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CN101208814A - 用于高压环境的电声传感器 - Google Patents

用于高压环境的电声传感器 Download PDF

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CN101208814A
CN101208814A CNA2006800226904A CN200680022690A CN101208814A CN 101208814 A CN101208814 A CN 101208814A CN A2006800226904 A CNA2006800226904 A CN A2006800226904A CN 200680022690 A CN200680022690 A CN 200680022690A CN 101208814 A CN101208814 A CN 101208814A
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sensor
composite
electrode
transducer
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CNA2006800226904A
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杰弗里·C·安德烈
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Dover Electronics Inc
Original Assignee
Dover Electronics Inc
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Abstract

提供了一种适于在高环境压力下工作的复合声波器件(AWD)。所述AWD包括两块呈背对背关系的压电板，其中电极设置在所述板之间。所述板被结合在一起，从而抵消外部压力的效应。还公开了利用所述AWD的传感器以及在高压环境下利用这样的AWD进行物理测量的方法。形成于所述压电板之间的可选的腔提供了测量所述压力的能力，并且进一步消除所述压力对测量精度的残余效应。

Description

用于高压环境的电声传感器
技术领域
本发明总地涉及电声传感器，并且更具体地，涉及能够工作在高压环境中的电声传感器。
发明背景
压电传感器是公知的。它们被用于检测材料属性(诸如粘度和密度)，用于检查环境中某些材料的存在，用于测量流体物质的纯度等等。已知用于声学传感的构造(structure)涵盖简单的晶体谐振器、晶体滤波器、声板波器件、兰姆波(Lamb wave)器件和其他器件。简言之，这些设备包括诸如石英、兰克赛(langasite)或铌酸锂的压电材料衬底，或者在非压电衬底上的诸如氮化铝、氧化锌或硫化镉的压电材料薄膜。所述衬底具有至少一个高度抛光的有源(active)压电表面区域。形成在该表面上的是输入和输出换能器(transducer)，用于在衬底内将输入电能转换为声能以及将所述声能重新转换为电输出信号的目的。这些换能器可以由平行板(体波(bulk wave))换能器或周期性叉指型(表面生成波)换能器构成。注意到单个换能器可以既充当输入换能器又充当输出换能器。
