CN104677518B - 声表面波温度传感器 - Google Patents
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Abstract
一种声表面波温度传感器，包括压电陶瓷衬底、反射栅和叉指换能器，其特征在于：所述叉指换能器采用了切比雪夫窗函数作为加权函数的变迹加权设计。依照本发明的采用切比雪夫窗函数变迹加权的声表面波温度传感器，增强温度传感器对其频率响应特性中的旁瓣的抑制能力，解决器件频率响应中主瓣识别困难的问题，增强了声表面波温度传感器的准确性和实用性，同时具有良好的频率温度特性。
Description
技术领域
本发明声表面波器件技术领域，具体地说是一种采用切比雪夫窗函数作为加权函数并选择合适的加权参数对器件的叉指换能器进行变迹加权设计的声表面波温度传感器。
背景技术
当今社会正在飞快地进入以智能感知与泛在网络的共同应用为基础和特征的物联网时代。传感器作为物联网系统的底层和信息采集的关键，决定着整个物联网系统的效率和智能化程度，这也为各种传感器以及相应的传感技术的发展带来了一个重大机遇。作为传感器家族中的重要一员，温度传感器也具有越来越重要的用途。与传统的温度传感器相比，声表面波温度传感器不仅可以与测量介质紧密接触以实现温度数据的准确测量，而且还能采用与雷达系统类似的问询-反馈机制对数据进行无线传输，并且在这一传输过程中也无需敏感元件提供能量，因此具有更为广阔的发展空间。
叉指换能器是声表面波器件的一个重要组成部分。目前声表面波温度传感器一般使用传统的均匀叉指换能器作为器件的声-电能量转换器，但是均匀叉指换能器对器件的频率响应特性中的旁瓣抑制能力极为有限，这使得分辨器件信号变得十分困难，并且极大地削弱了声表面波温度传感器的准确性和实用性。因此迫切需要寻找有效的方法以改善传感器谐振的频响特性。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种声表面波温度传感器，增强温度传感器对其频率响应特性中的旁瓣的抑制能力，解决器件频率响应中主瓣识别困难的问题，以期增强声表面波温度传感器的准确性和实用性。
为此，本发明提供了一种声表面波温度传感器，包括压电陶瓷衬底、反射栅和叉指换能器，其特征在于：所述叉指换能器采用了切比雪夫窗函数作为加权函数的变迹加权设计。
其中，压电陶瓷衬底材料为铌酸锂、钛酸铋钠、钛酸铋钾、铌酸铅钡钠、钛酸铋钡、锆钛酸铅、三硼酸铋、锆钛酸钡钙、钽酸盐型钙钛矿氧化物的任意一种或其组合。
其中，压电陶瓷衬底为55～75度YX切向；可选地，厚度为0.3～0.6mm；可选地，表面粗糙度RMS<＝2.0nm。
其中，反射栅和叉指换能器材料为金属的单质、金属的合金、金属的导电性氮化物或导电性氧化物。其中，所述金属选自Al、Cu、Au、Ag、Ni、Pd、Pt、W、Ti、Ta、Mo、In、Zn、Zr的任意一种或其组合。
其中，反射栅和叉指换能器厚度为50～100nm。
其中，反射栅采用了开路型结构；可选地，器件采用单端口谐振器作为器件的原型结构。
其中，叉指换能器包括两条沿第一方向分布的母线，以及沿第二方向从母线延伸的交错的多个叉指，多个叉指的长度变化符合切比雪夫窗函数。
其中，从一条母线延伸的叉指对面具有从另一条母线延伸出的互补叉指，叉指与互补叉指之间具有间隙，互补叉指的长度变化和/或间隙的分布符合切比雪夫窗函数。
其中，叉指的总数目为30～150个；可选地，叉指的沿第一方向的间距为10～100微米。
其中，反射栅侧面为凹型。
依照本发明的采用切比雪夫窗函数变迹加权的声表面波温度传感器，增强温度传感器对其频率响应特性中的旁瓣的抑制能力，解决器件频率响应中主瓣识别困难的问题，增强了声表面波温度传感器的准确性和实用性，同时具有良好的频率温度特性。
附图说明
以下参照附图来详细说明本发明的技术方案，其中：
图1A和图1B是本发明采用切比雪夫窗函数变迹加权的声表面波温度传感器结构示意图；
图2是传统的采用均匀叉指换能器的声表面波温度传感器结构示意图；
图3是实际制作的本发明采用切比雪夫窗函数变迹加权的声表面波温度传感器的光学显微镜照片；
图4是实际制作的本发明采用切比雪夫窗函数变迹加权的声表面波温度传感器的局部放大的光学显微镜照片；
图5是传统的采用均匀叉指换能器的声表面波温度传感器常温时的频率响应图；
图6是本发明采用切比雪夫窗函数变迹加权的声表面波温度传感器常温时的频率响应图；以及
图7是本发明采用切比雪夫窗函数变迹加权的声表面波温度传感器频率温度特性图。
