底表面的傳播速度將發(fā)生變化，且當(dāng)選擇合適的壓電基底時，波傳播速度和溫度的變化具有線性關(guān)系。接收天線獲取讀寫器發(fā)射的射頻信號之后，由左上方的叉指換能器Cl將射頻信號轉(zhuǎn)換為聲表面波信號，該信號沿壓電基底表面?zhèn)鞑ァ囟让舾袇^(qū)域由有機物殼體屏蔽起來，以減小水汽和其他氣體引起的串?dāng)_，增強該部分溫度傳感的靈敏度和準(zhǔn)確性。當(dāng)聲表面波信號從叉指換能器發(fā)出后，在tl時刻傳播至Fl反射柵，在t2時刻傳播至F2反射柵接，并分別返回給叉指換能器Cl。通過高精度的信號解調(diào)裝置，可以得到tl和t2之間的時間差，由于叉指換能器和反射柵間的距離固定，可解算出該溫度下聲表面波在壓電基底中的傳播速度，繼而得到被測溫度值。
[0029]聲表面波氣體傳感結(jié)構(gòu)如圖1中Y2右下側(cè)所示，將對特定氣體敏感的氣體吸收膜制作在壓電基底的反射柵F3和反射柵F4區(qū)域表面，當(dāng)待測量空間出現(xiàn)相應(yīng)氣體時，氣體吸收膜吸收相應(yīng)氣體而變重，由于質(zhì)量效應(yīng)，導(dǎo)致聲表面波的傳播速度減慢，在F3和F4之間傳播時間變長，通過高精度的信號解調(diào)裝置，獲取t3和t4之間的時間差異，由于該部分叉指換能器C2和反射柵F3、F4之間的距離固定，可解算出該氣體含量下聲表面波在壓電基底中的傳播速度，繼而得到氣體含量值。值得一提的是，由于不同膜對不同氣體吸收的特異性，通過選擇不同的膜組分，使用上述結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)不同氣體含量的檢測，如一般采用ZnO薄膜來實現(xiàn)SF6氣體的檢測。氣體吸收膜的選擇依據(jù)是該膜主要吸收特定組分氣體，即對氣體的吸收具有特異性。同時，由于氣體含量和聲表面波傳播速度之間往往難以保持線性關(guān)系，一般需要在解調(diào)電路后端繼續(xù)進行非線性校正，以利于用戶直觀得到氣體含量的檢測。由于溫度也會影響聲表面波沿壓電基底的傳播速度，因此在進行氣體含量傳感解調(diào)過程中，需要利用上述第一個溫度傳感結(jié)構(gòu)中的溫度測量結(jié)果，校正掉溫度帶來的傳播速度影響后，才能準(zhǔn)確得到由于氣體吸收導(dǎo)致的聲表面波傳播速度變化。
[0030]如圖1中SI和G2之間所示的聲表面波水汽傳感結(jié)構(gòu)，將對水汽敏感的水汽吸收膜制作在壓電基底的部分區(qū)域表面，如反射柵F5和反射柵F6之間的區(qū)域所示，當(dāng)待測環(huán)境中含有水汽時，水汽吸收膜吸收水汽而變重，由于質(zhì)量效應(yīng)，導(dǎo)致聲表面波的傳播速度減慢，在F5和F6之間傳播時間變長，通過高精度的信號解調(diào)裝置，獲取t5和t6之間的時間差異，由于該部分叉指換能器和反射柵之間的距離固定，可解算出該水汽條件下聲表面波在壓電基底中的傳播速度，繼而得到水汽含量值。同時，由于水汽含量和聲表面波傳播速度之間往往難以保持線性關(guān)系，一般需要在解調(diào)電路后端繼續(xù)進行非線性校正，以利于用戶直觀得到水汽含量的檢測。由于溫度也會影響聲表面波沿壓電基底的傳播速度，因此在進行水汽含量傳感解調(diào)過程中，需要利用上述第一個溫度傳感結(jié)構(gòu)中的溫度測量結(jié)果，校正掉溫度帶來的傳播速度影響后，才能準(zhǔn)確得到由于水汽吸收導(dǎo)致的聲表面波傳播速度變化。
[0031]傳感器的壓電基底是聲表面波傳輸?shù)妮d體，不同切向的晶體所具有的傳播速度和各向異性特性不同，因此需要仔細選擇，一般選擇特定切型的鈮酸鋰(YZ切、128° YX切)晶體或石英(ST切、YX切)晶體;為降低水汽和多種氣體對于溫度傳感精度的影響，一般在溫度傳感通道中制作一個具有氣體屏蔽功能的腔體，其典型材料為TOMS(聚二甲基硅氧烷)；水汽吸收膜材料需具備水汽吸收功能，同時對其他氣體具有低敏感性，典型材料有PNIPAM(聚(N-異丙基丙烯酰胺))；氣體吸收膜根據(jù)所需敏感的氣體種類定制，典型如SF6氣體傳感，一般選擇ZnO薄膜作為吸收材料;三組叉指換能器和反射柵尺寸需要的材料一般為金屬鋁條或金條，單條尺寸寬度在2μπι左右，指條數(shù)目分別為10條左右;接地線和信號線在壓電基底上的延長線一般為銅箔。讀寫器應(yīng)具備較高的射頻信號發(fā)射和高時間精度的信號解調(diào)能力。