前述的每一种传感器可以被设计为在完全浸没在流体中时进行工作。然而，敏感的电子装置则最少要经受噪声信号和读取误差，并且极端来说要经受腐蚀或者甚至爆炸性危险。电子装置表面的钝化是公知的，并且在一些受限应用中是适合的，如针对勒夫波(LoveWave)和表面横波(STW)传感器所看到的，并且这些例如在R.L.Baer、C.A.Flory、M.Tom-Moy和D.S.Solomon的“STW Chemical Sensors(STW化学传感器)”(Proc.1992Ultrasonics Symp.，第293-298页(1991年))中描述。然而，钝化是不完全的，并且电路的电气部件仍旧暴露给电容性负载和噪声注入(noise injection)。此外，大多数钝化方法需要使用与单晶材料相比具有差的声学特性的材料。最后，对于很多液相测量来说，这些钝化的STW传感器显示出不期望的高剪切率(shear rate)。尽管这样的传感器可能解决很多传感器应用问题，但是例如在产油环境、尤其是井下环境中测量流体时，它们并非是理想的。
在多数应用中，与换能器向对的表面与正被测量的流体直接或间接接触，并且作为到其或来自其的声能的界面(interface)。除了界面功能外，压电材料在流体和包含传感器的电气部件的腔之间形成保护膜(membrane)。由于压电材料后面的体积(volume)通常未被加压到与流体相同的水平，所以压电材料暴露给流体和腔内压力的压力差。因此，有限的材料强度限制传感器所可以暴露的工作压力。即使所述材料的强度足以耐受所述压力，对具有膜弯曲的传感器(sensor of membrane flexure)的非线性效应也将严重地影响传
另一方面，很多技术领域可以受益于以对压力变化具有低敏感度的方式或者在高压力水平测量流体。这些技术的例子以非限制性实施例的方式包括燃气生产、油井和油管、液压系统、注模装备、用于检查生物和化学物质的反恐检查系统，等等。因此，在产业中对于这样的电声传感器存在长期感觉到并且至今未解决的需求，所述电声传感器能够以对压力变化具有低敏感度的方式工作，和/或能够工作在高周围压力的环境中。本发明涉及对该需求的解决方案。
发明内容
因此，本发明的目标在于提供一种传感器，其中探测器(probe)可以被浸没以经历等压压力。这样的传感器将经历仅仅因为压电材料的非线性弹性常数而非更突出的压电板的挠曲所产生的大大降低的压力效应。此外，在本发明的某些方面，目标在于保护传感器电结构免受潜在地可能腐蚀性或危害性的被测流体的影响，即使当所述流体处于高压时。进一步的目标在于保护所述电结构而无需采用如在检测环境和低压腔之间的隔膜(diaphragm)的传感器元件。
为此，提供了用于压电传感器的衬底，所述衬底由两种基本上等同的衬底的复合物构成。所述复合衬底提供自钝化探测器，其中有源电连接和压电传感器的电极位于复合衬底的中线或靠近所述中线，并且外表面或者接地或者在电气上是无源的。
本领域技术人员将认识到术语电极可以指地电极、换能器(尤其是在主动驱动或被驱动电极的情况下)，或者在压电晶体中产生或反射扰动(perturbation)的其他结构。
因此，在本发明的一个方面，提供了一种复合声波器件(AWD)，包括第一和第二压电板，每块所述压电板具有内表面和外表面，其中所述板的所述内表面呈面对面取向。至少一个第一电极设置在所述第一和第二压电板各自的内表面之间，并且所述复合声波器件包括至少一个返回电极(return electrode)。在某些实施方案中，所述返回电极设置在所述外表面的至少一个上。在更优选的实施方案中，除了所述返回电极之外，额外的第二电极还被设置在所述第一和第二压电板之间，然而在一些实施方案中所述第二电极为所述返回电极。
优选地，所述第一电极和所述第二电极每个与所述返回电极形成各自的平行板谐振器，其中所述第一和第二电极被设置为足够接近，以允许在所述第一和第二谐振器之间的声能传递。所述第一电极或第二电极以及可选的任何数量的其他电极可以为单板电极或叉指型电极。
在本发明的一个优选实施方案中，所述衬底被这样选择并且所述电极被这样构造，即响应于在所述电极间施加的电荷在所述压电板中造成位移，并且其中所述的位移基本上平行于所述外表面。这样的衬底选择、电极构造以及所得的传感器类似于公知的厚度剪切模传感器(thickness shear mode sensor)。
可选地，所述AWD还包括设置在所述外表面的至少一个的至少一部分上的至少一个覆层。将注意到，可以存在多个涂覆层，并且这里使用的术语“覆层(coating)”是将这样的复数个覆层指代为单数个覆层。所述覆层可以是耐磨材料、化学耐受性材料、类金刚石碳、对被测变量敏感的覆层(例如对被测环境中特定化学物质的存在或浓度敏感的覆层)，或者覆层的任何期望的组合。
