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聲表面波電流傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種SAW電流傳感器，所述傳感器包括：壓電基片，作為振動膜；第一路反射器，包括用以參考的第一叉指型反射器和用以測量電流的第二叉指型反射器；第二路反射器，用作電子標(biāo)簽；薄層膜，涂覆在第一路反射器、第二路反射器上；通過無線天線接收讀取模塊發(fā)送的第一電磁波信號，通過所述EWC/SPUDT將所述第一電磁波信號轉(zhuǎn)換成沿壓電基片表面?zhèn)鞑サ腟AW，所述SAW被所述第一路反射器、第二路反射器反射后，被所述EWC/SPUDT轉(zhuǎn)換成第二電磁波信號，所述第二電磁波信號通過所述無線天線傳回所述讀取單元，通過信號處理方法，通過獲取所述SAW電流傳感器的時域響應(yīng)的信號變換以進(jìn)行電流檢測。
【專利說明】聲表面波電流傳感器
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體領(lǐng)域，尤其涉及一種SAW電流傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]磁阻效應(yīng)即是在外磁場中，半導(dǎo)體磁敏感材料受到了與電流方向相垂直方向的磁場作用時，由于洛倫茲力的作用，電子流動的方向發(fā)生改變，使路徑加長，從而使得磁敏元件電阻值增大。這樣通過選擇具有較高電子遷移率的磁敏材料如銻化銦(InSb)和砷化銦(InAs)等,可以實現(xiàn)對電流產(chǎn)生磁場的靈敏檢測。近些年隨著聲表面波(Surface AcousticWave, SAW)技術(shù)的不斷發(fā)展，無線識別技術(shù)日趨成熟，一種結(jié)合磁敏電阻技術(shù)的SAW反射型延遲線開始應(yīng)用于SAW電流傳感研究。這種SAW反射型延遲線結(jié)構(gòu)由一個壓電基片與沿聲波傳播方向設(shè)置的一個叉指換能器和兩個叉指型反射器構(gòu)成，其中一個叉指型反射器耦合了磁敏電阻，叉指換能器通過無線天線接收來自無線讀取單元發(fā)射的電磁波信號，并轉(zhuǎn)換成沿壓電基片表面?zhèn)鞑サ腟AW信號，并被另外兩個叉指型反射器反射，反射的SAW通過叉指換能器重新轉(zhuǎn)換為電磁波信號，通過無線天線發(fā)送回?zé)o線讀取單元，在外界電流產(chǎn)生的磁場的作用下，由于磁敏電阻的阻值變換導(dǎo)致了 SAW反射型延遲線時域響應(yīng)的線性變化，以此來實現(xiàn)對于電流的無線檢測。
[0003]作為例子，現(xiàn)有應(yīng)用于無線無源電流傳感的常規(guī)結(jié)構(gòu)為一個SAW反射型延遲線，如圖1所示，其中包括:壓電基片21，連接天線的叉指換能器22，叉指型反射器23和24，磁敏電阻25，叉指型反射器23、24與叉指換能器22之間的距離根據(jù)實驗要求確定，27是從叉指型反射器23反射的第一反射回波信號，28是從叉指型反射器24反射的第二反射回波信號。
[0004]目前基于上述結(jié)構(gòu)的原型SAW無線電流傳感器已在(文獻(xiàn)1:HansHauser, Reinhard Steindl, Christian Hausleitner, Alfred Pohl,Johann Nicolics:Wirelessly interrogable magnetic field sensor utilizing giant magneto—impedanceeffect and surface acoustic wave devices, IEEE Transactions on INSTRUMENTATIONAND MEASUREMENT, VOL.49，N0.3，JUNE2000PP:648-652)中實現(xiàn)，文獻(xiàn) I 將巨磁阻耦合在雙端的延遲線結(jié)構(gòu)SAW器件中的叉指換能器上，驗證了無線電流傳感器的基本功能。