CN103033298A - 一种用于狭缝的声表面波传感器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种用于狭缝的声表面波传感器以及这种传感器的制作方法，包括SAW芯片，SAW芯片包括叉指换能器和芯片电极，叉指换能器具有叉指换能器电极，芯片电极与叉指换能器电极连接，所述传感器包括微带天线，微带天线具有天线电极，天线电极与叉指换能器电极通过键合引线连接。该传感器以声表面波传感技术为基础，通过在SAW芯片上设置芯片引脚并与独立的微带天线通过键合引线连接使声表面波传感器小型化至可用于本发明问题所指的狭缝空间。本发明还提供了所述声表面波传感的一种简便的制作方法，运用此方法可以方便地制作出本发明所指的声表面波传感器。

Description

一种用于狭缝的声表面波传感器及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种特殊环境使用的传感器方案及其制作方法，尤其涉及一种用于狭缝的声表面波传感器及其制作方法。

背景技术

对于所述的狭缝环境，一方面，实时测量其接触表面上的压力有特别的价值，监测结果可作为外界规范操作的参考；另一方面，为了提高监测结果的可靠性，通常需要采用阵列式的监测方法，通常要求采用无源无线的方式，而这种无源无线的方式可以为极端环境下的监测提供技术支撑。如图1所示为一种狭缝环境，包括狭缝6和狭缝中间的弹性介质7，所述弹性介质7通常用于减小震动。狭缝间的作用力监测因其空间限制一直是测量技术的一个难点。

目前，应用于接触压力测量的传感器大致可分为压电式、压阻式、电容式、电感式及光学式五类，然而，这些均需要电源供电且基于有线方式工作。对于狭缝空间接触压力的监测来说，有源有线工作方式显得并不方便或者难以实现。与此相反，一种可以以无源无线方式工作的声表面波（SAW，Surface Acoustic Wave）传感技术，给狭缝空间等极端环境中物理量的测量提供了新的思路。

以下为SAW压力传感器的工作原理：

SAW器件通常由叉指换能器（IDT，interdigital transducer）、反射栅以及压电基底构成，SAW及IDT设置于压电基底上。IDT由若干金属薄膜电极构成，这些薄膜电极相互交叉布置，形状如双手手指交叉平放状，故取名为叉指电极。IDT的主要功能是激发出并且接收传播于压电基底表面的SAW，即实现电学信号与SAW之间相互转换，具体的说是当对IDT输入一定频率的电信号时，压电基底因为压电效应会在IDT输入的电信号的作用下产生一定频率的机械振动，这种机械振动会以包含SAW的形式传播出去，引起传播路径上的基底材料的振动，根据基底的压电效应的逆效应，可以通过在传播路径上设置IDT将这种SAW转换成的一定频率的电信号输出。反射栅由若干沉积在压电基底表面的金属薄膜电极构成，主要功能是使部分入射SAW反射回IDT。

当SAW器件的压电基底材料受到外力作用时，材料内部各点的应力发生变化，根据压电材料的非弹性行为，使材料的弹性常数及密度等属性随外界作用力的变化而变化，从而导致SAW的传播速度发生改变。同时，压电材料受到作用力后，使SAW谐振的结构尺寸会发生变化，从而SAW的波长也会改变，这种变化呈一种已知的对应关系。由于SAW传播速度和波长的变化对应着SAW谐振频率的变化，因此，可以通过测量IDT输入及接收频率的大小并通过计算得出外界作用力的大小。

以一种谐振型直接SAW传感器为例，SAW器件的同步频率f₀为

$f_0=\frac{{\mathrm{\υ}}_0}{{\mathrm{\λ}}_0}=\frac{{\mathrm{\υ}}_0}{2p}---\left(1\right)$

式中，υ₀为SAW传播速度，λ₀为SAW波长，p为相邻电极间的距离，对于均匀的IDT，p=2a，其中a为叉指电极的宽度。

由式1可知，谐振型直接SAW器件的频率f₀取决于SAW速度υ₀以及相邻电极间的距离p，改变其一即可实现器件输出信号频率的偏移，此即是谐振型直接SAW传感技术的基础。