在优选的实施方案中，所述第一和第二压电板具有基本上类似的尺寸。更优选地，所述第一和第二压电板具有基本上类似的晶体取向。
尽管在本发明的最优选的实施方案中，所述第一和/或第二换能器(电极)被形成为单板电极，但是还预期可以形成为叉指型换能器。
在一些实施方案中，为了获得期望的频率，所述板之一并且优选两块板在所述外表面中配备有凹陷。
在本发明的某些优选实施方案中，根据期望，上述的任何AWD可以在所述内表面的至少一个中配备有凹陷。所述凹陷界定在所述第一和第二板之间的腔，从而形成所述传感器的对压力敏感的区。
在本发明的再一方面，提供了一种传感器，所述传感器包括类似于上述任一的AWD的复合AWD。此外，电路至少在所述第一电极和所述返回电极之间耦合电能。明显，还包括测量所述电能的至少一个参数的测量电路是期望的，但是这样的电路可以分开实现。
本发明的该方面的最优选的实施方案包括一装配螺栓。优选地，所述电路或其一部分是嵌入在所述螺栓中的，例如在所述螺栓的底部(base)，同时AWD传感器元件从所述底部延伸到被测物质中。在具有分开的输入和输出换能器的实施方案中，所述第一电极充当输入换能器，用来将电信号引入到所述AWD，而所述第二电极充当输出换能器，用来从所述AWD提取电信号。典型地，所述电路包括耦合到所述输入换能器的信号源，用来将输入信号耦合到所述输入换能器；以及测量电路，用来测量所述输入信号与提取的信号的至少一种关系。
测得的参数可以包括AWD的可以以电气方式监控的任何属性中的一种或更多种，例如，以实施例的方式，包括所述输入和输出信号的相对相位、输入和输出信号的单独或相对幅度、维持恒定相移的信号的频率、通过所述传感器的脉冲信号的延迟时间、换能器的阻抗，或它们的任何期望组合。
在本发明的再一个实施方案中，提供了一种测量物质的至少一种物理参数而不受高压干扰的方法，所述方法包括以下步骤：将任何如上描述的AWD或这样的AWD的一部分设置为与所述物质接触；将电信号耦合到所述第一电极；以及测量从所述AWD提取的所述电信号。其中所述提取的信号与所述耦合的信号不同，并且其中所述差异代表所述传感器的测得的参数。已知所述参数受到物理或化学被测变量的影响。优选地，所述测量步骤包括测量所述提取的信号和所述耦合的信号之间的关系的参数，并且所述参数选自由频率、插入损耗、相位、延迟时间组成的组或其组合。在最优选的实施方案中，所述要测量的物理参数选自包括粘度、密度、温度、压力、化学浓度的组或其组合。
在最优选的实施方案中，如所描述的，AWD有源电极形成第一工作传感器(operativesensor)。此外，所述AWD还包括压力传感器，所述压力传感器在至少一个所述内表面中包括凹陷，并且最优选地是在两个内表面中包括等同的凹陷。所述凹陷界定在所述第一和第二内表面之间的腔。对在所述板具有所述凹陷的区域上的压力效应敏感的传感元件被设置在所述腔内。所述传感元件可以是应变片，或者更优选地是至少一个换能器。
最优选的实施方案需要在两个内表面中的具有类似尺寸并且取向相反的凹陷，从而所述第一和第二凹陷的组合限定一腔，并且还包括沉积在所述第一凹陷的第一输入换能器和第一输出换能器；以及沉积在所述第二凹陷的第二输入换能器和第二输出换能器。
优选地，上述一个或多个方法还包括将所述第一工作传感器的所述输出与从所述压力传感器获得的输出进行比较的步骤。
附图说明
参照所包括的描绘优选实施方案细节的附图，将更好地理解上面的概述以及下面的详细描述。然而，应该注意，本发明不限于附图中所示出的精确方案，并且附图仅仅作为实施例被提供。
图1描绘本发明的基本实施方案的横截面视图。
图2描绘本发明最优选实施方案的简化的正视横截面视图。
图3a描绘电极和电连接的优选实施方案。
图3b描绘电极和电连接的另一优选实施方案。
图4描绘示出电连接的优选实施方案的边缘视图。