此外在(文獻(xiàn) 2:Leonhard Reindl, Gerd Scholl,Thomas Ostertag, Holger Scherr, UlrichWolff, and Frank Schmidt:Theory and Application of Passive SAW RadioTransponders as Sensors,IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics andFrequency Control, VOL.45，N0.5，SEPTEMBER1998, PP:1281-1292)中描述了 同時包含三個叉指換能器和兩個磁敏電阻的對稱型延遲線結(jié)構(gòu)SAW器件，運(yùn)用相關(guān)信號處理方法，實現(xiàn)了約為-800A-800A的電流測量測量范圍，測量精度約為5%。上述SAW傳感器由單個器件構(gòu)成，結(jié)構(gòu)相對簡單，利用適當(dāng)?shù)姆治鰴z測方法，可以有效地獲取外界電流產(chǎn)生磁場的強(qiáng)度檢測，具有較好的靈敏度分辨率。此外，SAW電流傳感器因其自身可以實現(xiàn)絕對無源，適宜在高壓高溫等惡劣條件下工作，因此這種SAW無線電流傳感器具有良好的應(yīng)用前景。但是目前應(yīng)用于無線電流傳感器的SAW反射型延遲線相關(guān)結(jié)構(gòu)設(shè)計依然存在較多問題，例如:
[0005]在復(fù)雜環(huán)境中，特別是環(huán)境溫度的劇烈變化(一般在零下45度到100度之間)對電流傳感器穩(wěn)定性的影響巨大，上述常規(guī)的SAW傳感器多采用LiNbO3等高靈敏度高壓電系數(shù)的晶體材料，但是伴隨而來的是很高的溫度系數(shù)(_72ppm/°C )，變化的環(huán)境溫度嚴(yán)重影響到傳感器本身的溫度穩(wěn)定性。
[0006]由于聲波傳播衰減作用，延遲線結(jié)構(gòu)的設(shè)計會影響電流傳感器整體性能。通常延遲線較長的傳播路徑會導(dǎo)致源自各個反射器的反射峰均一性差，并且離源換能器越遠(yuǎn)，反射器能量損耗越大，反射信號信噪比越低，這將直接影響到時域有效信號的提取。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的目的是解決上述的SAW電流傳感器所存在的問題，實現(xiàn)無線無源的SAW電流傳感器，且該無線無源的SAW電流傳感器具有較高的檢測靈敏度和良好的溫度穩(wěn)定性。
[0008]本發(fā)明實施例提供了一種SAW電流傳感器，所述電流傳感器包括:
[0009]壓電基片，作為振動膜，在其上設(shè)置有控制電極寬度單相單向換能器EWC/SPUDT，第一路反射器，第二路反射器，磁敏電阻，薄層膜，并在沿該壓電基片表面的上下邊涂覆的2條導(dǎo)電膜，在所述2條導(dǎo)電膜中間涂覆的第一吸聲膠，在沿壓電基片長邊所述第一吸聲膠的對端涂覆第二吸聲膠；
[0010]所述第一路反射器，包括第一叉指型反射器和第二叉指型反射器，所述第一叉指型反射器用以參考，所述第二叉指型反射器和所述磁敏電阻耦合，用以測量電流；
[0011]所述第二路反射器，用作電子標(biāo)簽，包括第一短路柵反射器、第二短路柵反射器和第三短路柵反射器；
[0012]薄層膜，涂覆在所述EWC/SPUDT、第一叉指型反射器、第二叉指型反射器、第一短路柵反射器、第二短路柵反射器、第三短路柵反射器上；
[0013]通過無線天線接收讀取模塊發(fā)送的第一電磁波信號，通過所述EWC/SPUDT將所述第一電磁波信號轉(zhuǎn)換成沿壓電基片表面?zhèn)鞑サ腟AW,所述SAW被所述第一路反射器、第二路反射器反射后，被所述EWC/SPUDT轉(zhuǎn)換成第二電磁波信號，所述第二電磁波信號通過所述無線天線傳回所述讀取單元，通過信號處理方法，通過獲取所述SAW電流傳感器的時域響應(yīng)的信號變換以進(jìn)行電流檢測。
[0014]優(yōu)選地，所述壓電基片為Y向旋轉(zhuǎn)128°沿X方向傳播的鈮酸鋰基片，其壓電耦合系數(shù)為5.4%，聲傳播速度為3979m/s。
