专利名称：具有提高的温度灵敏度的saw扭矩及温度传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及提高基于SAW的用于测量扭矩和温度两者的传感器的温度灵敏度。
背景技术：
申请人:自己之前的英国专利申请No. 2426336公开了一种非接触式基于SAW的扭 矩和温度传感器，该传感器包括提供在由Y+34°切石英制成的基板上的第一和第二 SAW谐 振器。第一SAW使它的主轴与基板的X轴成+45。倾斜，在使用中，基板的X轴与扭矩待测 量的装置的纵轴对准或者垂直，第二SAW使它的主轴相对基板的X轴成-45。倾斜。第三 SAW当前使它的主轴也相对第一和第二谐振器两者的主轴倾斜一角度。
在GB2426336的图1和图6中所示的第一和第三实施例中，用于扭矩测量的SAW谐 振器M1SAW和M2SAW布置在与用于温度测量的谐振器TSAW(或谐振器T1SAW和T2SAW)相 同的基板上。该基板由Y+34。切石英制成，TSAW(T1SAW和T2SAW)的SAW传播方向与基板 的X轴之间的角度a接近30° ，以便最大化频差Ft对于温度的灵敏度(Ft在T0060中指 定，在第一实施例中它等于M2SAW和TSAW谐振振频率之差)。 在石英基板上的SAW谐振器的图案常常由薄铝膜形成。GB2426336没有提及铝膜 的厚度h，且GB2426336的图3中示出的频差Ft随温度的变化是h = 0时的理论计算。其 对应于大约9KHz广C的平均温度灵敏度。 实际上，铝膜的厚度具有有限值，对于已经可以公开得到的制造好的SAW传感器， 具有h = 260nm的近似铝膜厚度，且M1SAW、 M2SAW、 TSAW的共振频率分别等于437腿z、 435MHz和433MHz 。 由于铝电极和反射带改变石英基板表面的特性，在现有技术的系统中的Ft的实际 温度灵敏度证明仅仅是2. 4KHz广C，比9KHz广C的理论预期值小得多。
发明内容
根据本发明，提供一种非接触式基于SAW的扭矩和温度传感器，包括提供在由 Y+34°切石英(或者就旋转角度而言与其接近)制成的基板上的第一和第二SAW谐振器， 所述第一谐振器的SAW传播方向相对基板的X轴成+45°倾斜，在使用中，该X轴与扭矩 要被测量的装置的纵轴对准或者垂直，且所述第二谐振器的SAW传播方向相对基板的X轴 成-45°倾斜，且进一步，包括第三SAW谐振器，该第三SAW谐振器的SAW传播方向相对基板 的X轴成基本等于30°的角度倾斜，其中，每一个所述SAW谐振器是通过在基板上放置具有 一定厚度(h)的铝膜来形成，且这些SAW谐振器具有使h/A在0.021到0.032的范围内的 平均操作波长入。 根据本发明的传感器的优点是，与现有技术相比，温度灵敏度显著提高。
对于工作在430MHz范围的传感器，铝的厚度则优选在160nm到240nm的范围内。
h/A比的计算使参数标准化，以便应用到任一传感器操作频率，A是MISAW、 M2SAW和TSAW的平均SAW波长。0. 021到0. 032的标准化的铝厚度h/ A的近似范围提供了高达+150°C的Ft的线性温度特性，并且平均灵敏度接近10卯m广C (相对TSAW共振频率) 且Q > 10000。 在有利的改进中，传感器包括第四SAW谐振器，其以与第三SAW的倾斜角度相等但 相反的角度倾斜，第四SAW谐振器由与第三SAW谐振器厚度相同的铝膜形成。第三和第四谐 振器特别有利的是相对基板的X轴对称布置。第三和第四SAW均用于提供温度信息。优选 地，第三和第四SAW相对基板的X轴分别以+a °禾P-a。倾斜，且提供在公共的基板上，该 公共的基板与载有第一和第二 SAW谐振器的基板分开形成，但更优选的是与其整体形成。
为了更好地理解本发明，现在参考附图通过例子描述本发明的几个实施例，附图 中 图1是应用了本发明的第一扭矩和温度传感器的示意图。
图2是应用了本发明的第二扭矩和温度传感器的示意图。
图3是在不同铝厚度(h)下M2SAW和TSAW之间的频差随着温度的变化。
具体实施例方式
首先参照图l，示出了可应用本发明的类型的传感器的图示说明。该传感器包括 由Y+34°切石英制成的基板1 ，基板1上形成有第一 SAW谐振器M1SAW2和第二 SAW谐振器 M2SAW3，这些谐振器相对基板的X轴以声波相对X轴分别以+45。和_45°传播的角度制 成，也就是这两个SAW的主轴分别相对于X轴倾斜+45°和-45° (谐振器的主轴定义成在 谐振器中传播的SAW的相速方向)。这提供了它们的谐振频率f2和^随着温度T的最小变 化、Fm = frf2对扭矩M的最大灵敏度以及此灵敏度随着温度的小变化。第三谐振器TSAW4 以这样的相对于X轴的角度制作在相同的基板上，即，使得该谐振器中的SAW相对X轴以基 本上30度的角度传播。所有这三个谐振器通过基板上的导电迹线或通过接合引线串联或 并联电连接。作为实例，谐振频率可如下选择对于MISAW ^ = 437腿z，对于M2SAW f2 = 435MHz，对于TSAW f3 = 433MHz. 如果石英基板的切割角度稍微不同于34° ，则M1SAW和M2SAW中SAW的传播方向
也可稍微不同于±45° ，以便最小化M1SAW和M2SAW的谐振频率随着温度的变化。 每一个SAW谐振器都是通过在基板上放置铝膜形成，以便形成构成SAW器件的指
