CN103066943B

CN103066943B - 一种用于气体传感器的声表面波谐振器

Info

Publication number: CN103066943B
Application number: CN201210563315.8A
Authority: CN
Inventors: 王文; 谢晓; 何世堂
Original assignee: Institute of Acoustics CAS
Current assignee: Institute of Acoustics CAS
Priority date: 2012-12-21
Filing date: 2012-12-21
Publication date: 2015-09-09
Anticipated expiration: 2032-12-21
Also published as: CN103066943A; HK1179060A1

Abstract

本发明涉及一种用于气体传感器的SAW谐振器，包括压电基片（32），置于压电基片（32）表面的第一叉指换能器（34）、第二叉指换能器（35）、分别与第一叉指换能器（34）、第二叉指换能器（35）外侧相邻的第一短路栅反射器（33）和第二短路栅反射器（36）、以及两个叉指换能器之间设置的金属膜（37），所述的第一叉指换能器（34）、第二叉指换能器（35）、第一短路栅反射器（33）、第二短路栅反射器（36）和金属膜（37）均采用厚铝薄金的双层电极结构，铝的厚度为1%～1.3%λ，金的厚度为0.15%～0.25%λ，λ为声波波长。由于采用铝/金双层电极模式，并调整了叉指换能器与反射器间距以及金属膜的宽度，使得这种SAW谐振器具有单一谐振模式，低损耗和高Q值的特点。

Description

一种用于气体传感器的声表面波谐振器

技术领域

本发明涉及声学技术中的一种声表面波谐振器（以下简称SAW谐振器），特别是涉及一种用于气体传感器的具有铝/金电极结构的高Q值、低损耗与单一谐振模式的两端对声表面波谐振器。

背景技术

作为例子，常规结构的用于气体传感器的两端对SAW谐振器11，它是一种同步型的谐振器，由压电基片12和在其上设置的第一叉指换能器14和第二叉指换能器15及两个与之临近的第一短路栅反射器13和第二短路栅反射器16组成，如图1所示。两个叉指换能器和与之相邻的反射器边缘间距l₁和l₂为0.25λ（λ：声波波长），两个叉指换能器之间的距离为半波长的整数倍。在用于气体传感器之时，在整个器件的声传播路径上镀上敏感膜用于气体检测。但是由于敏感膜镀膜过程中，由于镀膜的液体材料导致对器件叉指及反射器电极的破坏，直接影响了器件的频响特性；此外，在整个器件表面镀膜将导致较大的声传播衰减，从而影响到了传感器的稳定性。

作为例子，常规结构的用于气体传感器的另外一种两端对SAW谐振器21，它也是一种同步型的谐振器，与同步型的谐振器11类似，它也是由压电基片22和在其上设置的第一叉指换能器24和第二叉指换能器25及两个与之临近的第一短路栅反射器23和第二短路栅反射器26组成，两个叉指换能器和与之相邻的反射器之间间隔与SAW谐振器11类似，与SAW谐振器11不同之处在于：为了避免敏感膜镀膜对电极的影响，在两个换能器之间加上了一层金属膜27（面积一般在2-4mm²），用于敏感膜的镀膜。但是这种结构不足之处在于，由于金属膜27的存在，使得SAW谐振器21的谐振腔过大，从而使得这种同步型谐振器的频率响应出现了多模式（如图4所示），但是，每个模式间损耗接近，Q值低，这就有可能在多个频率点满足振荡器的振荡条件，从而影响到了振荡器的频率稳定性，进而影响到气体传感器的稳定性。

此外，上述两个例子中的两种常规谐振器，一般采用铝材料作为器件的换能器与反射器电极，在某些有毒气体检测环境中易于受到腐蚀等，从而影响到气体传感器的稳定性与使用寿命。为改善这种待测气体环境中的腐蚀问题，部分文献提出采用金电极的谐振器结构(Avramov I D,Voigt A,Rapp M.Rayleigh SAW resonators usinggold electrode structure for gas sensor applications in chemically reactive environments.Electronics Letters;2005;41(7):450-452.)，但是这种金电极一则增加了器件的制作成本，另外，金材料的高密度特点使其膜厚对器件的影响非常明显，这就增加了器件的制作工艺难度。

发明内容

本发明的目的在于解决上述的用于气体传感器的SAW谐振器所存在的一些问题；为了实现表面波谐振器具有低插入损耗，高Q值，良好的温度特性，单一谐振模式并且能够具有耐腐蚀的特点；从而提供一种以铝/金为叉指电极，以石英为压电基片，并采用换能器与反射器的不同间距的异步型SAW谐振器。