图5描绘附着到螺栓的传感器，所述螺栓代表最优选的安装方法。
图6描绘被蚀刻的膜的实施方案。
图7描绘组合的压力及粘度传感器的实施方案。
图8描绘组合传感器优选实施方案，在该实施方案中实现了互补的压敏和非压敏结构。
图9描绘耦合到传感器元件的优选电子电路的简化图。
图10是作为振荡器上的一部分的用于传感器的简单驱动电路。
具体实施方式
术语复合衬底表示至少两个具有基本上类似的可激励(excitable)衬底的区域，所述可激励衬底通常是压电材料，但是还可以是磁致伸缩材料、电致伸缩材料、压磁材料、铁电材料或铁磁材料，所有上述材料被一般性地描述为可激励衬底，并且为了清楚而以等同的方式被指代为压电材料。本领域技术人员将认识到，对于压电效应和压电衬底或材料的引用是可通用的，并且意图包括其他这样的方法，电信号可以通过所述方法在衬底中引起声波或超声波，反之亦然。在说明书和所附权利要求书中，所述区域统称为“压电板”。应该清楚，根据以期望的方式影响传感器的期望的特性，该术语指代任何可激励衬底的各种形状和横截面。此外，注意到本文中描述的结构和解决方案可应用于测量流体的至少一项主要特性以及可选的多项特性，所述可选的多项特性可以被称为次要特性，但并非一个参数相比另一个参数有特定重要性。因此，通过非限制性实施例的方式，主要特性可以是粘度，而次要特性可以是例如如在本人的PCT专利申请PCT/US2004/012546中所公开的密度，或者是如美国专利申请10/958,896中所公开的剪切率。
在本发明最基本的方面，本发明包括由两个如上描述的任何可激励材料的压电板构成的复合衬底。所述两个压电板优选具有类似的尺寸，并且具有类似的材料、晶体取向等等。两个压电板的交界区域具有至少一个并且优选为多个有源电极。下面以非限制实施例的方式描述几种电极排布。结合剂被用来将两个压电板耦合在一起，并且充当使电极与周围环境隔离的密封。因为在压电板之间不需要腔，并且因为两个板均暴露给类似的压力，所以与非对称压力相关联的板弯曲应力被有效地抵消。因此，尽管压电材料可能压缩，但是直到达到使所述材料破裂的压力时所述材料才会弯曲或折断。额外的优点源自于这样的事实，即传感器具有两倍有效换能器面积，提供较低的换能器阻抗以及较大的压电材料质量，以及以给定声能水平提供较低的等效剪切率。利用当前已知技术，这些改进将需要使电极面积加倍，以及总传感器封装体的大小及重量的相应增加。上述每一因素均允许以最小的体积改变来构造较高质量的传感器。
在本发明最基本的实施方案中，本发明包括可激励衬底的两个类似尺寸的压电板(即区域)10、15，每一个压电板具有至少一个基本上平坦和抛光的表面。所述平坦表面被称为“内表面”，并且彼此面对。设置在平坦表面之间的是有源电极5。两个压电板以具有相容物理特性和良好声学特性的结合材料70结合在一起。优选地，所述结合材料是低熔点硼硅玻璃，但是本领域技术人员将认识到其他适当的材料，例如在低频时使用某些环氧材料、热塑性材料和聚酰亚胺材料，在较高频时使用硅烷和硅氧烷晶片结合方法，等等。接地电极20和25被设置在板的外表面上。注意，叉指型换能器可以被用于替换单个电极5，在这种情况下接地电极是可选的，并且尽管本发明和权利要求书延伸到这样的实施方案，该实施方案未被示出，因为对于熟练技术人员来说这是清楚的。
图2代表本发明的更优选的技术方案。与图1中所描绘的较简单的实施方案类似，两个压电板10和15形成复合衬底。输入换能器30和输出换能器40被设置在两个压电板之间。如在图3a中看到的，最优选的实施方案针对每个换能器使用单个电极。图3b示出使用叉指型换能器的可替换实施方案。如果期望的话，除了换能器30和40的有源电极之外，居于两个换能器之间的区域50可以包含居间栅(intermediate grating)，例如，如本领域技术已知的非有源电极。优选地，可选的地电极20和25设置在压电板的外表面上。