[0015]優(yōu)選地，所述磁敏電阻采用銻化銦材料制成，所述銻化銦在室溫下電子遷移率為78000cm2/V.S，電阻率為 0.005 Ω.cm。
[0016]優(yōu)選地，所述薄層膜采用SiO2制成，并且所述薄層膜采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法PECVD涂覆在所述EWC/SPUDT上。
[0017]優(yōu)選地，所述EWC/SPUDT包括至少2個第一叉指電極對，所述第一叉指電極對包括2個寬度為1/8 λ χ，間距為1/8 λ χ的第一電極，所述第一叉指電極對之間設(shè)置寬度為1/4 λ χ的第一反射電極，且第一反射電極與所述第一叉指電極對的邊緣距離為3/16λχ，其中，λχ為沿聲波傳播方向的聲波波長。[0018]優(yōu)選地，所述第一叉指型反射器和所述第二叉指型反射器中的每一個都包括第二叉指電極對，所述第二叉指電極對包括2個寬度為1/4 λ χ的第二電極，其中，所述第二叉指電極對的個數(shù)，隨著所述第一叉指型反射器和所述第二叉指型反射器與EWC/SPUDT距離的增大而增多。
[0019]優(yōu)選地，所述第一短路柵反射器、第二短路柵反射器和第三短路柵反射器中的每一個包括至少2個1/4 λ χ寬度的第三電極，并且所述第三電極的個數(shù)，隨著所述第一短路柵反射器、第二短路柵反射器和第三短路柵反射器與EWC/SPUDT距離的增大而增多。
[0020]優(yōu)選地，所述第一電極、第二電極和第三電極采用鋁材料制成，所述第一電極、第二電極和第三電極膜厚為λχ，其中，所述λ χ為沿聲波傳播方向的聲波波長。
[0021]優(yōu)選地，所述EWC/SPUDT與所述第一叉指型反射器之間的距離為322.4um。
[0022]優(yōu)選地，所述SAW電流傳感器還包括:阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)；
[0023]所述EWC/SPUDT的輸入端NI，通過所述無線天線的信號端N3，串聯(lián)連接阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)中的第一電感，并聯(lián)連接阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)中的第二電感，該無線天線的接地端與所述EWC/SPUDT的接地端電連接。
[0024]優(yōu)選地，利用
【權(quán)利要求】
1.一種聲表面波SAW電流傳感器，其特征在于，所述SAW電流傳感器包括: 壓電基片(7)，作為振動膜，在其上設(shè)置有控制電極寬度單相單向換能器EWC/SPUDT (8)，第一路反射器，第二路反射器，磁敏電阻(11)，薄層膜(17)，并在沿該壓電基片表面的上下邊涂覆的2條導(dǎo)電膜(6)，在所述2條導(dǎo)電膜(6)中間涂覆的第一吸聲膠(15)，在沿壓電基片長邊所述第一吸聲膠(15)的對端涂覆第二吸聲膠(15’ )； 所述第一路反射器，包括第一叉指型反射器(9)和第二叉指型反射器(10)，所述第一叉指型反射器(9)用以參考，所述第二叉指型反射器(10)和所述磁敏電阻(11)耦合，用以測量電流； 所述第二路反射器，用作電子標(biāo)簽，包括第一短路柵反射器(12)、第二短路柵反射器(13)和第三短路柵反射器(14)； 薄層膜(17)，涂覆在所述EWC/SPUDT(8)、第一叉指型反射器(9)、第二叉指型反射器(10)、第一短路柵反射器(12)、第二短路柵反射器(13)、第三短路柵反射器(14)上； 通過無線天線⑷接收讀取模塊⑶發(fā)送的第一電磁波信號(1)，通過所述EWC/SPUDT (8)將所述第一電磁波信號轉(zhuǎn)換成沿壓電基片(7)表面?zhèn)鞑サ腟AW，所述SAW被所述第一路反射器、第二路反射器反射后，被所述EWC/SPUDT(8)轉(zhuǎn)換成第二電磁波信號(2)，所述第二電磁波信號(2)通過所述無線天線(4)傳回所述讀取單元(3)，通過信號處理方法，通過獲取所述SAW電流傳感器的時域響應(yīng)的信號變換以進(jìn)行電流檢測。
2.如權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于，所述壓電基片(7)為Y向旋轉(zhuǎn)128°沿X方向傳播的鈮酸鋰基片，其壓電耦合系數(shù)為5.4%，聲傳播速度為3979m/s。
