CN101865884B - 一种单模式突出的双端对谐振式声表面波检测器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种单模式突出的双端对谐振式声表面波检测器，该检测器包括制作在压电晶片上3个叉指换能器和2个金属反射栅阵；其中，3个叉指换能器之间的间隔相等，且间隔是叉指换能器0.25波长的0-100倍；第一金属反射栅阵与其相邻第一叉指换能器之间的间隔，第二金属反射栅阵与其相邻第三叉指换能器之间的间隔相等，且间隔是叉指换能器0.25波长的1-10倍；3个叉指换能器的同步频率相等，叉指换能器的同步频率是金属反射栅阵同步频率的0.95-1.05倍，频率响应曲线中的两个纵向模式的能量幅度差距大于5dB。它是一种低插损(小于4dB)、高Q值(大于2000)、两模式之间幅度差距足够大(大于10dB)的声表面波检测器。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于传感器的声表面波检测器，特别涉及一种低损耗、高Q值的单模式突出的双端对谐振式声表面波检测器。
背景技术
声表面波(SAW)检测器作为振荡器的频率控制元件，其性能直接影响振荡器的频率稳定度。根据声表面波振荡器的频率稳定性原理，声表面波检测器的品质因子(Q值)及插入损耗大小直接影响到振荡器的短期频率稳定度，Q值越高、插入损耗越低，则振荡器的短期频率稳定度越高，而声表面波振荡器的频率稳定度直接影响SAW气体传感器的检测下限和敏感度。通常声表面波检测器的器件结构大致有两种，一种是SAW延迟线，另外一种是SAW谐振器。对于延迟线结构而言，容易提供较大的区域用于涂敷敏感膜，但是这种结构的器件损耗较大，间接影响振荡器的频率稳定度；SAW谐振器具有高品质因子和低损耗的特点，由它作为频控元件组成的振荡器容易起振，但谐振器很难提供敏感膜成膜所需要的区域，对于不需制作化学膜的传感终端，具有较大优势。本发明涉及的正是一种应用于不需制作化学膜的传感器的双端对谐振式结构声表面波检测器，以下简称双端对谐振器。
目前，双端对谐振器的结构又分为两换能器结构(1-2模式)和三换能器结构(1-3模式)，见文献1(IEEE 1975 Ultrasonics Symposium ProceedingsPP241-244)的图1和文献2(IEEE 1996 Ultrasonics Symposium ProceedingsPP61-64)的图1，在本说明书中用图1和图2表示这两种双端对谐振器的示意结构。图1中两换能器结构的双端对谐振器有两个叉指换能器，沿声波传播方向置于压电基片的上表面，两叉指换能器之间互相平行，两反射栅阵分别平行放置于两叉指换能器的外端；图2中三换能器结构的双端对谐振器有三个叉指换能器，沿声波传播方向置于压电基片的上表面，三个叉指换能器之间互相平行，两个反射栅阵分别平行放置于三个叉指换能器的外端。由于反射栅阵的反射，以及换能器的内反射和换能器之间的相互反射，在两个栅阵之间将会产生多个不同的纵向模式，通常是最低阶的两个模式响应最大。如果把器件设计成反射器在IDT的谐振频率上谐振，谐振时传输导纳将会变得很大，这样就可以实现窄带低损耗的通带。图2的结构利用了第一阶和第二阶纵向模式，即最低阶的对称和反对称模式；图3的结构由于是对称的，反对称模式不再被激发，所激发的是第一阶和第三阶纵向模式，既最低阶的两个对称模式。在双端对谐振器中，由于采用谐振结构，在换能器的两端放置反射栅阵，形成谐振腔，声波被限制在谐振腔中，双向损耗极小，因此可获得很低的插入损耗，有利于提高振荡器的频率稳定性。
现有技术的一个很大的缺点是双端对谐振器的两个纵向模式之间差距不够大，其典型频率响应曲线如图3所示，因而振荡器在振荡时振荡频率容易在两个纵向模式之间发生跳变，导致振荡器不稳定。
