[發(fā)明專利]耐高溫?zé)o線MEMS溫度傳感系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410426020.5
• 申請日: 2014-08-26
• 公開（公告）號: CN104198060B
• 公開（公告）日: 2017-01-18
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 尤政;王偉忠;阮勇;陳碩
• 申請（專利權(quán)）人: 清華大學(xué)
• 主分類號: G01K1/02
• 分類號: G01K1/02;G01K7/32
• 代理公司: 北京清亦華知識產(chǎn)權(quán)代理事務(wù)所(普通合伙)11201
• 代理人: 張大威

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及傳感技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種耐高溫?zé)o線MEMS溫度傳感系統(tǒng)。

背景技術(shù)

實(shí)現(xiàn)對燃?xì)廨啓C(jī)、噴氣發(fā)動機(jī)、坦克和艦船發(fā)動機(jī)、風(fēng)洞、航天器、核反應(yīng)堆、油井等高溫惡劣環(huán)境下溫度的實(shí)時監(jiān)測，是提高效率和故障診斷的重要一環(huán)。耐高溫傳感系統(tǒng)的研究不僅意義重大且需求迫切，是測控技術(shù)發(fā)展的重點(diǎn)方向和難點(diǎn)內(nèi)容之一。耐高溫傳感系統(tǒng)主要涉及以下三個方面問題：1)耐高溫材料；2)材料的成型加工技術(shù)(能否與MEMS工藝兼容)；3)基于新原理的傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

當(dāng)前最成熟的高溫測溫技術(shù)是熱電偶技術(shù)，但其存在固有缺點(diǎn)：一是熱電偶為有線測量，輸出信號弱且容易被共模噪聲干擾；二是熱電偶長期工作在高溫環(huán)境下會有很大的漂移，測溫精度低；三是熱電偶對腐蝕劑敏感，壽命短。

目前所采用的傳感系統(tǒng)主要是光纖形式，但需要對纖維線和纖維頭進(jìn)行特別的封裝保護(hù)，高溫下封裝和纖維材料的熱膨脹系數(shù)不匹配容易導(dǎo)致傳感器失效。此外，由于涉及光路設(shè)計(jì)且信號處理部分復(fù)雜，致使系統(tǒng)整體復(fù)雜程度高，集成性差。目前為止，光纖傳感系統(tǒng)均是有線測量，不能實(shí)現(xiàn)高溫環(huán)境下溫度的長期實(shí)時測量。有線測量在高溫等惡劣環(huán)境下的適應(yīng)性有一定局限，在高溫環(huán)境下面臨著嚴(yán)重的高溫失效問題。而有源傳感器也有兩大固有缺點(diǎn)：一是由于依賴電源，有源傳感器在長期的使用過程中必須定期維護(hù)、更換電池，導(dǎo)致其使用壽命有限、體積較大；二是由于固體鋰電池等電池受電化學(xué)過程的限制，在高溫下會出現(xiàn)嚴(yán)重的性能下降，而內(nèi)置信號處理電路一般為硅基的，硅基電路在無冷卻的情況下最高工作溫度為150℃，從而使得有源傳感器很難適應(yīng)高溫等惡劣環(huán)境。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明旨在至少在一定程度上解決相關(guān)技術(shù)中的技術(shù)問題之一。

為此，本發(fā)明的目的在于提出一種無源、無線、耐高溫、體積小、能夠?qū)崟r測量的MEMS溫度傳感系統(tǒng)。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的實(shí)施例中提出一種耐高溫?zé)o線MEMS溫度傳感系統(tǒng)，包括：無線問詢單元，用于發(fā)送/接收電磁波信號，測量、存儲和處理溫度數(shù)據(jù)，并將所述溫度數(shù)據(jù)作為最終傳感信號；聲表面波諧振裝置，所述聲表面波諧振裝置用于接收來自所述無線問詢單元的所述電磁波信號，并將所述電磁波信號轉(zhuǎn)換為聲表面波后，再次將所述聲表面波轉(zhuǎn)換為新的電磁波信號，以及將所述新的電磁波信號反饋給所述無線問詢單元；顯示裝置，用于接收并顯示來自所述無線問詢單元的溫度測量結(jié)果。

根據(jù)本發(fā)明實(shí)施例的耐高溫?zé)o線MEMS溫度傳感系統(tǒng)，聲表面波諧振裝置安裝在高溫區(qū)域，無線問詢單元和顯示裝置安裝在低溫區(qū)域。無線問詢單元將電磁波信號發(fā)送給聲表面波諧振裝置，通過聲表面波諧振裝置的叉指換能器的逆壓電效應(yīng)在壓電薄膜表面激活一個聲表面波。聲表面波沿壓電薄膜傳播，被左右兩個周期性反射柵反射形成諧振，其諧振頻率與壓電薄膜溫度有關(guān)。然后聲表面波諧振裝置的叉指換能器再通過壓電效應(yīng)將聲表面波變換成新的電磁波信號發(fā)送給無線問詢單元后，無線問詢單元通過處理將最終處理結(jié)果通過無線傳輸?shù)姆绞桨l(fā)送至顯示裝置顯示。本發(fā)明的耐高溫?zé)o線MEMS溫度傳感系統(tǒng)具有耐高溫、無源、無線、能夠?qū)崟r測量的優(yōu)點(diǎn)。

在一些示例中，所述聲表面波諧振裝置具體包括：基底，所述基底由耐高溫材料制成；兩個反射柵，所述反射柵設(shè)置在所述基底的上表面上且所述兩個反射柵隔開；叉指換能器，所述叉指換能器設(shè)置在所述基底的上表面上且位于所述兩個反射柵之間；小型天線，所述小型天線設(shè)置在所述基底的上表面上，所述小型天線與所述叉指換能器相連，用于接收和發(fā)送電磁波信號；以及壓電薄膜，所述壓電薄膜設(shè)置在所述耐高溫基底的上表面上，其中，所述兩個反射柵、所述叉指換能器和所述小型天線位于所述基底和所述壓電薄膜之間。

在一些示例中，所述耐高溫材料為碳化硅。

在一些示例中，所述壓電薄膜為氮化鋁壓電薄膜。

在一些示例中，所述叉指換能器為金屬叉指換能器。

在一些示例中，所述反射柵為金屬反射柵。

在一些示例中，由所述聲表面波諧振裝置的諧振頻率、所述叉指換能器的叉指間距和所述聲表面波的傳播速度確定所述叉指換能器的電極和所述反射柵的寬度。

在一些示例中，所述無線問詢單元包括：核心處理器；直接數(shù)字頻率合成器，所述直接數(shù)字頻率合成器與所述核心處理器相連；發(fā)射器，所述發(fā)射器與所述直接數(shù)字頻率合成器相連；雙工器，所述雙工器與所述發(fā)射器相連；接收器，所述接收器與所述雙工器相連；探測器，所述探測器分別與所述接收器和所述核心處理器相連；天線，用于發(fā)送和接收電磁波信號。