为实现上述发明目的，本申请提出了一种新型两端对SAW谐振器，其特征在于：所述的SAW谐振器31由压电基片32，在压电基片32上利用半导体工艺设置的第一叉指换能器34和第二叉指换能器35以及与两个叉指换能器相邻的第一短路栅反射器33和第二短路栅反射器36，和两个叉指换能器之间的用于气体传感器敏感膜载体的金属膜37组成。

所述的SAW谐振器31的第一叉指换能器34、第二叉指换能器中35、第一短路栅反射器33、第二短路栅反射器36以及两个叉指换能器之间的金属膜37均采用厚铝薄金的双层电极结构，其中铝的厚度为1%～1.3%λ（λ：声波波长），金的厚度为0.15%～0.25%λ。由于采用铝/金双层电极模式，并调整了叉指换能器与反射器间距以及金属膜的宽度，使得这种SAW谐振器具有单一谐振模式，低损耗和高Q值的特点。

作为上述技术方案的另一种改进，所述的第一短路栅反射器33和第一叉指换能器34之间的边缘距离l₃为0.75λ；所述的第二短路栅反射器36和第二叉指换能器35之间的边缘间距l₄为0.5λ；所述的第一叉指换能器34、第二叉指换能器35与金属膜37之间的边缘间距l₅和l₆为3λ~10λ。所述的金属膜37的宽度为N×λ+0.3λ（N为大于10的整数），为满足气体传感器敏感膜的镀膜需要，金属膜37的面积为2～4mm²，优选为3mm²。

作为上述技术方案的一种改进，所述的第一叉指换能器34和第二叉指换能器35以及第一短路栅反射器33和第二短路栅反射器36的电极宽度均为1/4λ。

作为上述技术方案的一种改进，所述的压电基片1为旋转42.75°Y切割，X方向传播石英。所述的压电基片（32）采用温度系数为零的ST石英基片。

本发明的优点在于，本发明涉及一种用于气体传感器的两端对SAW谐振器，包括电极宽度为1/4λ的两个叉指换能器和与之相邻的两个短路栅反射器，以及两个叉指换能器之间的金属膜组成。叉指换能器、短路栅反射器以及金属膜均采用厚铝薄金的双层电极结构以改善气体传感器的稳定性以及使用寿命，同时通过调整叉指换能器与反射器边缘间距和换能器与中间金属膜之间间距以及金属膜宽度来获得SAW谐振器的单一谐振模式以及高Q值，以改善气体传感器的检测下限以及稳定性。

附图说明

图1是展示一常规的用于气体传感器的同步型两端对SAW谐振器

图2是展示一常规的用于气体传感器的具有金属膜的同步型两端对SAW谐振器

图3是展示本发明的两端对SAW谐振器

图4是展示常规的用于气体传感器的具有金属膜的同步型两端对SAW谐振器（如图2）的典型频率响应曲线图

图5是展示本发明的两端对SAW谐振器（如图3）的典型幅度响应曲线图

图6是展示本发明的两端对SAW谐振器（如图3）的典型相位响应曲线图

附图标识：

11.同步型SAW谐振器

12.同步型SAW谐振器的压电基片

13.同步型SAW谐振器的第一短路栅反射器

14.同步型SAW谐振器的第一叉指换能器

15.同步型SAW谐振器的第二叉指换能器

16.同步型SAW谐振器的第二反射器

21.具有金属膜的同步型SAW谐振器

22.常规具有金属膜的同步型SAW谐振器的压电基片

23.常规具有金属膜的同步型SAW谐振器的第一短路栅反射器

24.常规具有金属膜的同步型SAW谐振器的第一叉指换能器

25.常规具有金属膜的同步型SAW谐振器第二叉指换能器

26.常规具有金属膜的同步型SAW谐振器的第二反射器

27.常规具有金属膜的同步型SAW谐振器的金属膜

31.本发明中的SAW谐振器

32.本发明的SAW谐振器的压电基片

33.本发明的SAW谐振器的第一短路栅反射器

34.本发明的SAW谐振器的第一叉指换能器

35.本发明的SAW谐振器的第二叉指换能器

36.本发明的SAW谐振器的第二短路栅反射器

37.本发明的SAW谐振器的金属膜

具体实施方式

为了更全面的理解本发明，并为了解本发明另外的目的和优点，现在结合相应附图和实施例对本发明进行详细地说明。

图3展示了本发明的用于气体传感器的SAW谐振器的实施例，该SAW谐振器由一矩形压电基片32和设置于其上的两个相同长度的第一叉指换能器34和第二叉指换能器35，和与两个叉指换能器相邻的第一反射器33和第二反射器36，以及两个叉指换能器之间的金属膜37构成。为改善器件的温度稳定性，压电基片32为温度系数为零的ST石英基片。