Morita等人提出改变双端对谐振器输入和输出换能器之间的间隔可以改变两个模式之间的频率间隔(见文献3：IEEE 1992 Ultrasonics SymposiumProceedings PP95-104)，但如果两个模式之间的幅度差距不够大，仅小范围的改变频率间隔，还是存在振荡频率易于在两个模式之间发生跳变的问题。
发明内容
本发明的目的在于：克服现有技术的缺陷；为了增加两个纵向模式之间的频率差距，在双端对谐振器中采用三换能器结构，同时，为了增加两个模式之间能量幅度的差距，提出优化换能器之间、换能器与反射栅阵之间的间距，以及反射栅阵相对于换能器的频率偏移，以弱化其中的一个模式来实现一种插入损耗低、Q值高、两模式之间频率间隔远、幅度差距大的单模式突出的声表面波双端对谐振器。
为实现上述发明目的，本发明提供的单模式突出的双端对谐振式声表面波检测器，包括制作在基片上的双端对谐振器；其特征在于：所述的双端对谐振器由3个叉指换能器和2个金属反射栅阵阵组成；所述的叉指换能器的同步频率是所述的金属反射栅阵同步频率的0.95-1.05倍，频率响应曲线中的两个纵向模式的能量幅度差距大于5dB(如图5所示)；3个叉指换能器为第一叉指换能器、第二叉指换能器和第三叉指换能器，2个金属反射栅阵阵为第一金属反射栅阵和第二金属反射栅阵；其中，所述的第一叉指换能器、所述的第二叉指换能器和第三叉指换能器的同步频率是一样的；
所述的第一叉指换能器、所述的第二叉指换能器和第三叉指换能器的金属化比相等，其中，金属化比为0.1-0.6；
所述的第一金属反射栅阵和第二金属反射栅阵的金属化比相等，其中，金属化比为0.1-0.6；
所述的第一叉指换能器、所述的第二叉指换能器与所述的第三叉指换能器之间的间隔相等，且间隔是叉指换能器0.25波长的0-100倍，其中，同步频率f与波长λ的关系为：v＝λ×f，式中v为材料中的声速；第一金属反射栅阵与其相邻的第一叉指换能器之间的间隔，第二金属反射栅阵与其相邻的第三叉指换能器之间的间隔相等，且间隔是叉指换能器0.25波长的1-10倍。
上述技术方案中，所述的第一金属反射栅阵与其相邻的第一叉指换能器之间的间隔，指的是第一金属反射栅阵中最靠近第一叉指换能器的一端到第一叉指换能器中最靠近第一金属反射栅阵的一端之间的间隔；所述的第二金属反射栅阵与其相邻的第三叉指换能器之间的间隔，指的是第二金属反射栅阵中最靠近第三叉指换能器的一端到第三叉指换能器中最靠近第二金属反射栅阵的一端之间的间隔。
上述技术方案中，所述的叉指换能器与反射栅阵均不加权。
上述技术方案中，所述的基片材料是36°YX-LiTaO3(即36°旋转Y切割，X传播LiTaO3，下同)、42°YX-LiTaO3、ST-X石英、64°YX-LiNbO3或41°YX-LiNbO3。
本发明提供了一种应用于不需制作化学膜的传感器中的低插损(小于4dB)、高Q值(大于2000)、两模式之间幅度差距足够大(大于10dB)的声表面波检测器。
本发明的优点在于：
本发明的声表面波检测器采用优化的三换能器双端对谐振式结构。谐振式结构可以实现低的插入损耗；双端对谐振器可提供比单端对谐振器更大的传感区域；与两换能器结构相比，三换能器结构可实现两个模式之间更大的频率间隔；通过优化换能器同步频率与反射栅阵同步频率之间的比例关系，也就是同步频率的比例关系，以及换能器之间、换能器与栅阵之间的间距，可实现高Q值，同时，由图5可见，优化后的结构的频率响应结果弱化了其中一个模式，实现两模式之间的幅度差距大于5dB，与一般的三换能器双端对谐振式结构相比，优化结构的两模式之间具有更大的幅度差距，实现了单模式突出的特性，从而解决了现有技术所存在的问题，提供了一种应用于无化学膜传感器的低损耗、高Q值、两模式之间频率间隔远、幅度差距大的声表面波检测器。
附图说明
图1已有的两换能器结构双端对谐振器；
图2已有的三换能器结构双端对谐振器；
图3普通双端对谐振器的典型频率响应曲线；
图4本发明的优化的三换能器结构双端对谐振器；
图5本发明实施例中优化的三换能器结构双端对谐振器的频率响应曲线(中心频率为332.6MHz)
