CN106053595A - 具有高品质因数的Lamb波传感器 - Google Patents

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Abstract

本案涉及一种具有高品质因数的Lamb波传感器，包括：衬底层，其具有薄膜层和腐蚀槽；薄膜层所对应的区域为传感区，薄膜层以外的衬底层上所对应的区域为非传感区；压电层，其设置在衬底层上的远离腐蚀槽的一侧；叉指电极，其设置在压电层表面，包括有输入端和输出端；反射栅，其设置在压电层表面，并位于非传感区内；其中，反射栅被设置在叉指电极的两侧，且位于Lamb波的运动路径上。本案通过在薄膜以外的区域添加反射栅结构，并设计反射栅和IDT的线条之间的间距，实现了Lamb波传感器品质因数的有效增益；在保证理想幅频和相频特性的基础上，达到Lamb波传感器品质因数增益的目的，从而有效降低传感器测试的检测限。

Description

具有高品质因数的Lamb波传感器
技术领域
本发明涉及一种Lamb波传感器，特别涉及一种具有高品质因数的Lamb波传感器。
背景技术
传感器的品质因数(Q值)用来表征器件声波能量的损失，Q值越大代表传感器插入损耗越小，相应的器件测试的信噪比越大，从而有效降低传感器测试的检测限，因此品质因数的增益一直是传感器优化设计的重点方向。
Lamb波传感器作为薄膜压电传感器的一种，相比常规石英晶体微天平(QCM)和表面声波传感器(SAW)两类器件能获取更低的检测限，同时该传感器由于电极和样品测试区域位于薄膜的两侧，便于进行液体样品的测试，可广泛应用于生物制药、食品质量、水质安全等多个领域。目前，延迟线型Lamb波传感器应用最广泛，主要原因在于薄膜声速的大小可通过薄膜的厚度和叉指电极(IDT)的参数决定，但是该类Lamb波传感器的薄膜声波遇到侧面“墙壁”时，即腐蚀槽的侧壁，能量损耗部分被吸收，其余部分则以声表面波的形式在侧墙壁的表面传播，导致了器件的Q值一定程度的降低。
SAW谐振器理论表明，叉指电极所激发的声表面波，入射到以一定周期放置的反射栅时，满足布拉格谐振频率的入射波和反射波相干叠加，然后在输出IDT中得到相应的窄带输出波形，这种添加反射栅的方法可理解为代表一种能量的增强方式，可有效提高器件谐振区域的Q值。目前涉及Lamb波传感器测试的文献中有涉及采用反射栅和IDT一起置于薄膜区域内的方法，该种方法试图通过薄膜区域的谐振方式实现品质因数的增益。但是该方法有两个主要缺点：1)薄膜区域发生谐振时反射栅和叉指电极同时振动，会影响IDT传输信号的稳定反射，尤其反射栅作为非传感区域一同振动，不利于能量的有效增强；2)相同面积的薄膜区域，反射栅与IDT同时覆盖相比IDT单独覆盖，势必出现IDT的数量变少或者线条尺寸变细的现象，而IDT的数量变少会导致信号的谐振强度变弱，线条尺寸变细则加大了器件制作工艺的难度。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本案提出一种具有高品质因数的Lamb波传感器，其通过在薄膜以外的区域添加反射栅结构，反射栅边界条件得到限制实现IDT传输信号稳定的反射过程，并设计反射栅和IDT的线条之间的间距，实现Lamb波传感器品质因数的有效增益。
为实现上述目的，本案通过以下技术方案实现：
一种具有高品质因数的Lamb波传感器，其包括：
衬底层，其具有一个经刻蚀后形成的薄膜层，被刻蚀的区域形成一个腐蚀槽；薄膜层所对应的区域为传感区，薄膜层以外的衬底层上所对应的区域为非传感区；
压电层，其设置在所述衬底层上的远离所述腐蚀槽的一侧；
叉指电极，其设置在所述压电层表面，并位于所述传感区内；所述叉指电极包括有输入端和输出端；
反射栅，其设置在所述压电层表面，并位于所述非传感区内；
其中，所述反射栅被设置在所述叉指电极的两侧，且位于Lamb波的运动路径上。
优选的是，所述的具有高品质因数的Lamb波传感器，其中，所述叉指电极的外沿距离所述反射栅的外沿的最小距离D＝λ×(n+1/2)，其中，λ为Lamb波的波长；n为整数，且n≥0。
优选的是，所述的具有高品质因数的Lamb波传感器，其中，所述压电层上还设置有地电极。
优选的是，所述的具有高品质因数的Lamb波传感器，其中，所述叉指电极为等宽叉指电极，且相邻叉指之间的间隙距离为λ×1/4，其中，λ为Lamb波的波长。
优选的是，所述的具有高品质因数的Lamb波传感器，其中，所述反射栅中每个栅与栅之间的间距≤所述叉指电极的线条宽度。
优选的是，所述的具有高品质因数的Lamb波传感器，其中，所述反射栅中每个栅的宽度≤所述叉指电极的线条宽度。
本发明的有益效果是：本案通过在薄膜以外的区域添加反射栅结构，并设计反射栅和IDT的线条之间的间距，实现了Lamb波传感器品质因数的有效增益；在保证理想幅频和相频特性的基础上，达到Lamb波传感器品质因数增益的目的，从而有效降低传感器测试的检测限。
附图说明
图1为具有高品质因数的Lamb波传感器的截面图。
图2为具有高品质因数的Lamb波传感器的俯视图。
图3为一种带有假指的变迹IDT方式的Lamb波传感器的俯视图。
图4为一种单端谐振方式的IDT方式的Lamb波传感器的俯视图。
图5为一种叉指电极沿薄膜宽度方向进行覆盖的Lamb波传感器的俯视图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
如图1和图2所示，本案列出一实施例的具有高品质因数的Lamb波传感器，其包括：
衬底层1，其具有一个经刻蚀后形成的薄膜层2，被刻蚀的区域形成一个腐蚀槽3；薄膜层2所对应的区域为传感区10，薄膜层2以外的衬底层1上所对应的区域为非传感区11；
压电层4，其设置在衬底层1上的远离腐蚀槽3的一侧；
叉指电极5，其设置在压电层4表面，并位于传感区10内；叉指电极5包括有输入端6和输出端7；
反射栅8，其设置在压电层4表面，并位于非传感区11内；
其中，反射栅8被设置在叉指电极5的两侧，且位于Lamb波的运动路径上。
Lamb波传感器是采用MEMS体硅工艺从硅片反面刻蚀去除大部分的硅衬底材料，以便在压电振荡堆的下表面形成空气交界面，从而将声波限制于压电振荡堆之内。该器件通过硅基衬底背面进行干法或湿法刻蚀获得薄膜层，该薄膜层区域硅基厚度通常控制在2-20微米的范围，然后在硅基衬底上沉积压电层和叉指电极，Lamb波传感器的工作原理为：叉指电极输入端获取电信号后，在薄膜处压电薄膜产生逆压电效应将电信号转变为机械能进行传播，后由压电薄膜的正压电效应，机械能转化为电能，并经叉指电极输出端引出电信号。
现有的Lamb波传感器的薄膜声波遇到侧面“墙壁”时，能量损耗部分被吸收，其余部分则以声表面波的形式在侧墙壁的表面传播，导致了器件的Q值一定程度的降低。SAW谐振器理论表明，叉指电极IDT所激发的声表面波，入射到以一定周期放置的反射栅时，满足布拉格谐振频率的入射波和反射波相干叠加，然后在输出IDT中得到相应的窄带输出波形，这种添加反射栅的方法可理解为代表一种能量的“回收”方式，可有效提高器件谐振区域的Q值。因此，为了获取较为理想的幅频和相频曲线，在上述实施例中，叉指电极5的外沿距离反射栅8的外沿的最小距离D＝λ×(n+1/2)，其中，λ为Lamb波的波长；n为整数，且n≥0。
在上述实施例中，压电层4上还优选设置有地电极9。地电极9通常是沉积压电层之前沉积的一层金属薄膜，如铝、钨、铂、钼等，通过压电层和上电极IDT的图形化实现该电极能够引出，相比无地电极可获取更高的机电耦合系数。
在上述实施例中，叉指电极5优选为等宽叉指电极，且相邻叉指之间的间隙距离为λ×1/4，其中，λ为Lamb波的波长。
在上述实施例中，反射栅8中每个栅与栅之间的间距≤叉指电极5的线条宽度。
在上述实施例中，反射栅8中每个栅的宽度≤叉指电极5的线条宽度。
本案所用的叉指电极5并不局限于图2所示的情形，它还可以是图3-5所示出的情形。图3为带有假指的变迹IDT方式，可用于减少因IDT二阶效应中波阵面的畸变所导致的器件性能下降的影响。图4为一种单端谐振方式的IDT方式，叉指电极覆盖整个传感区域。图5中叉指电极沿薄膜宽度方向进行覆盖薄膜。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。