[0032]由于三個傳感通道的信號輸入和輸出均由同一根射頻天線完成，為了減少各通道信號之間的串?dāng)_，降低后端信號解調(diào)的難度，需要對各通道中叉指換能器和反射柵間距離進行詳細設(shè)計，使得三路信號的回波時間具有相對明顯的時間差異，即增加I t2-tl 1、114-t3 I和I t6_t5 I之間的差異值。
[0033]具體方案設(shè)計中，還需要綜合考慮溫度傳感范圍所引起的聲表面波傳播速度變化;氣體吸收膜和水汽吸收膜由于吸收對應(yīng)物質(zhì)引起質(zhì)量效應(yīng)引起的聲表面波傳播速度變化。
[0034]最后應(yīng)當(dāng)說明的是:以上實施例僅用以說明本實用新型的技術(shù)方案而非對其限制，盡管參照上述實施例對本實用新型進行了詳細的說明，所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員依然可以對本實用新型的【具體實施方式】進行修改或者等同替換，這些未脫離本實用新型精神和范圍的任何修改或者等同替換，均在申請待批的本實用新型的權(quán)利要求保護范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項】
1.一種基于多通道聲表面波的多物理量傳感器，所述多物理量傳感器包括:天線、信號端、接地端和傳感器芯片，所述天線分別與設(shè)于所述傳感器芯片上的所述信號端和所述接地端相連，其特征在于， 所述傳感器芯片包括:壓電基底、信號傳輸通道、聲表面波溫度傳感單元、聲表面波氣體傳感單元和聲表面波水汽傳感單元； 所述信號傳輸通道將并行設(shè)于所述壓電基底上的所述聲表面波溫度傳感單元、所述聲表面波氣體傳感單元和所述聲表面波水汽傳感單元彼此相互連接。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的多物理量傳感器，其特征在于，所述信號傳輸通道包括:溫度傳感通道、氣體傳感通道和水汽傳感通道； 與所述接地端相連的所述溫度傳感通道和所述水汽傳感通道設(shè)于所述壓電基底的兩端； 與所述信號端相連的所述氣體傳感通道設(shè)于所述壓電基底的中間。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的多物理量傳感器，其特征在于，設(shè)于所述溫度傳感通道上的聲表面波溫度傳感單元包括:氣體屏蔽腔、叉指換能器和反射柵組； 所述氣體屏蔽腔內(nèi)置所述叉指換能器和所述反射柵組； 兩組所述反射柵組間設(shè)有溫度敏感區(qū)； 所述叉指換能器設(shè)于靠近所述接地端的反射柵組外側(cè)。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的多物理量傳感器，其特征在于，所述氣體傳感通道設(shè)置的所述聲表面波氣體傳感單元包括:叉指換能器和反射柵組； 兩組所述反射柵組間設(shè)有氣體吸收膜； 所述叉指換能器設(shè)于靠近所述信號端的反射柵組外側(cè)。5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的多物理量傳感器，其特征在于，所述水汽傳感通道設(shè)置的所述聲表面波水汽傳感單元包括:叉指換能器和反射柵組； 所述反射柵組間設(shè)有水汽吸收膜； 所述信號端反射柵組的外側(cè)設(shè)置所述叉指換能器。
【文檔編號】G01D21/02GK205719094SQ201620419238
【公開日】2016年11月23日
【申請日】2016年5月10日
【發(fā)明人】鄭天祥, 李璐, 陳碩, 劉占元, 侯繼彪, 牛曉晨, 孫海江, 葉志齊, 李春城, 尉志勇
【申請人】全球能源互聯(lián)網(wǎng)研究院, 國網(wǎng)江蘇省電力公司, 國家電網(wǎng)公司