[发明专利]耐高温无线MEMS温度传感系统

说明书

技术领域

本发明涉及传感技术领域，尤其涉及一种耐高温无线MEMS温度传感系统。

背景技术

实现对燃气轮机、喷气发动机、坦克和舰船发动机、风洞、航天器、核反应堆、油井等高温恶劣环境下温度的实时监测，是提高效率和故障诊断的重要一环。耐高温传感系统的研究不仅意义重大且需求迫切，是测控技术发展的重点方向和难点内容之一。耐高温传感系统主要涉及以下三个方面问题：1)耐高温材料；2)材料的成型加工技术(能否与MEMS工艺兼容)；3)基于新原理的传感器结构设计。

当前最成熟的高温测温技术是热电偶技术，但其存在固有缺点：一是热电偶为有线测量，输出信号弱且容易被共模噪声干扰；二是热电偶长期工作在高温环境下会有很大的漂移，测温精度低；三是热电偶对腐蚀剂敏感，寿命短。

目前所采用的传感系统主要是光纤形式，但需要对纤维线和纤维头进行特别的封装保护，高温下封装和纤维材料的热膨胀系数不匹配容易导致传感器失效。此外，由于涉及光路设计且信号处理部分复杂，致使系统整体复杂程度高，集成性差。目前为止，光纤传感系统均是有线测量，不能实现高温环境下温度的长期实时测量。有线测量在高温等恶劣环境下的适应性有一定局限，在高温环境下面临着严重的高温失效问题。而有源传感器也有两大固有缺点：一是由于依赖电源，有源传感器在长期的使用过程中必须定期维护、更换电池，导致其使用寿命有限、体积较大；二是由于固体锂电池等电池受电化学过程的限制，在高温下会出现严重的性能下降，而内置信号处理电路一般为硅基的，硅基电路在无冷却的情况下最高工作温度为150℃，从而使得有源传感器很难适应高温等恶劣环境。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

为此，本发明的目的在于提出一种无源、无线、耐高温、体积小、能够实时测量的MEMS温度传感系统。

为了实现上述目的，本发明的实施例中提出一种耐高温无线MEMS温度传感系统，包括：无线问询单元，用于发送/接收电磁波信号，测量、存储和处理温度数据，并将所述温度数据作为最终传感信号；声表面波谐振装置，所述声表面波谐振装置用于接收来自所述无线问询单元的所述电磁波信号，并将所述电磁波信号转换为声表面波后，再次将所述声表面波转换为新的电磁波信号，以及将所述新的电磁波信号反馈给所述无线问询单元；显示装置，用于接收并显示来自所述无线问询单元的温度测量结果。

根据本发明实施例的耐高温无线MEMS温度传感系统，声表面波谐振装置安装在高温区域，无线问询单元和显示装置安装在低温区域。无线问询单元将电磁波信号发送给声表面波谐振装置，通过声表面波谐振装置的叉指换能器的逆压电效应在压电薄膜表面激活一个声表面波。声表面波沿压电薄膜传播，被左右两个周期性反射栅反射形成谐振，其谐振频率与压电薄膜温度有关。然后声表面波谐振装置的叉指换能器再通过压电效应将声表面波变换成新的电磁波信号发送给无线问询单元后，无线问询单元通过处理将最终处理结果通过无线传输的方式发送至显示装置显示。本发明的耐高温无线MEMS温度传感系统具有耐高温、无源、无线、能够实时测量的优点。

在一些示例中，所述声表面波谐振装置具体包括：基底，所述基底由耐高温材料制成；两个反射栅，所述反射栅设置在所述基底的上表面上且所述两个反射栅隔开；叉指换能器，所述叉指换能器设置在所述基底的上表面上且位于所述两个反射栅之间；小型天线，所述小型天线设置在所述基底的上表面上，所述小型天线与所述叉指换能器相连，用于接收和发送电磁波信号；以及压电薄膜，所述压电薄膜设置在所述耐高温基底的上表面上，其中，所述两个反射栅、所述叉指换能器和所述小型天线位于所述基底和所述压电薄膜之间。

在一些示例中，所述耐高温材料为碳化硅。

在一些示例中，所述压电薄膜为氮化铝压电薄膜。

在一些示例中，所述叉指换能器为金属叉指换能器。

在一些示例中，所述反射栅为金属反射栅。

在一些示例中，由所述声表面波谐振装置的谐振频率、所述叉指换能器的叉指间距和所述声表面波的传播速度确定所述叉指换能器的电极和所述反射栅的宽度。

在一些示例中，所述无线问询单元包括：核心处理器；直接数字频率合成器，所述直接数字频率合成器与所述核心处理器相连；发射器，所述发射器与所述直接数字频率合成器相连；双工器，所述双工器与所述发射器相连；接收器，所述接收器与所述双工器相连；探测器，所述探测器分别与所述接收器和所述核心处理器相连；天线，用于发送和接收电磁波信号。