一种用于地下管线的声表面波压力传感标签

摘要

本发明公开一种用于地下管线的声表面波压力传感标签，该传感标签包括标签芯片、标签天线和设置在标签芯片外部的标签外壳，所述标签芯片包括压电基片、沉积在压电基片上的叉指换能器和反射栅。所述压电基片由压电单晶体构成。所述叉指换能器采用双向叉指换能器。这种用于地下管线的声表面波压力传感标签具有无源无线、设别距离远、抗干扰能力强和适用于恶劣环境的优点。

说明书

技术领域

本发明涉及一种压力传感器标签，特别是涉及一种用于地下管线的声表面 波压力传感标签。

背景技术

目前，在我国现代化建设中，随着水、电力、煤气等行业，特别是通信线 路的不断发展，越来越多的管线被埋置在地下，然而随着时间的变化及一些人 为因素，将使原先地上标识所指明的地下管线与图纸发生一些变化，这样会给 维护人员带来诸多不便，特别是在某些重要地段，比如交通要道，沙漠地区等， 仅凭借图纸和经验是很难判断路由的。同时，随着地下管道的复杂化、多元化， 以及工程施工的不规范操作，使得管道误挖造成的事故频繁发生，严重影响了 人民的正常生活和人身财产安全，因此，实现对地下管线标识和定位显得尤为 必要。

在对物体进行远距离标识和识别的技术中，主流的技术是无线射频识别技 术(Radio Frequency Identification，RFID)，一般RFID系统包括阅读器和 射频标签两部分。射频标签通常采用的是传统的IC标签，使用的制作工艺是 普通的CMOS工艺，其工作频率可以分为低频（30kHz-300kHz）、中高频 （3MHz-30MHz）和超高频（300MHz-3GHz）。其中，低频和中高频标签一般为无 源标签，其工作能量通过电感耦合方式从阅读器耦合线圈的辐射近场中获得。 低频和中高频标签与阅读器之间传送数据时，需位于阅读器天线辐射的近场区 内。低频和中高频标签的阅读距离很近，一般情况下小于1米。超高频射频标 签中，无源标签的识别距离一般大于1m，典型情况为4-6m，但是其抗干扰能 力差，穿透性不强，不适用于地下的复杂环境。

另外，需要对地下管线的运行状态进行实时监测，以便及时发现管线泄漏， 第一时间采取抢救措施，最大限度地减小损失。地下管线主要监测的参数有： 压力、温度等。其中，压力参数监测非常重要，因为地下管线一旦泄漏，压力 参数就会出现异常。但是，目前常用的压力传感器大多数都是有源的。有源传 感器一般采用电池提供电源，会产生一些弊端：用于地下管线时会污染土壤和 水；当气温很低时，电池容量就会减少，导致可靠性不稳定。

因此，很有必要设计一种适用于地下管线的射频识别和压力传感标签。

发明内容

针对以上现有技术的不足，本发明目的在于提供一种用于地下管线的声表 面波(Surface Acoustic Wave,SAW)压力传感标签，以解决目前传统的IC标 签识别距离近、抗干扰能力差和有源压力传感器电池污染环境等问题。

本发明采用下述技术方案：

一种用于地下管线的声表面波压力传感标签，该传感标签包括标签芯片、 标签天线和设置在标签芯片外部的标签外壳，所述标签芯片包括压电基片、沉 积在压电基片上的叉指换能器和反射栅。

所述压电基片由压电单晶体构成。

所述叉指换能器采用双向叉指换能器。

所述叉指换能器和反射栅由金属铝制成。

所述反射栅包括第一、第二压力反射栅和标识反射栅，所述第一、第二 压力反射栅到叉指换能器中心的距离相等。

本发明的有益效果如下：

这种用于地下管线的新型声表面波压力传感标签具有无源无线、设别距离 远、抗干扰能力强和适用于恶劣环境的优点。

附图说明

图1为声表面波压力传感标签结构示意图；

图2为叉指换能器IDT结构图；

图3为标签天线的结构图；

图4为声表面波压力传感标签的截面结构图；

图5为声表面波标签的制作流程图；

图6为声表面波射频识别传感系统工作原理图；

图7为阅读器结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行详细的说明。

图1为声表面波压力传感标签的结构示意图，声表面波压力传感标签由压 电基片1、叉指换能器2、压力反射栅3、压力反射栅4、标识反射栅5、标签 天线6和标签外壳7组成。其中，压力反射栅3和4到IDT中心的距离相等， 当没有给标签施加压力时，3和4产生的回波信号之间没有时间差；当给压力 反射栅3施加压力时，声表面波在3下面的压电基片上传播的速度就会改变， 3和4产生的回波信号之间就有时间差，时间差的大小和所承受的压力大小有 关系，通过测量3和4产生回波信号之间的时间差就可以检测出标签承受的压 力。标识反射栅5包含一系列反射栅，通过改变反射栅的个数和位置可以改变 标签的编码，每个压力传感标签对应一个唯一的编码。