如通过示意性的波图示31和32可以看到的，输入换能器30以对称、类似于声学镜像的方式将能量耦合到上压电板10和下压电板15两者，所述能量如示意性的波图示41和42所示那样传播到耦合的输出换能器40。优选地，输入和输出换能器被设置得足够接近以实现换能器之间的声耦合36、37。最优选地，换能器之间的间距被选择为建立一多极谐振器。图3a中所示结构适合于如授予本发明人的美国专利6,033,852中所公开的所谓的单片式压电传感器。图3b中所示结构适合于基于例如声板波、勒夫波、兰姆波(Lambwave)、SAW等等的叉指换能器(IDT)的AWD。
在图3a中所示的最优选的实施方案中，简单的平板电极被分别用于输入和输出换能器30和40。两个电极均被沉积在压电板10上。在图3b中所示的实施方案中，换能器30和40包括沉积在至少一个压电板的内表面上的多个周期性电极。图3b还描绘居间栅35。在图3a和图3b两者中，馈送线(feed wire)65从换能器延伸到压电板的边缘，其中它们包在压电板边缘上以形成如图4中所描绘的接触盘75。图4是传感器的边缘的侧视图，示出两个压电板10和15。接触体75电连接到换能器，并且形成用于提供到传感器的连接的方便的表面。仅连同对应的地接触盘80示出可选的地电极之一20。
传感器元件的最优选的实施方案针对每个换能器30和40采用单个金属电极，其中换能器参考包围着的接地面，并且形成平行板谐振器。每个换能器建立平行板厚度模谐振(parallel plate thickness mode resonance)，其频率由压电板的总厚度以及压电板的相对厚度和因此有源金属区域的位置决定，其中压电板的总厚度是声波波长的期望倍数，所述频率或多或少对应于与所述期望倍数相关联的电位峰值。最优选地，这是期望的，即所述倍数是1，并且压电板具有实质上(essentially)相等的厚度。如虚线36和37所示，对于换能器30和40之间的间隔的恰当选择允许加入到换能器30中的能量耦合到由换能器40形成的谐振器中，反之亦然。所得的耦合的谐振器滤波器提供优于其他传感器的很多优点，当根据本发明进行构建时尤其如此。这些优点包括简单的金属图形化、在结合材料区域极低的声能水平，以及对传感器剪切率的优良控制。因为到目前为止这些结构应用于液相检测既受压力影响的限制又受到过度换能器阻抗的限制，所以本发明是尤其有益的，因为本发明补偿压力影响，并且使换能器阻抗减半。
最优选的实施方案需要将传感器元件装配到诸如螺栓85的载体，从而形成容易使用的传感器组件。图5描绘这样的组件的简化实施方案。在螺栓的螺纹部分90或者靠近螺纹部分90处，传感器在其边缘耦合到该螺栓。提供电接触来使接触盘75和80匹配。施加高压密封试剂，即用于在螺栓上支撑传感器元件，又用于隔离与环境的接触。所述密封试剂可以具有耐受所述压力和周围环境所需的任何材料和任何厚度。在一个优选实施方案中，陶瓷材料被用作密封剂。硼钛酸盐玻璃、环氧树脂、硅酮和聚酰亚胺，以及其等同物是本领域技术人员将认识到的作为适当密封剂的其他实施例。
尽管装配了螺栓的传感器的电接触体可以被馈送到与所述传感器分开的支持电子装置，但是在最优选的实施方案中，支持电子电路100被嵌入到传感器组件中，并且仅从该组件发送经调节和归一化的数据。在优选的实施方案中，所述电路被置于所述螺栓内。以非限定性实施例的形式，所述电路可以包括激励和测量声波的射频电路，将射频信号转换为传感器响应的频率计数电路、功率检测电路和/或相位测量电路，模数接口，以及具有到外部控制系统的适当数字接口的微处理器，以及这些和其他期望电路的任何组合。
在最优选的实施方案中，传感器元件被装配到包括低温共烧陶瓷(Low TemperatureCo-fired Ceramic，LTCC)的装配件93，或安装到类似的混合电路93，所述混合电路93包括电子电路，并且结合到具有接触盘的传感器边缘。所述装配件通过任何期望的方法耦合到螺栓，所述方法例如加工螺纹、焊接等等。在这样的实施方案中，高压密封件95优选是形成为装配件93的一部分。