3.如權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于，所述磁敏電阻(11)采用銻化銦材料制成，所述銻化銦在室溫下電子遷移率為78000cm2/V.S，電阻率為0.005 Ω.cm。
4.如權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于，所述薄層膜(17)采用SiO2制成，并且所述薄層膜(17)采用等離子體增強(qiáng)化學(xué)氣相沉積法PECVD涂覆在所述EWC/SPUDT(8)上。
5.如權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于，所述EWC/SPUDT(8)包括至少2個第一叉指電極對(31)，所述第一叉指電極對(31)包括2個寬度為1/8 λ χ，間距為1/8 λ χ的第一電極，所述第一叉指電極對(31)之間設(shè)置寬度為第一反射電極(32)，且第一反射電極(32)與所述第一叉指電極對(31)的邊緣距離為3/16λχ，其中，λχ為沿聲波傳播方向的聲波波長。
6.如權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于，所述第一叉指型反射器(9)和所述第二叉指型反射器(10)中的每一個都包括第二叉指電極對(51)，所述第二叉指電極對(51)包括2個寬度為1/4λχ的第二電極，其中，所述第二叉指電極對(51)的個數(shù)，隨著所述第一叉指型反射器(9)和所述第二叉指型反射器(10)與EWC/SPUDT(8)距離的增大而增多。
7.如權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于，所述第一短路柵反射器(12)、第二短路柵反射器(13)和第三短路柵反射器(14)中的每一個包括至少2個1/4入!￡寬度的第三電極(41)，并且所述第三電極(41)的個數(shù)，隨著所述第一短路柵反射器(12)、第二短路柵反射器(13)和第三短路柵反射器(14)與EWC/SPUDT(8)距離的增大而增多。
8.如權(quán)利要求6-8任一項所述的傳感器，其特征在于，所述第一電極、第二電極和第三電極(41)采用鋁材料制成，所述第一電極、第二電極和第三電極(41)膜厚為1%~1.5%λχ，其中，所述λ χ為沿聲波傳播方向的聲波波長。
9.如權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于，所述EWC/SPUDT(8)與所述第一叉指型反射器(9)之間的距離為322.4um。
10.如權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于，所述SAW電流傳感器還包括:阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)(5)； 所述EWC/SPUDT(8)的輸入端(NI)，通過所述無線天線的信號端(N3)，串聯(lián)連接阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)(5)中的第一電感(33)，并聯(lián)連接阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)(5)中的第二電感(34)，該無線天線(4)的接地端(N4)與所述EWC/SPUDT (8)的接地端(N2)電連接。
11.如權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于，利用
【文檔編號】G01R19/00GK103954823SQ201410203648
【公開日】2014年7月30日 申請日期:2014年5月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月14日
【發(fā)明者】王文, 劉鑫璐, 薛蓄峰, 單長鎖 申請人:中國科學(xué)院聲學(xué)研究所, 江蘇聲立傳感技術(shù)有限公司