压电基片1是由压电材料构成，通过压电效应产生声表面波。本实施例中 压电基片选用压电单晶体YZ-LiNbO3。

叉指换能器2是SAW叉指换能器，是在压电基片表面制作的形状像手指交 叉的金属图案，其作用是激发和接收声表面波SAW(Surface Acoustic Wave, SAW)，完成电声、声电的能量转换。叉指换能器IDT结构如图2所示。叉指周 期P=2(a+b)，其中，a是叉指宽度；b是叉指间距；W是孔径，指相邻两指间 相互重叠部分的长度。当外加电信号频率等于换能器的特征频率时，每对叉指 激发的波相位相同，IDT的激发效率最高。

本实施例中IDT可以是一个双向叉指换能器，产生的声表面波分别向叉指 换能器左右两个方向传播。其叉指宽度与叉指间距相等，叉指声孔径W为常数。 作为SAW的激发和接收换能器，它的特征频率、带宽和SAW强度由其结构决定。

本实施例设计的反射栅是由金属电极构成，一共有三组，一组标识反射栅 5和两组压力反射栅3,4，两组压力反射栅分别放置在IDT两边，有效地利用 产生的声波能量。

由于SAW在压电基片上传播时不易受到外界的干扰，因此SAW压力传感标 签能在恶劣环境下使用，比如地下、液体和金属环境。SAW压力传感标签中压 电基片消耗的信号能量比集成电路少得多，在恶劣环境下，SAW信号的能量衰 减要小得多，相比于IC标签，SAW压力传感标签能克服金属和液体的衰减效应。

SAW压力传感标签中反射栅的位置和脉冲回波时间有着精确的比例关系， 因而可以对反射栅的位置进行精确设计来控制脉冲回波时间。SAW压力传感标 签的编码是由其结构决定的，其结构在制作时就确定了，每个标签的编码是无 法篡改的，因此SAW压力传感标签有很高的安全性能。

图3是标签天线的结构图，本实施例采用的是微带贴片天线，10为馈线部 分，11为介质基板，因此具有制造简单、辐射能力强和成本低等优点。

图4是声表面波压力传感标签的截面结构图，如图所示：12为标签外壳， 用于保护标签天线和标签芯片；13为微带贴片天线；14为引线，用于将IDT 引出连接到天线；15为标签芯片的封装，用于形成密闭空间，对标签芯片进行 保护；16为标签封装形成的密封腔体，具有恒定的参考压力；17为外界压力 作用口，外界压力可为自来水液体介质或者天然气气体介质；18为设在压电基 片上的膜片，外界压力通过膜片作用于压电基片20形成的悬臂梁右端，进而 将外界的压力变化通过压电基片上的形变体现出来；19为粘结剂，用于将压电 基片的左半部分粘接在封装上，起到固位的作用，并且左半部分的标识反射栅 用来进行编码，通过这样的设计可以使SAW在压电基片左半部分表面传播时不 受外界压力变化的影响，压电基片形成一个悬臂梁结构。膜片内外的压力差使 膜片产生一定的线性形变，形变又会作用在压电基片形成的悬臂梁结构，使压 电基片产生形变，改变声表面波传播的波速，进而改变回波信号的时延。最终 可以通过测量回波信号的时延得到压力信息。

标签芯片的制作过程包括基片制作、金属膜制作、涂光刻胶、掩模板制作、 曝光显影、和腐蚀去胶等工序，制作过程如图5所示。

压电基片材料选择压电单晶YZ-LiNbO3，为保证压电基片切割方向的精度， 用X光定向机确定晶体切割方向。切割得到的基片表面十分粗糙，无法直接用 来制作标签，需要用金刚砂对基片表面进行研磨，再进行抛光以达到要求的光 滑度，最后进行清洗。经过这一系列处理的压电基片才可以用于制作SAW压力 传感标签。