这是期望但非强制性的，即两个压电板之间的结合剂显著地比有效压电板厚度薄。理想的结合材料具有高质量的声学特性，紧固地粘附到所有特征以避免空隙，并且与板材料是热相容的，或者具有足够的塑性，以允许热膨胀。因为它位于压电板之间，它还对换能器和板之间传递的能量具有最小的影响。然而，本领域技术人员将认识到，压电板可以相互以任何间距定位，只要两个板之间的间隔用抵消压力效应的结合剂或其他材料填充，并且换能器被定位在驻波的等效最大值处。因此，如果期望的话，可以在压电板之间设置居间层。明显，在这样的实施方案中，针对每个压电板将需要单独的换能器。
制作该器件的优选方法包括将晶体切片为平行晶片。抛光每个晶片的至少一个表面，并且更优选地抛光每个表面。如果期望一个或更多个非平坦的表面，则将期望的形状蚀刻或以其他方式形成到表面上。非限制性实施例包括带纹理的表面以形成用于密度测量的集液器(liquid trap)，用于增进对声波的能量捕获的圆柱形、椭圆形或圆形轮廓，以及蚀刻的薄膜。在图6所描绘的一个优选实施方案中，描绘了蚀刻的膜构造，其中在外面的压电板面上形成凹陷105以便达到期望的高的工作频率以及质量敏感度(mass sensitivity)，同时维持较厚的、更坚固的支撑区域。
一旦压电板表面具有期望的形式和光滑度，可选地金属化将成为所有压电板的外部传感器表面的一侧。有源电极沉积在所述板的至少一半的相反表面上。还为压电板边缘建立电连接。每对结合在一起的压电板以及传感器元件装配到装配件93上。显然，其他方法是可用的。一种这样的方法包括在每个压电板的内侧上沉积电极并且结合，可以根据期望允许或不允许两个电极组之间的接触。
本发明的主要优点在于避免源自现有技术所提供的解决方案中在外压电板和内压电板之间的压力差的板弯曲应变(strain)。然而，这也是重要的，即认识到在有些情况下可以以有利的方式利用该压力差。因此，例如如图7中所描绘的，可以在两个压电板之间的传感器的一单独区段(section)配备一具有谨慎选择的尺寸的腔110。诸如MEMS、应变片(strain gage)或优选叉指型换能器120的应力传感器沉积在该腔内，并且被用于测量直接与正被测量的介质的压力相关的弯曲应变。由此，除了对主要测量参数的测量之外，传感器提供对压力的组合测量。
图8描绘组合被测变量(measurand)传感器的优选实施方案，其中被测变量之一是压力。它实质上包括两个定位在压电板的不同部分的互补传感器。第一传感器150基本上如在上面任一个实施例中所描述的那样形成，并且用于测量任何期望的一个或多个被测变量。如上所描述的，传感器150配备有在压电板的外侧的凹陷105。互补的第二传感器160被形成为具有被蚀刻在相反(内)压电板表面上的类似凹陷106，从而当压电板内表面互相面对时形成腔110。所述两个传感器具有类似的总厚度，并且在它们各自的有源区域具有类似的阻抗。所述两个传感器可以采用任何期望的换能器类型。优选实施方案针对每个输入换能器30和130、输出换能器40和140使用单电极换能器。优选地，每个压电板10和15具有类似的换能器排布，所以如果针对第一传感器150使用两个换能器，则在第二传感器160中分别在每个压电板上使用两个换能器130和140。因为第一和第二传感器150和160具有类似的阻抗、质量、频率和敏感度，它们在不存在压力的情况下良好地匹配。由于第一传感器被设计为对压力具有非常低的敏感度，而第二传感器是使用已知引起压力敏感性的内腔110来设计的，所以第一和第二传感器的组合形成差分对，允许在仅使用一个压电结构的同时对压力效应的精确测量。此外，所测得的压力可以被用于提供对压力不敏感的第一传感器中任何残余的压力效应的校正，允许第一传感器部分的一个或多个被测变量的更精确的测量。
还可选地，可以在传感器的外表面或其部分施涂被共同称作覆层的一个或更多个涂敷层。这样的覆层55和60可以提供期望的特性，例如防止被测物质的粘附、抗腐蚀、提供抗化学性，等等。在优选实施方案中，这样的覆层是通过沉积类金刚石碳、氮化硼、氮氧化硅铝或类似材料沉积在探测器上来实现的。在最优选的实施方案中，氟化类金刚石碳层沉积在难熔金属接地面之上。