图面说明如下：
1-基片 2-第一叉指换能器 3-第二叉指换能器
4-第三叉指换能器 5-第一金属反射栅阵 6-第二金属反射栅阵
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的叙述。
实施例1
在本实施例中，声表面波检测器的中心频率为332.6MHz，依据振荡器频率稳定性的经典理论，基片材料的温度稳定性直接影响到振荡器的频率稳定度。为了提高振荡器的频率稳定度，在这里选择ST-X石英(Euler角为(0°，132.75°，0°))作为基片1，其频率温度系数接近为0。为了实现低损耗、高Q值、两模式之间频率间隔远、幅度差距大的声表面波检测器，选择制作一本发明的优化的三换能器结构双端对谐振器。该三换能器结构双端对谐振器(如图4所示)，由一块ST-X石英片作为基片(Euler角为(0°，132.75°，0°)1，并在该基片1上平行设置常规的第一叉指换能器2、第二叉指换能器3和第三叉指换能器4，和在该基片1上设置两个金属反射栅阵(第一金属反射栅阵5和第二金属反射栅阵6)组成。第一金属反射栅阵5设置在第一叉指换能器2外侧，并与第一叉指换能器2平行，第二金属反射栅阵6设置在第三叉指换能器4外侧，并与第三叉指换能器4平行。第一叉指换能器2、第二叉指换能器3和第三叉指换能器4均不加权，其3个叉指电极的宽度和间隔均为0.25波长(即金属化比为0.5)。2个金属反射栅阵采用常规的短路栅条，其栅条宽度和间隔均为0.25波长(即金属化比为0.5)。第一叉指换能器2、第二叉指换能器3和第三叉指换能器4的同步频率相等，2个金属反射栅阵同步频率也是相等，叉指换能器的同步频率是金属反射栅阵同步频率的0.95-1.05倍(在该范围之内均可以，同步频率f与波长λ的关系为：v＝λ×f，v为材料中的声速)。第一叉指换能器2与第二叉指换能器3，第二叉指换能器3和第三叉指换能器4之间的间隔相等，且间隔是叉指换能器0.25波长的0-100倍(在该范围之内均可以)。第一金属反射栅阵5与第一叉指换能器2之间、第二金属反射栅阵6与第三叉指换能器4之间的间隔相等，其间隔是叉指换能器0.25波长的1-10倍(在该范围之内均可以)。因为金属化比直接影响指条的反射系数，换能器之间的间隔可以改变两个纵向模式之间的频率差距，所以在具体的实际操作中，应根据基片材料及实际需要，选择合适的金属化比和上述两同步频率的倍数，以及相邻叉指换能器之间的间隔和反射栅阵与其相邻叉指换能器之间的间隔，以优化谐振器性能。在本实施例中，为了提高Q值，获得低损耗，以及实现两模式之间尽可能大的频率间隔和幅度差距，这样需要指条具有较大的反射系数，故其3个叉指换能器和2个金属短路栅阵均采用0.3的金属化比，叉指换能器的同步频率是反射栅阵同步频率的1.003倍，相邻叉指换能器之间的间隔相等(在图4中：即A到B的距离，C到D的距离相等)，且为0.25换能器波长的81.75倍。第一反射栅阵5与其相邻的第一叉指换能器2之间的间隔(在图4中：A’到B’的距离)为0.25换能器波长的5.45倍；第二反射栅阵6与其相邻的第三叉指换能器4之间的间隔(在图4中：C’到D’的距离)为0.25换能器波长的5.45倍。本发明提供了一种应用于不需制作化学膜的传感器中的低插损(小于4dB)、高Q值(大于2000)、两模式之间幅度差距足够大(大于10dB)的声表面波检测器。
图5是本实施例采用的优化的三换能器结构双端对谐振器的频率响应曲线。中心频率332.6MHz，损耗：3.7dB，3dB带宽：0.12MHz，Q值：2772，两模式之间的幅度差距大于10dB；
图3是普通双端对谐振器的典型频率响应曲线，中心频率339.1MHz，损耗：4.7dB，两模式之间的幅度差距小于3dB。
从上述2种器件的频率响应曲线可以看出，本实施例中的器件由于采用优化的三换能器结构双端对谐振器，实现了低损耗、高Q值和两模式之间大于10dB的幅度差距，和普通的双端对谐振器(该结构的两模式之间的幅度差距小于3dB)相比具有明显的优势。