基片准备好后，需要在铌酸锂基片上镀一层金属膜，这里选用真空蒸发的 方法制作金属膜。一般要求金属薄膜均匀、导电性好，并且与基片结合牢固， 金属膜材料一般选用铝，因为铝导电率高、化学性能稳定、并且比较便宜。

这里采用的光刻胶需要满足这些条件：粘附力强、稳定性高、耐腐蚀。为 了在面积很小的基片表面上均匀地涂覆光刻胶，这里采用旋转涂覆法。

按照要求计算出标签的各种参数，比如IDT指宽、指条间隙、叉指对数、 声孔径，反射栅指宽、指条间隙、孔径等，用L-Edit软件绘制出标签芯片的 IDT和反射栅图形，制作出图形底片，此底片经过处理后成为掩膜板，这里的 掩模板是采用蚀刻法制成的硬质掩膜板。

曝光是使用紫外光在掩膜板上方进行照射，曝光时要求曝光量适当，胶厚 或者掩膜与基片的接触紧密。将曝光后的图形放入显影溶剂中，曝光部分的光 刻胶显影后会溶于显影溶剂被去除，剩下的胶膜会形成一个和掩膜板一样的图 形。胶膜图形覆盖在金属膜表面，负责保护下面的金属膜。胶膜显影漂洗后会 膨胀、软化，需要进行坚膜处理，目的是增加胶膜的粘附力和耐腐蚀性。

把该基片浸入到一种金属腐蚀溶液中，腐蚀掉未被保护的金属膜，受保护 的金属膜会留下来，用有机溶剂（如酒精、丙酮）溶解完光刻胶，这样就可以 得到沉积在压电基片上的IDT和反射栅。

图6是由压力传感标签8和声表面波阅读器9组成的声表面波射频识别传 感系统工作原理图，压力传感标签8和阅读器9之间通过无线射频信号进行通 信。通信模块10实现阅读器跟控制中心、其他设备之间的通信。

系统工作时，阅读器发射高频查询脉冲由标签天线接收传输到叉指换能器 (Interdigital Transducer,IDT)，IDT通过逆压电效应把电信号转换成SAW 信号。SAW在基片表面传播时会碰到三组由细长金属条组成的反射栅，产生反 射和透射，形成三组由声波组成的反射回波，声波的个数和时间延迟对应着反 射栅个数和放置位置，第一组和第二组反射之间的回波时间差包含着检测到的 压力信息，第三组反射回波包含着编码信息。反射回波由IDT通过正压电效应 转换成脉冲回波信号经标签天线发射给阅读器。SAW压力传感标签通过第一组 和第二组反射栅测量压力，压力大小不同，两组反射栅产生的反射回波之间的 时间差就不同；通过第三组反射栅个数和放置位置进行编码，编码不同，产生 的回波信号也就不同。阅读器可以通过接收和处理回波信号来读取标签的传感 信息和编码信息。

如图7为所述阅读器结构示意图，所述阅读器由主控板73、显示屏74、 阅读器天线75、电源76和阅读器外壳77组成。其中，主控板73由射频模块 78、信号处理模块79和通信模块70组成。所述射频模块包括发射模块，接收 模块和收发隔离装置。所述发射模块又进一步包括信号产生单元和信号放大单 元。所述接收模块进一步包括滤波器、放大器、混频器和采样器。阅读器天线 75用于实现声表面波传感标签和阅读器的无线通讯。

阅读器工作时，射频模块中的的发射模块通过信号产生单元产生固定频率 的信号，经过信号放大单元放大后由阅读器天线发射出去；发射信号由声表面 波传感标签接收后返回回波信号，回波信号由阅读器天线接收传输给接收模 块，并由接收模块中的滤波器滤波、放大器放大、混频器混频和采样器采样后 传输给信号处理模块处理；因为射频信号的发射和接收都使用同一个阅读器天 线，发射信号和接收信号之间会产生相互干扰，所以采用收发隔离装置对发射 信号和接收信号进行隔离。对于接收模块传输来的射频信号，传输给信号处理 模块。信号处理模块采用DSP和FPGA对接收模块传来的数字信号进行处理， 提取特征值，得到编码信息和传感信息。显然，本发明的上述实施例仅仅是为 清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所 属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的 变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方 案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。