可选地，可以调适探测器以通过无论直接或间接地沉积对一物质敏感的薄膜(优选地是作为在衬底上的覆层55、60的最外层)来检查特定物质。对物质敏感的薄膜可以是聚合物、生化物质、金属氧化物或金属薄膜，或其他以化学方式被构建为俘获特定分子或分子团的材料。当这些分子被捕获时，所述薄膜的物理属性(例如质量、刚性、粘度或导电性)的变化导致信号传播特性的变化，可以对此进行测量来检查这些分子的存在。这样的结构使得传感器容易地应用到对更少量的生化物质的检查中，其中所述检查是通过使用酶、抗体、抗原或核酸分子作为覆层来进行的。还预期针对痕量溶解的金属在金属薄膜上使用电化学方法。这样的传感器包括可以连接到任何电位并且被用作电化学电池的工作电极的外部导体。本领域技术人员将知道很多其他可以应用的化学选择性覆层和从这样的组合可能产生的化学选择性传感器。
通过本发明的不同方面的教导，本领域技术人员将有能力选择压电材料、取向(orientation)、器件几何布局和对应的换能器来达到诸如能量水平的各种物理参数、针对期望的被测变量的最好配合、实现最优传感器特性，等等，并且这些仅仅是技术选择的问题。类似地，对恰当的支持电路和仪器装备的选择是技术选择的问题以最好地配合期望的终端结果，并且将根据不同实施方案而大大不同，但是这对本领域技术人员来说是清楚的。
图9描绘耦合到传感器元件的优选电子电路的简化图。在优选实施方案中使用两个换能器结构，提供不同的输入和输出信号。信号源900被施加到输入换能器30，并且信号检测器910监控输出换能器40。数据转换器920和930分别将输出换能器和输入换能器的信号转换为CPU 940可以解释的信号。CPU比较所述信号，并且其关系被解释为传感器的被测变量。CPU通过数字总线950传输测量结果。
在具有单个换能器的AWD的情况下，输出信号是输入信号的反射部分。可以使用阻抗分析器比较这些信号，使用定向耦合器分离这些信号，或者使用AWD间接地监控这些信号，以控制考毕兹(Collpitts)、皮尔斯(Pierce)或类似配置的基于阻抗的振荡器。本领域技术人员将清楚这些测量方法。如图10中所看到的，传感器组件电路的最优选实施方案使用传感器元件作为环路振荡器中的一系列反馈元件。所述振荡器包括作为自然晶体的传感器，以及耦合在输入和输出换能器之间的放大器970。所述振荡器起到这样的作用，即测量输出信号、施加作为输出信号的放大的复制信号的输入信号，并且连续地评估不同信号之间预选的相位和幅度关系。这样的振荡器在反馈环路具有360°相移的的倍数的频率上自发地创建信号。确定该信号的幅度，从而传感器的插入损耗以及放大器的饱和增益处于平衡。通过监控传感器的插入损耗和/或在自发振荡点的信号频率来确定被测变量。
虽然已经描述了目前被认为是本发明的优选的实施方案，但对本领域技术人员来说这是显而易见的，即在不偏离本发明的精神和范围的情况下可以对本发明做出各种其他的实施方案、变化和修改，并且因此，本发明的范围旨在覆盖所有这些落入本发明真正的精神和范围中的变化和修改，针对此而申请专利特许证。

Claims (33)

1.一种复合声波器件(AWD)包括：
第一和第二压电板，每块所述压电板具有内表面和外表面，其中所述板的所述内表面呈面对面取向；
设置在所述第一和第二压电板各自的内表面之间的至少一个第一电极，以及
至少一个返回电极。
2.如权利要求1的复合AWD，其中所述返回电极设置在所述外表面的至少一个上。
3.如前述任一项权利要求的复合AWD，还包括设置在所述第一和第二压电板之间的第二电极。
4.如权利要求1或3中任一项的复合AWD，其中所述第二电极为所述返回电极。
5.如权利要求4的复合AWD，其中所述第一电极和所述第二电极每个与所述返回电极形成各自的平行板谐振器，并且其中所述第一和第二电极被设置为足够接近，以允许在所述第一和第二谐振器之间的声能传递。
6.如前述权利要求中任一项的复合AWD，其中所述第一电极为单板电极。
7.如前述权利要求中任一项的复合AWD，其中所述电极被构造为响应于在所述电极间施加的电荷在所述压电板中造成位移，并且其中所述位移基本上平行于所述外表面。
