CN104101451A - 双敏感源声表面波传感器 - Google Patents
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Abstract
一种双敏感源的声表面波传感器，属于电子功能材料与器件技术领域。该传感器包括衬底基片，所述衬底基片为LGS衬底基片，衬底基片上设置有界面谐振器及AlN薄膜层，AlN薄膜层完全覆盖界面谐振器，AlN薄膜层上设置有表面谐振器，且表面谐振器在竖直方向的投影与界面谐振器的竖直投影重合，所述界面谐振器与表面谐振器皆为声表面波谐振器，声表面波谐振器中的金属薄膜电极的材质为耐高温金属。器件结构简单，能够同时对应力及温度进行有效监测，由于材质为LGS、AlN及耐高温金属，因而可适用于高温复杂环境，无源无线，稳定性强。本发明适用于对应力和温度同时进行监测。
Description
技术领域
本发明属于电子功能材料与器件技术领域，涉及一种双敏感源的声表面波传感器，尤其是基于LGS与AlN相复合的、同时监测应力和温度的双敏感源的声表面波传感器。
背景技术
声表面波，泛指在弹性体自由表面产生并限制在表面或者界面附近传播的各种模式的波。基于声表面波技术所制作的器件因其具有尺寸小、价格低廉、工艺简单、性能优良等特点，故在无线通信系统中得到广泛的应用。声表面波传感器中利用声表面波器件作为换能或传感元件，通过传感器感知外界因素如温度、压力、气氛、化学环境、加速度等的变化，换能器将之转变为电学信号的变化，从而达到监测的目的。声表面波传感器具有高精度、高敏感度、可靠性高、动态响应快、无源无线等特点，因此被广泛应用于汽车、能源、航空航天等领域。声表面波谐振器一般由一个叉指换能器(interdigital transducer，IDT)以及位于叉指换能器两侧的反射栅阵组成。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。叉指换能器的周期即为声表面波传播周期。则谐振器的谐振频率为f＝υ/λ,其中λ为声波传播周期长度，一般为4倍叉指宽度；v为声表面传播速度。
LGS(Langasite，硅酸镓镧)是一种压电单晶材料，其机电耦合系数高达0.4％，温度稳定性良好，工作温度较高，能在1000℃的环境下正常工作。AlN(Aluminum nitride，氮化铝)是一种压电薄膜材料，一般采用中频或者射频溅射技术生长，具有高热导率、高硬度、高熔点、高化学稳定性、热膨胀系数低等特点，且其在所有无机非铁电的压电材料中，拥有最高的声表面波传播速度，因此，AlN被广泛应用于制作高频的声表面波器件。
目前常见的声表面波传感器通常只能针对单一的敏感源进行监测传感即单敏感源的声表面波传感器，其具体结构为在LGS衬底基片上设置有设置有声表面波谐振器及AlN薄膜层，AlN薄膜层完全覆盖声表面波谐振器。然而，若需要对多个参量进行监测，则需要多个不同的传感器同时进行测量，这样增加了系统设计的复杂程度与难度，因为无法在相同位置同时对多个参量进行测量。而对多个尤其是两个敏感源进行监测传感的应用，对复杂、恶劣环境中运作的机械零件的疲劳程度监测中尤为重要，如：涡轮机转轴的监测、飞机发动机叶片的监测等。因此亟需一种能够同时监测两个敏感源的声表面波传感器。
发明内容
为了克服现有声表面波传感器只能对单一的敏感源进行监测传感的局限性，本发明提供一种双敏感源的声表面波传感器。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：双敏感源的声表面波传感器，包括衬底基片，所述衬底基片为LGS衬底基片，衬底基片上设置有界面谐振器及AlN薄膜层，AlN薄膜层完全覆盖界面谐振器，AlN薄膜层上设置有表面谐振器，且表面谐振器在竖直方向的投影与界面谐振器的竖直投影重合，所述界面谐振器与表面谐振器皆为声表面波谐振器，声表面波谐振器中的金属薄膜电极的材质为耐高温金属。
具体的，所述界面谐振器与表面谐振器相同。
具体的，耐高温金属为金或铂。
进一步的，所述AlN薄膜层的厚度大于1个SAW波长。