图中标号：1叉指换能器、2反射栅、3压电衬底。
具体实施方式
以下参照附图并结合示意性的实施例来详细说明本发明技术方案的特征及其技术效果，公开了一种采用切比雪夫窗函数变迹加权的声表面波温度传感器。需要指出的是，类似的附图标记表示类似的结构，本申请中所用的术语“第一”、“第二”、“上”、“下”等等可用于修饰各种器件结构或制造工序。这些修饰除非特别说明并非暗示所修饰器件结构或制造工序的空间、次序或层级关系。
依照本发明的一个实施例，提供了一种采用切比雪夫窗函数变迹加权的声表面波温度传感器，器件采用单端口谐振器作为器件的原型结构。如图1所示，传感器核心的叉指换能器采用切比雪夫窗函数进行了变迹加权设计。
具体地，提供压电陶瓷衬底3，其材质例如铌酸锂、钛酸铋钠、钛酸铋钾、铌酸铅钡钠、钛酸铋钡、锆钛酸铅、三硼酸铋、锆钛酸钡钙、钽酸盐型钙钛矿氧化物等等。在本发明一个实施例中，衬底3为绕Y向X方向旋转55～75度，也即55～75度YX切向，优选地60～70度、64度YX切向，以获得特定的温度系数和良好的压力灵敏度。优选地，衬底3厚度为0.3～0.6mm、最佳0.5mm，表面粗糙度RMS<＝2.0nm，以进一步提高器件的灵敏度。此后对其表面进行清洗并干燥。
在压电陶瓷衬底3上通过电子束蒸发、磁控溅射、CVD(例如PECVD、MOCVD、HDPCVD等)、原子层沉积(ALD)等工艺形成金属化层，其材质包括选自Al、Cu、Au、Ag、Ni、Pd、Pt、W、Ti、Ta、Mo、In、Zn、Zr的金属的单质、这些金属的合金、以及这些金属的导电性氮化物或导电性氧化物。金属化层的厚度为50～100nm，优选70nm。
在金属化层上通过旋涂、喷涂、丝网印刷等工艺形成光刻胶，并曝光显影得到光刻胶图形。随后，以光刻胶图形为掩模刻蚀金属化层以去除不需要的部分，留下的部分构成了图1A、1B所示的反射栅2以及叉指换能器(IDT)1。其中，反射栅2为分布在IDT 1的两侧，为开路型结构，也即多个相互平行、等距间隔分布、长度相同的金属线条。IDT 1至少包括两个沿第一方向平行间隔开的较粗的母线(图1A、1B中沿垂直反射栅2延伸方向(第二方向)的两个粗线条)，沿垂直第一方向的第二方向从相对的母线各自延伸开多个交错排布的叉指，叉指之间沿第一方向的间距相等，沿第二方向的长度不等。
根据本发明的一个实施例，IDT 1采用了变迹加权设计，例如采用切比雪夫窗函数作为加权函数。具体地，IDT 1的叉指如图1A所示，沿第一方向中心部分的叉指长度大，边缘两侧部分的叉指长度小，叉指长度的变化满足切比雪夫窗函数的曲线方程。进一步优选地，如图1B、图3、图4所示，在与一条母线相连的叉指沿第二方向的另一侧，具有从另一条母线沿第二方向延伸出来的互补的叉指，以合理调整叉指电极之间的间隙，并且相对的叉指之间的间隙在XY平面上的分布也满足切比雪夫窗函数的曲线方程，以保持波形传播速度的均匀性并获得高Q值。
任选地，反射栅2在压电陶瓷衬底3上的侧壁为凹型，例如通过湿法腐蚀以侧向侵蚀，由此增强了波形在器件上的反射效率，提高了器件性能。
任选地，IDT 1叉指的总数目为30～150个，优选50～100、最佳60个，以增强叉指长度的变化与切比雪夫窗函数的曲线方程之间的拟合度。
任选地，叉指之间沿第一方向的间距为10～100微米，优选20～80微米、最佳30微米。
虽然以上是先沉积金属化层随后刻蚀形成各个电极，但是也可以先形成光刻胶图形随后蒸发、溅射、CVD形成电极图形1、2之后再剥离去除光刻胶以留下反射栅2和IDT 1。
根据本发明一个实施例，具体制作工艺如下：
1.选取已有的64°YX切向的铌酸锂(LiNbO3)压电衬底3，其厚度为0.5mm，表面粗糙度RMS≤2.0nm，对其表面进行清洗并干燥。
2.在清洗及干燥后的64°YX切向的铌酸锂压电衬底表面涂覆光刻胶并采用之前设计制作完成的掩膜版进行曝光显影，相应的光刻工艺条件为：光刻胶选用苏州瑞红公司产RZJ304(50mpa.s)，匀胶机转速为3500rpm，曝光时间为10s，匀胶时间为40s，分别在120℃的温度下前烘90s，后烘120s；
3.在涂覆了光刻胶并曝光显影后的压电衬底上采用电子束蒸发工艺制备金属铝(Al)薄膜，相应的电子束蒸发工艺条件为：蒸发源选用纯度为99.99％铝蒸发源，纯度在99.99％以上，蒸发腔室的真空度小于5×10-4Pa，电子枪电压为9kV,电子枪电流为0.2A。