状物的带。如图3所示的，已经发现Ft在0扭矩的温度特性随着铝膜厚度而变化。 由图3可以看出，将铝膜厚度减小到260nm之下，显著改善频差Ft对温度的线性
和提高频差Ft对温度的灵敏度。这就允许更精确的温度测量，并因此，在汽车工业中作为
标准接受的_401:到+1251:的整个温度范围内，允许更好的温度补偿。 扭矩测量所需的温度范围经常延伸到+150°C 。如果h = 335nm，则仅仅可以执行
到约+70°C的明确的温度测量。如果h = 263nm，则Ft对温度的曲线在T > +130^变得很
不线性，且温度测量的精度下降。然而，如果h = 200nm， Ft的温度特性直到+150°0仍保持
线性，且灵敏度是h = 260nm时的灵敏度的两倍。 图3或许表明h应该最小化以便进一步增加Ft的温度灵敏度。然而，已经发现， 减小铝膜的厚度到大大低于200nm，会减小铝带的SAW反射，从而降低谐振器的Q因数。在一定程度上，这种降低可以通过增加格栅中反射带的数量来补偿。然而，石英基板的面积通 常受限制，以便最小化传感器的成本。对于固定的4X6mm的基板面积，将铝膜的厚度减小 到低于160nm将会显著地影响工作在430MHz范围的谐振器的Q因数。
因此，160nm到240nm的厚度范围使灵敏度最优。 在使用中，基板1附着到扭矩要被测量的轴或类似物的表面，与在压力监测应用 中产生的单轴应变场相反，该扭矩引起双轴应变场，该双轴应变场(应变的主要分量是相 对基板的X轴沿着±45°的张应变和压縮应变)传到基板上使得三个谐振器都发生应变。
在图1的实施例中，三个SAW都安装在共同的基板上。然而，要理解这不是必须的， 而是如上述引用的现有技术中教导的，它们可以安装在分开的基板上。
图2的传感器示出了可选的布置，这种布置避免了潜在的FT依赖于扭矩的问题。
在此实施例中，传感器制作在单个Y+34°切石英基板20上，但与先前的实施例不 同的是，除两个扭矩感测元件M1SAW 21和M2SAW 22相对X轴成士45。布置外，还有两个 温度感测元件-TI SAW 23和T2SAW 24，它们相对基板的X轴以相等但相反的基本上+/-30 度的角度对称布置且具有谐振频率f4和f3。第一温度元件23具有相对X轴成基本-30度 的SAW传播方向，第二温度元件24具有相对X轴成基本+30度的SAW传播方向。
FM = frf2主要取决于扭矩而测量，FT" = ff厂fff4仅仅取决于温度。采用FT"
的测量值，可以容易地计算温度。另外，F/二 fff4可以被测量，其将主要取决于扭矩，尽管
具有较小的扭矩灵敏度。因此，扭矩同样可以由值FM'计算出，这给我们提供了冗余度从而 增加了扭矩测量的可靠性。 此实施例的缺点是增加的芯片面积、传感器询问时间以及传感器占用的频率范围 更宽。 本发明进一步提供了一种SAW谐振器，其包括基板，该基板上提供有铝膜，该铝膜 的厚度使得操作波长比率h/ A在0. 021到0. 032的范围内。更具体的，对430MHz附近的 操作频率范围，例如428-437MHz，本发明提供了不到260nm，更特别的是不到240nm，优选是 160到240nm范围内的铝膜厚度。
权利要求
一种非接触式基于SAW的扭矩和温度传感器，其包括提供在由Y+基本上34°切石英(即，就旋转角度而言，以Y+34°或与其接近)制成的基板上的第一和第二SAW谐振器，所述第一SAW使它的主轴相对基板的X轴成基本上+45°倾斜，在使用中，基板的X轴与扭矩要被测量的装置的纵轴对准或垂直，且所述第二SAW使它的主轴相对基板的X轴成基本上45°倾斜，且该传感器进一步包括第三SAW，其使得它的主轴相对基板的X轴以基本上等于30°的角度倾斜，其中，每一个所述的SAW谐振器通过在基板上放置具有厚度(h)的铝膜而形成，且所述SAW具有平均操作波长λ，其中比率h/λ在0.021到0.032的范围内。
2. 根据权利要求1所述的非接触式基于SAW的扭矩和温度传感器，其中谐振器以从 428MHz到437MHz的频率范围工作。
3. 根据权利要求2所述的非接触式基于SAW的扭矩和温度传感器，其中铝具有小于 240nm的厚度。
4. 根据权利要求2或3所述的非接触式基于SAW的扭矩和温度传感器，其中铝具有在 160nm到240nm范围内的厚度。
5. —种参照附图基本上如此处所描述的非接触式基于SAW的扭矩和温度传感器。
全文摘要
一种非接触式基于SAW的扭矩和温度传感器，包括提供在由Y+34°切石英制成的基板上的第一(2)和第二(3)SAW谐振器。第一SAW谐振器(2)使它的主轴相对基板的X轴成+45°倾斜，在使用中，基板的X轴与扭矩被测量的装置的纵轴对准或垂直，第二SAW(3)使它的主轴相对基板的X轴成-45°倾斜。第三SAW(4)使它的主轴相对基板的X轴以30°的角度倾斜。每一个所述的SAW谐振器(2，3，4)都是通过在基板上放置具有厚度(h)的铝膜而形成，且SAW谐振器具有平均操作波长λ，其中比率h/λ在0.021到0.032的范围内。
文档编号G01L1/00GK101772695SQ200880020267
公开日2010年7月7日 申请日期2008年3月19日 优先权日2007年6月15日
发明者V·A·卡利宁 申请人:传感技术有限公司