本实施例的特征在于采用了铝和金双层电极材料，克服了单纯采用铝电极在气体环境中受检测气体腐蚀的问题，同时也降低了单纯采用金电极的成本以及采用金电极导致的器件制作工艺难度。电极采用厚铝薄金结构，即铝一般采用1%～1.3%λ（λ：声波波长），金为0.15%～0.25%λ。同时，通过调整第一短路栅反射器33与第一叉指换能器34之间的边缘间距l₃为0.75λ，调整第二叉指换能器35与第二短路栅反射器36之间的边缘间距l₄为0.5λ，调整金属膜宽度为N×λ+0.3λ（N为大于10的整数），并且调整第一叉指换能器34与第二叉指换能器35与金属膜37的边缘间距l₅和l₆为3λ～10λ，由此可以获得低损耗、高Q值和单一的谐振模式的特点。

如图3所示的实施例，为满足声表面波气体传感器敏感膜镀膜的需要，作为敏感膜镀膜的载体金属膜37的宽度一般为2～4mm²，优选为3mm²。

如图3所示的实施例，制备了SAW谐振器的样品，谐振器的工作频率为300MHz，基片材料采用42.75°Y切割，X方向传播石英基片32，铝/金电极膜厚分别为1300埃和200埃。第一短路栅反射器33、第一叉指换能器34、第二叉指换能器35和第二短路栅反射器的电极宽度均采用1/4λ。第一短路栅反射器33和第二短路栅反射器36的长度均为150λ，第一叉指换能器34和第二叉指换能器35的长度均为41λ。声孔径为200λ。第一短路栅反射器33与第一叉指换能器34之间的边缘间距l₃为0.75λ，第二叉指换能器35与第二短路栅反射器之间的边缘间距l₄为0.5λ，第一叉指换能器34与第二叉指换能器35与金属膜37的边缘间距l₅和l₆为10λ。金属膜37的宽度为125.3λ。这样，首先器件可以获得较低的损耗，且具有单一谐振模式，可以使得其谐振器型振荡器的频率稳定性获得改善；此外，铝/金电极可以保证器件具有优良的耐腐蚀性，更适合于各种气体传感器应用。

图4示出了常规具有金属膜的同步型SAW谐振器21的典型幅频响应，图5与图6分别示出了本发明实施例的SAW谐振器31的典型幅频响应和相位响应，从图中可以看出本发明实施例的SAW谐振器相对常规的具有金属膜的同步型SAW谐振器21而言，具有单一的谐振峰，低损耗（～5dB）与高Q值（～2000）的特点。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.一种用于气体传感器的SAW谐振器，所述的SAW谐振器（31）包括压电基片（32），置于压电基片（32）表面的第一叉指换能器（34）、第二叉指换能器（35）、分别与第一叉指换能器（34）、第二叉指换能器（35）外侧相邻的第一短路栅反射器（33）和第二短路栅反射器（36）、以及两个叉指换能器之间设置的金属膜（37），其特征在于：所述的第一叉指换能器（34）、第二叉指换能器（35）、第一短路栅反射器（33）、第二短路栅反射器（36）和金属膜（37）均采用厚铝薄金的双层电极结构，其中，铝的厚度为1%～1.3%λ，金的厚度为0.15%～0.25%λ，λ为声波波长。

2.根据权利要求1所述的用于气体传感器的SAW谐振器，其特征在于：所述的第一短路栅反射器（33）和第一叉指换能器（34）之间的边缘间距为0.75λ；所述的第二短路栅反射器（36）和第二叉指换能器（35）之间的边缘间距为0.5λ；所述的第一叉指换能器（34）、第二叉指换能器（35）与金属膜（37）之间的边缘间距均为3λ~10λ。

3.根据权利要求1所述的用于气体传感器的SAW谐振器，其特征在于：所述金属膜（37）的宽度为N×λ+0.3λ，N为大于10的整数。

4.根据权利要求1或3所述的用于气体传感器的SAW谐振器，其特征在于：所述的金属膜（37）的面积为2～4mm²。

5.根据权利要求1或2所述的用于气体传感器的SAW谐振器，其特征在于：所述的第一短路栅反射器（33）、第一叉指换能器（34）、第二叉指换能器（35）和第二短路栅反射器（36）的电极宽度均采用1/4λ。

6.根据权利要求1所述的用于气体传感器的SAW谐振器，其特征在于：所述的压电基片（32）为旋转42.75^oY切割，X方向传播石英。

7.权利要求1或6所述的用于气体传感器的SAW谐振器，其特征在于：所述的压电基片（32）采用温度系数为零的ST石英基片。