对于谐振型直接SAW力敏器件来说，被测力学量作用于由压电基底构成的力敏结构，压电基底受力学量作用而产生应力、应变，其不仅使叉指电极宽度与其间间距变化，也使压电基底材料的材料常数等发生变化，最终传感器输出信号频率产生偏移Δf，即

$\frac{\mathrm{\Δf}}{f_0}=\frac{\mathrm{\Δ\υ}}{{\mathrm{\υ}}_0}-\frac{\mathrm{\Δp}}{p}---\left(2\right)$

目前已有以SAW技术制作的无源压力传感器，这些传感器由于需要集成接收发送天线、SAW基片、基底以及封装等结构，所以体积通常比较大，多适用于较大空间的检测环境。而利用SAW技术的应用于狭缝间作用力监测的情况还未有先例，由于狭缝间作用力检测的环境空间狭小甚至为曲面等特殊结构，现有的SAW传感器都无法直接应用于这种狭缝空间。

发明内容

本发明的目的是为了解决狭缝空间内作用力的监测问题，提出了一种用于狭缝的声表面波传感器以及这种传感器的制作方法。

本发明的技术方案是：一种用于狭缝的声表面波传感器，包括SAW芯片，其特征在于，所述SAW芯片包括叉指换能器和芯片电极，叉指换能器具有叉指换能器电极，芯片电极与叉指换能器电极连接，所述传感器包括微带天线，微带天线具有天线电极，天线电极与叉指换能器电极通过键合引线连接。

上述声表面波传感器还包括支撑基底，所述支撑基底为聚酰亚胺薄膜，覆盖于SAW芯片和微带天线上用于形成SAW芯片的周边固支结构。

上述聚酰亚胺薄膜为双面胶型薄膜，通过表面胶直接粘贴于SAW芯片和微带天线上。

上述支撑基底包括力学孔和键合孔，所述力学孔为位于SAW芯片上方圆形通孔，键合孔为位于键合引线上方的通孔。

一种所述声表面波传感器的制作方法，包括以下步骤：

a、制作SAW芯片：通过MEMS工艺制作SAW芯片；

b、制作微带天线：使用柔性电路板制作工艺制作微带天线；

c、制作支撑基底：根据设计尺寸在聚酰亚胺支撑基底上冲压出力学孔和键合孔；

d、键合准备：将SAW芯片和微带天线粘贴于开有力学孔和键合孔的聚酰亚胺基底上相应的位置，并将粘贴好的结构用透明胶带固定于金丝球焊机的工作台上；

e、键合：对位并键合相应的芯片电极和天线电极；

f、贴保护膜：在支撑基底上方覆盖一层聚酰亚胺双面胶保护膜。

本发明的有益效果：本发明的一种用于狭缝的声表面波传感器以声表面波传感技术为基础，一是改变现有的无源声表面波压力传感器SAW芯片和天线一体化设计封装的模式，通过在SAW芯片上设置芯片引脚并与独立的微带天线通过键合引线连接使声表面波传感器小型化至可用于本发明问题所指的狭缝空间；二是使用聚酰亚胺作为支撑基底，开设圆形力学孔形成SAW芯片的周边圆形固支结构使本发明的声表面波传感器力学感知更均匀合理。本发明还提供了所述声表面波传感的一种简便的制作方法，运用此方法可以方便地制作出本发明所指的声表面波传感器。

附图说明

图1为曲面狭缝的结构示意图；

图2为本发明的声表面波传感器的结构示意图；

图3为本发明的声表面波传感器的结构爆炸图示；

图4a为本发明的声表面波传感器的SAW芯片结构示意图；

图4b为图4a的SAW芯片的叉指换能器放大图示；

图5为本发明的声表面波传感器的聚酰亚胺支撑基底结构示意图；

图6为本发明的声表面波传感器的SAW芯片和微带天线键合图示；

图7为本发明的声表面波传感器的截面图；

图8为本发明的声表面波传感器的应用系统示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体的实施例对发明作进一步的阐述。