本发明的有益效果是：本发明的结构相较于现有技术的声表面波传感器而言，器件结构简单，能够同时对应力及温度进行有效监测，由于材质为LGS、AlN及耐高温金属1，因而可适用于高温复杂环境，无源无线，稳定性强。本发明适用于声表面波传感器。
附图说明
图1是本发明中双敏感源的声表面波传感器的结构示意图；
图2是本发明中双敏感源的声表面波传感器的制备方法流程示意图；
其中，1为表面谐振器，2为界面谐振器，3为LGS衬底基片，4为AlN薄膜层。
具体实施方式
下面结合附图，详细描述本发明的技术方案。
如图1所示，本发明的双敏感源的声表面波传感器，包括LGS衬底基片3，其上设置有界面谐振器2及AlN薄膜层4，AlN薄膜层4完全覆盖界面谐振器2，AlN薄膜层4上设置有表面谐振器1，且表面谐振器1在竖直方向的投影与界面谐振器2的竖直投影重合，所述界面谐振器1与表面谐振器1皆为相同的声表面波谐振器，声表面波谐振器中的金属薄膜电极的材质为金。
AlN薄膜与LGS衬底基片具有不同的声表面波传播特性，因此其对应力和温度的响应不同。所述AlN薄膜层4的厚度大于1个SAW波长，以保证位于AlN薄膜表面的表面谐振器1由于膜厚的原因，几乎不受位于AlN薄膜下层的界面谐振器2的影响，其谐振频率为f1＝vAlN/λ(υAlN为声表面波在AlN薄膜中的传播速度)。而位于LGS衬底基片与AlN薄膜之间的界面谐振器2，会分别在两种材料中激励声波，而后这两个声波会产生耦合，形成一个类似于声表面波传播模式的声波，这种声波的声速介于LGS与AlN两种材料中声表面波的波速之间，并被限制于LGS与AlN接触面附近传播。从而产生出与表面AlN不同谐振频率的谐振，谐振频率为f2＝vcoupling/λ。而f1与f2在收到外界应力或者温度变化时，会以不同的规律发生变化，通过监测分析这两种变化，得到动态响应，从而计算出应力与温度的变化值，达到同时探测双物理参量的目的。
对本声表面波传感器施加应力变量和温度变量，界面谐振器2与表面谐振器1的频率发生漂移。设表面谐振器1对温度及应力的响应系数为a1、b1，界面谐振器2对温度及应力的
响应系数为a2、b2，温度变量为S，应力变量为T，则两个频率的变化可以表示为：
Δf1＝a1T+b1S，
Δf2＝a2T+b2S
而a1、a2、b1、b2、Δf1、Δf2可以通过测量得到，因此，可以通过计算得出温度与应力的变化。
金(Au)为耐高温材料，因此本发明中的传感器可适用于复杂高温环境中。
如图2所示，本发明中的双敏感源的声表面波传感器的制备方法，包括以下步骤：
A.在LGS衬底基片上镀一层金，在金层上旋涂光刻胶，经过图形化曝光处理之后，形成作为界面谐振器的声表面波谐振器，其包括一个叉指换能器及两侧的反射栅阵组成，叉指换能器的电极材料为金；
B.在LGS衬底基片上溅射沉积厚度大于1个SAW波长的AlN薄膜，且使得AlN薄膜完全覆盖界面谐振器；
C.在AlN薄膜上表面镀一层金，在其表面旋涂光刻胶，在界面谐振器投影到AlN薄膜上表面的位置设置图形，经过曝光处理之后，形成声表面波谐振器并去掉多余部分制造成表面谐振器，即使得表面谐振器在竖直方向的投影与界面谐振器的竖直投影重合。
Claims (4)
1.双敏感源的声表面波传感器，包括衬底基片，其特征在于，所述衬底基片为LGS衬底基片，衬底基片上设置有界面谐振器及AlN薄膜层，AlN薄膜层完全覆盖界面谐振器，AlN薄膜层上设置有表面谐振器，且表面谐振器在竖直方向的投影与界面谐振器的竖直投影重合，所述界面谐振器与表面谐振器皆为声表面波谐振器，声表面波谐振器中的金属薄膜电极的材质为耐高温金属。
2.如权利要求1所述的双敏感源的声表面波传感器，其特征在于，所述界面谐振器与表面谐振器相同。
3.如权利要求1所述的双敏感源的声表面波传感器，其特征在于，耐高温金属为金或铂。
4.根据权利要求1至3中任意一项所述的双敏感源的声表面波传感器，其特征在于，所述AlN薄膜层的厚度大于1个SAW波长。
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