[发明专利]表面横波压力和温度传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种传感器技术领域的装置，具体的是一种表面横波压力和温度传感器。

背景技术

高速公路汽车爆胎易引起的重大交通事故，倘若轮胎的内压过低，则轮胎变形，轮胎的下沉量增大，因此由于摩擦的增加，使得胎温急剧升高，从而导致轮胎变软，强度下降。此外，过热状态会加速子午胎钢丝与橡胶的老化和变形，甚至造成轮胎内部断裂。这些因素都可能产生爆胎事故。在汽车行驶之中，由于轮胎变形，会使得胎肩磨损加剧，出现不规则的磨损。另外，由于轮胎与地面的摩擦力增大，导致行驶阻力增加，造成燃料消耗增加。

当轮胎气压不正常行驶时，油耗的增加必然会引起废气排放的增加，这对环境也是一种污染。据资料报导，轮胎缺气行驶时，当气压从正常值下降10％时，其轮胎寿命将减少15％；如果气压低于正常值0.21KPa，那么油耗将增加1.5％。倘若轮胎气压过高，则将使轮胎伸张变形，胎体弹性降低，汽车在道路上行驶时所受到的动负荷也增大。此时若遇到机械冲击，则会产生内裂或爆胎。如果轮胎的压力过高，那么轮胎的接地面积减少，从而胎冠中部将会很快磨损，这样也会造成轮胎冠部的爆破。

不久前问世的“智能轮胎”能够实时地监测轮胎压力、温度等参数，可以对轮胎爆裂提前预警，避免意外灾难的发生，同时可以有效地改进车辆的可操纵性、节省燃油、延长轮胎的使用寿命和提高车辆的舒适性。声表面波压力-温度传感器的稳定性高、频率信号输出，能够采用无线询问式工作，在轮胎中可以勿需安装电源，是“智能轮胎”之中的佼佼者。

智能轮胎压力传感器的技术先进，但是存在下述缺点：SAW智能轮胎压力传感器几乎全部采用瑞利波模式工作，其缺点是Q值(品质因数)不高，对晶片表面的缺陷(划痕、孪晶、气孔)很敏感，耐表面污染(灰尘、油污、水气)能力差，老化特性欠佳；力传导机构以及弹性元件都是采用水晶杯结构，不仅量程窄，而且压力灵敏度低，水晶杯的膜片厚度很难加工均匀，从而导致膜片的应变分布不对称，线性特性不良，压力过载能力差，一致性欠佳；压力——力转换器和力的传递结构全都是采用压力传感器的金属封装盒和盒上的凸起结构，金属盒盖凸起结构的弹性系数和温度系数与弹性元件体和敏感装置(皆采用石英晶体材料)的弹性系数和温度系数通常并不相等，它们之间的不匹配往往会产生“导力介质和弹性介质之间的滑移”以及“在敏感装置内出现热应力”。

通过对现有技术文献进行检索发现，中国发明专利200810200032.0，名称：“采用复合模的声表面波压力传感器”，该技术采用掠面体波模式和具有盲孔的圆筒形导力筒的新式悬臂梁结构，针对上述问题做了较大的改进，但是应用于无线“智能轮胎”的压力和温度测量时，压力传感器的外形尺寸大，厚度较厚。而顶针与敏感片连接区的结合力以及热应力影响了压力传感器的一致性。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种表面横波压力和温度传感器，缩小了传感器体积，解决传感器悬臂梁支点结构的精确性以及降低由于顶针与敏感片连接区的结合力对压力传感器的影响等问题，增加压力灵敏度和应变分布的均匀性，减少或隔离接合区的热应力，增大传感器耐机械振动和冲击的能力及耐疲劳特性，提高准确度，改善稳定性和一致性。

本发明是通过如下技术方案实现的，本发明包括：金属底座、管帽、玻璃膜片、玻璃圆环、石英晶体悬臂梁、谐振式表面横波力敏元件、石英晶体片和谐振式表面横波温敏元件，金属底座上设有玻璃圆环，玻璃圆环与金属底座的压力入口同心，玻璃圆环上设置玻璃膜片，玻璃膜片的上表面共有三枚突起结构，在一枚边缘凸起和中间凸起上载有石英晶体悬臂梁，中间凸起与石英晶体悬臂梁的距离为零，石英晶体悬臂梁的上表面光刻有谐振式表面横波力敏元件，在另一枚边缘凸起上载有石英晶体片，该晶体片上光刻有谐振式表面横波温敏元件。金属底座、管帽、玻璃圆环和玻璃膜片构成了一个气密性容器。

所述的金属底座上有三枚柯伐合金管脚，其中二枚与金属底座绝缘，分别与谐振式表面横波力敏元件和谐振式表面横波温敏元件的一个端子相连，余下的一枚与金属底座相连。

所述的石英晶体悬臂梁下表面设有一个凹槽，该凹槽与上表面的谐振式表面横波力敏元件相对应，中心线与石英晶体悬臂梁横向成90度角。

在石英晶体悬臂梁顶端区域与中间凸起相接触的区域，设有与石英晶体悬臂梁表面垂直的通孔。

所述中间凸起呈针状，直径为0.5mm～1mm，两个边缘凸起直径为4mm～8mm。

所述的石英晶体悬臂梁为BT切石英晶体，石英晶体悬臂梁呈等腰梯形，其上、下表面经过光学研磨和抛光。