如图2至图7所示，本实施例的一种用于狭缝的声表面波传感器，包括SAW芯片1，所述SAW芯片1包括叉指换能器12和芯片电极13，叉指换能器12具有叉指换能器电极121，芯片电极13与叉指换能器电极121连接，所述传感器包括微带天线3，微带天线3具有天线电极31，天线电极31与叉指换能器电极121通过键合引线2连接。本实施例的SAW芯片是指利用声表面波压力测试技术的压力传感器芯片，包括石英基底11以及在石英基底上形成的叉指换能器12和反射栅等结构，但不包含无源声表面波压力传感器的天线部分；此外，本实施例的SAW芯片1的另一个不同点在于增设了芯片电极13，其目的是为了使SAW芯片1与传统的SAW无源压力传感器的天线部分分离以便于器件的小型化，而单独设置的SAW芯片1与独立的微带天线3能够方便地通过键合而实现电气连接；本实施例采用微带天线的一个原因在于微带天线可以为柔性天线，对于曲面的狭缝空间能够很好的适应。本实施例中提到的天线电极与叉指换能器采用键合的方式连接属于一种常规技术。

如图2或图3所示，本实施例的一种声表面波传感器还包括支撑基底4，这里的支撑基底4为聚酰亚胺薄膜，其直接覆盖于SAW芯片1和微带天线3上用于形成SAW芯片的周边固支结构。本实施采用的聚酰亚胺薄膜为双面胶型薄膜，通过表面胶直接粘贴于SAW芯片和微带天线上，这种聚酰亚胺薄膜是双面胶型聚酰亚胺薄膜。如图5所示，在这种支撑基底上开设有力学孔和键合孔，力学孔为位于SAW芯片上方的通孔，键合孔为位于键合引线上方的通孔。在一优选的实施例中，支撑基底上的力学孔为圆形的通孔。目前的SAW压力传感器的支撑基底大都采用石英基底等硬质基底，其缺点一是硬质基底不便于弯曲使器件小型化，二是这种基底的力学性能没有本实施例使用的聚酰亚胺基底好。在一优选方式中，支撑基底的力学孔为圆形通孔，其目的是使形成的周边固支结构承力更均匀，效果更好。如果使用本优选方案的聚酰亚胺基底与传统的石英基底及其他形状的力学孔进行力学性质的对比仿真就会得出，聚酰亚胺基底的力学性能优于石英基底，圆形力学孔的力学性能优于普通的方形孔。

如图2或图3所示，在进一步的优选方案中，为了防止环境湿度或灰尘等对本实施例的传感器的影响，在聚酰亚胺基底上覆盖了一层保护膜，这层保护膜用于保护由于设置力学孔和键合孔而暴露在空气中的键合引脚及SAW芯片。这层保护膜可以直接使用双面胶型聚酰亚胺薄膜的保护膜利用薄膜上自身的粘性保护。

本实施例的一种声表面波传感器对应的制作方法，包括以下步骤：

a、制作SAW芯片：通过MEMS工艺制作SAW芯片；一般来讲，由于SAW谐振器的尺寸是微米级并且指条微小的尺寸误差都会导致整个器件性能的改变，因此谐振器的制作对加工过程中的精度控制提出了很高的要求。这其中的工艺程序包括单晶基底减薄、刻图制版、沉积光刻、划片等工序。

b、制作微带天线：使用柔性电路板制作工艺制作微带天线；这里的微带天线用于SAW芯片频率信号的发射、传输与接收，但是鉴于SAW器件的应用场合为细小的狭缝，因此天线的制作就采用了柔性电路板的制作工艺制作。包括天线电极，用于通过键合与SAW芯片的芯片电极相连；还包括挠性电路，具有辐射功能，用于谐振器频率信号的发射和接受；中间使用微带线将挠性电路和天线电极连接起来，微带线用作频率信号在SAW芯片和挠性电路之间传输通道。

c、制作支撑基底：根据设计尺寸在聚酰亚胺支撑基底上冲压出力学孔和键合孔；这里所指的设计尺寸为本领域的普通技术人员根据承力大小等设计需求能够得知的基底尺寸范围及力学孔孔径范围，而所述的键合孔的尺寸可以根据其功能需求灵活设计，这里的键合孔的功能需求是为了满足金丝球焊机的操作需求而设置的操作孔，比如可以为能够暴露出芯片电极和天线电极的方形孔、圆形孔或者椭圆形孔等各种结构。