比较本实施例和普通的现有技术，由于本发明的双端对谐振器采用三换能器谐振式结构，以实现低的插入损耗和大的传感区域；采用本发明的换能器同步频率与反射栅阵同步频率之间的比例关系，以及换能器之间、换能器与栅阵之间的间距，以实现高Q值及两模式之间尽可能大的幅度差距；结果表明，本发明的优化三换能器结构双端对谐振器既可以实现低的插入损耗(＜4dB)、较高的Q值(中心频率332.6MHz的器件的Q值为2772)，又可以实现两模式之间较大的幅度差距(大于10dB)。
图2为传统的3换能器结构双端对谐振器，与图4最大的区别在于换能器之间的间距和金属化比以及叉指长度(声孔径)不一样。传统的间距一般在0～0.25指条宽度之间，金属化比一般为0.5，这样导致频率响应的Q值不够高，而且传统的叉指长度(声孔径)一般不大于70个波长，这样导致叉指覆盖的面积不够大不利于做传感器；而图4中换能器之间间距要大得多，可以为几十倍的指条宽度，金属化比一般较小，多为0.3左右，从其频响结果图5中可以看出，这样会提高Q值，而且叉指长度(声孔径)要大得多，一般在100个波长以上，这样能提供足够的传感面积。
应当指出的是，本领域普通技术人员能够理解上文对本发明进行的详细说明，并可能对本发明的部分技术特征进行修改，而在不脱离本发明技术方案的实质精神，这些改动均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围之中。
Claims (3)
1.一种单模式突出的双端对谐振式声表面波检测器，包括制作在基片上的双端对谐振器；其特征在于：所述的双端对谐振器由3个叉指换能器和2个金属反射栅阵组成；3个叉指换能器为第一叉指换能器、第二叉指换能器和第三叉指换能器，2个金属反射栅阵为第一金属反射栅阵和第二金属反射栅阵；其中，所述的第一叉指换能器、所述的第二叉指换能器和第三叉指换能器的同步频率一样；第一金属反射栅阵和第二金属反射栅阵的同步频率一样；所述的叉指换能器的同步频率是所述的金属反射栅阵同步频率的0.95-1.05倍，所述双端对谐振器的频率响应曲线中的两个纵向模式的能量幅度差距大于5dB；
所述的第一叉指换能器、所述的第二叉指换能器和第三叉指换能器的金属化比相等，其中，金属化比为0.1-0.6；
所述的第一金属反射栅阵和第二金属反射栅阵的金属化比相等，其中，金属化比为0.1-0.6；
所述的第一叉指换能器与所述的第二叉指换能器之间的间隔和所述的第二叉指换能器与所述的第三叉指换能器之间的间隔相等，且间隔是叉指换能器0.25波长的81.75倍，其中，同步频率f与波长λ的关系为：v＝λ×f，式中v为材料中的声速；所述的第一金属反射栅阵与第一叉指换能器之间的间隔和所述的第二金属反射栅阵与第三叉指换能器之间的间隔相等，且间隔是叉指换能器0.25波长的1-10倍，其中，第一叉指换能器与第一金属反射栅阵相邻，第三叉指换能器与第二金属反射栅阵相邻；
所述的第一金属反射栅阵与第一叉指换能器之间的间隔指的是第一金属反射栅阵中最靠近第一叉指换能器的一端到第一叉指换能器中最靠近第一金属反射栅阵的一端之间的间隔；所述的第二金属反射栅阵与第三叉指换能器之间的间隔指的是第二金属反射栅阵中最靠近第三叉指换能器的一端到第三叉指换能器中最靠近第二金属反射栅阵的一端之间的间隔。
2.按权利要求1所述的单模式突出的双端对谐振式声表面波检测器，其特征在 于，所述的基片是36°YX-LiTaO3基片、42°YX-LiTaO3基片、ST-X石英基片、64°YX-LiNbO3基片或41°YX-LiNbO3基片。
3.按权利要求1所述的单模式突出的双端对谐振式声表面波检测器，其特征在于，所述的叉指换能器与反射栅阵均不加权。
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