4.采用丙酮溶剂对电子束蒸发的金属铝(Al)薄膜进行剥离(Lift-off),待剥离完全后，依次采用异丙醇和去离子水对晶片进行清洗干燥。
本发明提供的采用切比雪夫窗函数变迹加权的声表面波温度传感器，增强温度传感器对其频率响应特性中的旁瓣的抑制能力，解决器件频率响应中主瓣识别困难的问题，增强了声表面波温度传感器的准确性和实用性，同时具有良好的频率温度特性。
如图2所示，图2是一种传统的采用均匀叉指换能器的声表面波温度传感器结构示意图。对比本发明，区别在于本发明的声表面波温度传感器的叉指换能器采用了切比雪夫窗函数进行了变迹加权设计，因此叉指换能器的指条长度呈现规律性的变化。
如图3和图4所示，图3是实际制作的本发明采用切比雪夫窗函数变迹加权的声表面波温度传感器的光学显微镜照片，图4是是实际制作的本发明采用切比雪夫窗函数变迹加权的声表面波温度传感器的局部放大的光学显微镜照片。从这两幅图中可以看到位于器件中间位置的采用切比雪夫窗函数变迹加权的叉指换能器不同于传统的均匀叉指换能器，其指条长度呈现规律性变化，这种规律性变化会对器件的频率响应特性产生影响。
如图5和图6所示，图5是传统的采用均匀叉指换能器的声表面波温度传感器常温时的频率响应图，图6是本发明采用切比雪夫窗函数变迹加权的声表面波温度传感器常温时的频率响应图。对比两幅图中的数据可以明显的看到，本发明采用切比雪夫窗函数变迹加权的声表面波温度传感器的主瓣高度高于传统的声表面波温度传感器，因此具有更强的旁瓣抑制能力。
如图7所示，图7是本发明采用切比雪夫窗函数变迹加权的声表面波温度传感器频率温度特性图。从图中可以发现，本发明的传感器的中心频率随温度的上升而逐渐下降，并且相应的频率温度特性曲线具有良好的线性度。
本发明结构简单、易于制作并对高温较强的耐受性，因此适用于石油化工、航空航天、机械冶金等领域所涉及高温环境中的温度测量。
依照本发明的采用切比雪夫窗函数变迹加权的声表面波温度传感器，增强温度传感器对其频率响应特性中的旁瓣的抑制能力，解决器件频率响应中主瓣识别困难的问题，增强了声表面波温度传感器的准确性和实用性，同时具有良好的频率温度特性。
尽管已参照一个或多个示例性实施例说明本发明，本领域技术人员可以知晓无需脱离本发明范围而对器件结构或方法流程做出各种合适的改变和等价方式。此外，由所公开的教导可做出许多可能适于特定情形或材料的修改而不脱离本发明范围。因此，本发明的目的不在于限定在作为用于实现本发明的最佳实施方式而公开的特定实施例，而所公开的器件结构及其制造方法将包括落入本发明范围内的所有实施例。
Claims (13)
1.一种声表面波温度传感器，包括压电陶瓷衬底、反射栅和叉指换能器，其特征在于：所述叉指换能器采用了切比雪夫窗函数作为加权函数的变迹加权设计，反射栅的侧壁为凹型。
2.如权利要求1的声表面波温度传感器，其中，压电陶瓷衬底材料为铌酸锂、钛酸铋钠、钛酸铋钾、铌酸铅钡钠、钛酸铋钡、锆钛酸铅、三硼酸铋、锆钛酸钡钙、钽酸盐型钙钛矿氧化物的任意一种或其组合。
3.如权利要求1的声表面波温度传感器，其中，压电陶瓷衬底厚度为0.3～0.6mm。
4.如权利要求1的声表面波温度传感器，其中，表面粗糙度RMS<＝2.0nm。
5.如权利要求1的声表面波温度传感器，其中，反射栅和叉指换能器材料为金属的单质、金属的合金、金属的导电性氮化物或导电性氧化物。
6.如权利要求5的声表面波温度传感器，其中，所述金属选自Al、Cu、Au、Ag、Ni、Pd、Pt、W、Ti、Ta、Mo、In、Zn、Zr的任意一种或其组合。
7.如权利要求1的声表面波温度传感器，其中，反射栅和叉指换能器厚度为50～100nm。
8.如权利要求1的声表面波温度传感器，其中，反射栅采用了开路型结构。
9.如权利要求1的声表面波温度传感器，其中，器件采用单端口谐振器作为器件的原型结构。
10.如权利要求1的声表面波温度传感器，其中，叉指换能器包括两条沿第一方向分布的母线，以及沿第二方向从母线延伸的交错的多个叉指，多个叉指的长度变化符合切比雪夫窗函数。
11.如权利要求10的声表面波温度传感器，其中，从一条母线延伸的叉指对面具有从另一条母线延伸出的互补叉指，叉指与互补叉指之间具有间隙，互补叉指的长度变化和/或间隙的分布符合切比雪夫窗函数。
12.如权利要求10的声表面波温度传感器，其中，叉指的总数目为30～150个。
13.如权利要求1的声表面波温度传感器，其中，叉指的沿第一方向的间距为10～100微米。
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