d、键合准备：将SAW芯片和微带天线粘贴于开有力学孔和键合孔的聚酰亚胺基底上相应的位置，并将粘贴好的结构用透明胶带固定于金丝球焊机的工作台上；在本实施例中，粘贴SAW芯片和微带天线可以是人工粘贴，人工粘贴时需要带上口罩及手套等清洁工具，操作环境应选择洁净且干燥的环境操作。

e、键合：对位并键合相应的芯片电极和天线电极；这里所指的对位是金丝球焊机与芯片电极和天线电极对位，为了提高对位精度，本实施例中采用在显微镜下对位。

f、贴保护膜：在支撑基底上方覆盖一层聚酰亚胺双面胶保护膜，利用聚酰亚胺双面胶保护膜与支撑基底表面的自粘性，将原有的被破坏的保护膜去掉后直接贴上一层完好的保护膜，如果保护膜过大可以采用直接修剪的方式剪掉多余的部分。

下面结合一种使用本发明的声表面波传感器的曲面狭缝间接触压力监测系统对本发明的声表面波传感器的工作原理及使用状态作进一步说明：

如图8所示，曲面狭缝间接触压力监测系统包括传感器端和查询端。传感器端负责接收查询端的激励信号并发射带有被测接触压力信息的信号。查询端的主要作用是产生传感器端激励信号和接收并处理传感器端传回的信号。

如图8a所示，查询端所需的组件包括收发天线、矢量信号发生器、PC和频谱分析仪。矢量信号发生器与发射天线通过同轴射频传输线相连，频谱分析仪与接收天线通过同轴射频传输线相连，发射天线选用高增益双脊喇叭天线，接收天线选用偶极子天线。矢量信号发生器又被称为数字信号发生器，其发展得益于数字通信系统的盛行，其不仅具有常见波形生成能力，还可根据需要产生任意的波形。频谱分析仪在频域上可观察信号的频谱特性，在时域上可观察信号的波形图，广泛用于信号失真度、调制度、谱纯度和频率稳定性等信号参数的测量，用于分析无线电信号频谱结构。

如图8b所示，传感器端包括若干个本发明的声表面波传感器。

针对单个传感器，系统大致工作过程如下：首先，由PC控制矢量信号发生器产生一定频段内不同频率的分段正弦连续波，此连续波通过发射天线发射出去，去激励远处的传感器端某单个传感器（各个传感器依靠其自身中心频率识别），接着，接收天线接收来自传感器端的回波信号并输入到频谱分析仪。由于谐振型SAW芯片具有选频特性，即只对特定频率的正弦连续波响应最大，因此可以通过计算比较回波信号能量，其中能量最大时对应的激励信号频率为相应的传感器目前的频率。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (5)

1.一种用于狭缝的声表面波传感器，包括SAW芯片，其特征在于，所述SAW芯片包括叉指换能器和芯片电极，叉指换能器具有叉指换能器电极，芯片电极与叉指换能器电极连接，所述传感器包括微带天线，微带天线具有天线电极，天线电极与叉指换能器电极通过键合引线连接。

2.根据权利要求1所述的一种用于狭缝的声表面波传感器，其特征在于，还包括支撑基底，所述支撑基底为聚酰亚胺薄膜，覆盖于SAW芯片和微带天线上用于形成SAW芯片的周边固支结构。

3.根据权利要求2所述的一种用于狭缝的声表面波传感器，所述聚酰亚胺薄膜为双面胶型薄膜，通过表面胶直接粘贴于SAW芯片和微带天线上。

4.根据权利要求2所述的一种用于狭缝的声表面波传感器，所述支撑基底包括力学孔和键合孔，其中力学孔为位于SAW芯片上方圆形通孔，键合孔为位于键合引线上方的通孔。

5.一种所述声表面波传感器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

a、制作SAW芯片：通过MEMS工艺制作SAW芯片；

b、制作微带天线：使用柔性电路板制作工艺制作微带天线；

c、制作支撑基底：根据设计尺寸在聚酰亚胺支撑基底上冲压出力学孔和键合孔；

d、键合准备：将SAW芯片和微带天线粘贴于开有力学孔和键合孔的聚酰亚胺基底上相应的位置，并将粘贴好的结构用透明胶带固定于金丝球焊机的工作台上；

e、键合：对位并键合相应的芯片电极和天线电极；

f、贴保护膜：在支撑基底上方覆盖一层聚酰亚胺双面胶保护膜。

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