8.如前述权利要求中任一项的复合AWD，还包括设置在所述外表面的至少一个的至少一部分上的覆层。
9.如权利要求8的复合AWD，其中所述覆层包括耐磨材料。
10.如权利要求8的复合AWD，其中所述覆层包括化学耐受性材料。
11.如权利要求8的复合AWD，其中所述覆层包括类金刚石碳。
12.如权利要求8的复合AWD，其中所述覆层是对被测变量敏感的。
13.如前述权利要求中任一项的复合AWD，其中所述第一和第二压电板具有基本上类似的尺寸。
14.如前述权利要求中任一项的复合AWD，其中所述第一和第二压电板具有基本上类似的晶体取向。
15.如前述权利要求2-14中任一项的复合AWD，其中所述第一和第二电极为叉指型换能器。
16.如前述权利要求中任一项的复合AWD，其中所述板的至少一块在所述外表面中设有凹陷。
17.如前述权利要求中任一项的复合AWD，还包括在所述内表面的至少一个中的凹陷，所述凹陷界定在所述第一和第二板之间的腔。
18.一种传感器，包括：
如前述权利要求1-17中任一项的复合AWD；
至少在所述第一电极和所述返回电极之间耦合电能的电路。
19.如权利要求18的传感器，还包括测量所述电能的至少一个参数的测量电路。
20.如权利要求18或19的传感器，还包括装配螺栓。
21.如权利要求20的传感器，其中所述电路或其一部分是嵌入在所述螺栓中的。
22.如前述权利要求5-17中任一项的传感器，其中所述第一电极充当输入换能器，用来将电信号引入到所述AWD，而所述第二电极充当输出换能器，用来从所述AWD提取电信号。
23.如权利要求22的传感器，还包括：
耦合到所述输入换能器的信号源，用来将输入信号耦合到所述输入换能器；以及
测量电路，用来测量所述输入信号与提取的信号的至少一种关系。
24.如权利要求22或23的传感器，还包括装配螺栓。
25.如权利要求23的传感器，其中所述参数选自由所述输入和输出信号的相对相位、输入和输出信号的相对幅度、维持恒定相移的信号的频率、通过所述传感器的脉冲信号的延迟时间、换能器的阻抗组成的组或它们的组合。
26.一种在高压下测量物质的至少一种物理参数的方法，所述方法包括以下步骤：
将如权利要求1-18中任一项的AWD或其一部分设置为与所述物质接触；
将电信号耦合到所述第一电极；
测量从所述AWD提取的所述电信号；
其中所述提取的信号与所述耦合的信号不同，并且其中所述差异代表所述传感器的测得的参数；并且其中已知所述参数受到物理或化学被测变量的影响。
27.如权利要求26的方法，其中所述测量步骤包括测量所述提取的信号和所述耦合的信号之间的关系的参数，所述参数选自由频率、插入损耗、相位、延迟时间组成的组或其组合。
28.如权利要求26或27的方法，其中所述物理参数选自包括粘度、密度、温度、压力、化学浓度的组或其组合。
29.如权利要求17-28中任一项的方法，其中所述AWD有源电极形成第一工作传感器，并且还包括压力传感器，所述压力传感器包括在所述内表面的至少一个中的凹陷，所述凹陷界定在所述第一和第二内表面之间的腔，并且所述压力传感器包括对在所述板具有所述凹陷的区域上的压力效应敏感的传感元件，所述传感元件被设置在所述腔内。
30.如权利要求29的方法，其中所述传感元件包括应变片。
31.如权利要求29的方法，其中所述传感元件包括至少一个换能器以向具有所述凹陷的所述板赋予电能。
32.如权利要求29的方法，其中所述第二内表面还包括凹陷，所述第二内部的所述凹陷具有与所述第一内表面的所述凹陷类似的尺寸并取向为与所述第一内表面的所述凹陷相反，所述第一和第二凹陷的组合限定所述腔，并且还包括：
沉积在所述第一凹陷的第一输入换能器和第一输出换能器；以及
沉积在所述第二凹陷的第二输入换能器和第二输出换能器。
33.如权利要求32的方法，还包括将所述第一工作传感器的所述输出与从所述压力传感器获得的输出进行比较的步骤。
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