Claims (6)

1.一种具有高品质因数的Lamb波传感器，其特征在于，包括：
衬底层，其具有一个经刻蚀后形成的薄膜层，被刻蚀的区域形成一个腐蚀槽；薄膜层所对应的区域为传感区，薄膜层以外的衬底层上所对应的区域为非传感区；
压电层，其设置在所述衬底层上的远离所述腐蚀槽的一侧；
叉指电极，其设置在所述压电层表面，并位于所述传感区内；所述叉指电极包括有输入端和输出端；
反射栅，其设置在所述压电层表面，并位于所述非传感区内；
其中，所述反射栅被设置在所述叉指电极的两侧，且位于Lamb波的运动路径上。
2.如权利要求1所述的具有高品质因数的Lamb波传感器，其特征在于，所述叉指电极的外沿距离所述反射栅的外沿的最小距离D＝λ×(n+1/2)，其中，λ为Lamb波的波长；n为整数，且n≥0。
3.如权利要求1所述的具有高品质因数的Lamb波传感器，其特征在于，所述压电层上还设置有地电极。
4.如权利要求1所述的具有高品质因数的Lamb波传感器，其特征在于，所述叉指电极为等宽叉指电极，且相邻叉指之间的间隙距离为λ×1/4，其中，λ为Lamb波的波长。
5.如权利要求1所述的具有高品质因数的Lamb波传感器，其特征在于，所述反射栅中每个栅与栅之间的间距≤所述叉指电极的线条宽度。
6.如权利要求1所述的具有高品质因数的Lamb波传感器，其特征在于，所述反射栅中每个栅的宽度≤所述叉指电极的线条宽度。
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