CN106404919A - 声表面波传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种声表面波传感器，所述传感器由Si衬底、SiO2缓冲层、换能器IDT、ZnO薄膜组成多层结构，所述多层结构从上之下依次为ZnO薄膜、换能器IDT、SiO2缓冲层及Si衬底，所述换能器IDT为同心环形结构。本发明能够有效减少声表面波向自由空间的衍射现象，减少压电基片各向异性对声电转换的影响，从而提高声电转换效率；同时可以用于生物检测的液相检测环境。
Description
技术领域
本发明涉及声表面波器件技术领域，尤其涉及一种声表面波传感器。
背景技术
1979年，Wohltjen和Dessy最早报道了采用声表面波(SAW)延迟线振荡器探测化学蒸汽，由此开启了人们对一种新型传感器——声表面波传感器的研究之门。声表面波是在物体表面附近传播的一种弹性波，其振幅随深入物体表面的深度按指数规律衰减。声表面波传感器主要包括敏感材料及由压电基片材料、金属叉指换能器IDT构成的换能器两部分。压电材料表面上的IDT能够激励产生、接收声表面波，完成电磁波和声波之间的转换。在压电材料表面淀积敏感材料，敏感材料会受到周围物理、化学、生物量的影响，使得在压电材料表面传输的声表面波的波速、幅度、相位、粘弹性发生变化，通过测量变化值，达到量化检测外部物理、化学、生物量的目的。声表面波传感器多采用双延迟线通路结构，其中一路延迟线选择性沉积敏感材料用于测量，另一个延迟线作为参考，再利用混频技术抑制环境条件变化的影响。现有的声表面波器件是在压电基片上面制作条状矩形IDT。
在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中至少存在如下技术问题：
在压电基片上面制作条状矩形IDT，由于声表面波沿各向异性压电基片的不同晶向的传输特性不同，因而存在严重的声表面波衍射，导致声表面波传输损耗大，声电转换效率低。此外在液相检测环境下，压电基片介电常数远小于液体主要成分水的介电常数，容易导致瑞利波和横向极化剪切波激励产生的高频电信号短路，造成信号严重衰减。
发明内容
本发明提供的声表面波传感器，能够有效减少声表面波向自由空间的衍射现象，减少压电基片各向异性对声电转换的影响，从而提高声电转换效率；同时可以用于生物检测的液相检测环境。
本发明提供一种声表面波传感器，所述声表面波传感器由Si衬底、SiO2缓冲层、换能器IDT、ZnO薄膜组成多层结构，所述多层结构从上之下依次为ZnO薄膜、换能器IDT、SiO2缓冲层及Si衬底，所述换能器IDT为同心环形结构。
可选地，所述ZnO薄膜的c轴平行于所述Si衬底或者垂直于所述Si衬底。
可选地，所述IDT为完整的同心环形，输入端为外圈IDT，输出端为内圈IDT。
可选地，所述IDT通过多层金属布线工艺形成，第一层金属布线工艺制作同心环形IDT，第二层金属布线工艺实现环形IDT和金属电极引脚的连接。
可选地，在所述外圈IDT及内圈IDT之间涂覆有敏感材料。
可选地，所述IDT为不完整的同心环形，输入IDT与输出IDT组成环形叉指结构。
可选地，所述IDT通过一层金属布线工艺形成所述同心环形IDT及所述同心环形IDT与金属电极引脚的连接。
可选地，在所述输入IDT与输出IDT组成的环形叉指结构外圈设置有环形反射栅，在所述环形叉指结构与所述反射栅之间涂覆有敏感材料。
可选地，所述声表面波传感器采用单通道或者多通道。
可选地，所述传感器的输入端及输出端的信号传输为无源无线型、有源无线型或有源有线型。
本发明实施例提供的声表面波传感器，由Si衬底、SiO2缓存层、IDT及ZnO薄膜组成多层结构，IDT被SiO2、ZnO两种压电材料包裹覆盖，减少了声表面波向自由空间的衍射现象，提高声电转换效率。同时IDT设计成同心环形结构，能够有效减少压电基片各向异性对声电转换的影响，进一步提高了声电转换效率。此外本发明提供的声表面波传感器，当ZnO薄膜的c轴平行于衬底时可以用于生物检测的液相检测环境，当ZnO薄膜的c轴垂直于衬底时可以用于其它的非液相检测环境。
附图说明
图1a为本发明一实施例IDT为完整环形的声表面波传感器的结构示意图；
图1b为本发明另一实施例IDT为不完整环形的声表面波传感器的结构示意图；
图2a为本发明一实施例声表面波传感器中的完整环形的IDT的结构示意图；
图2b为本发明另一实施例声表面波传感器中的不完整环形的IDT的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供一种声表面波传感器，如图1a及图1b所示，所述声表面波传感器由Si衬底、SiO2缓冲层、换能器IDT、ZnO薄膜组成多层结构，所述多层结构从上之下依次为ZnO薄膜、换能器IDT、SiO2缓冲层及Si衬底，如图2a及图2b所示，所述换能器IDT为同心环形结构。
本发明实施例提供的声表面波传感器，由Si衬底、SiO2缓存层、IDT及ZnO薄膜组成多层结构，IDT被SiO2、ZnO两种压电材料包裹覆盖，减少了声表面波向自由空间的衍射现象，提高声电转换效率。同时IDT设计成同心环形结构，能够有效减少压电基片各向异性对声电转换的影响，进一步提高了声电转换效率。此外本发明提供的声表面波传感器，当ZnO薄膜的c轴平行于衬底时可以用于生物检测的液相检测环境，当ZnO薄膜的c轴垂直于衬底时可以用于其它的非液相检测环境。
可选地，所述ZnO薄膜的c轴平行于所述Si衬底或者垂直于所述Si衬底。
可选地，所述IDT为完整的同心环形，输入端为外圈IDT，输出端为内圈IDT。
可选地，所述IDT通过多层金属布线工艺形成，第一层金属布线工艺制作同心环形IDT，第二层金属布线工艺实现环形IDT和金属电极引脚的连接。
可选地，在所述外圈IDT及内圈IDT之间涂覆有敏感材料。
可选地，所述IDT为不完整的同心环形，输入IDT与输出IDT组成环形叉指结构。
可选地，所述IDT通过一层金属布线工艺形成所述同心环形IDT及所述同心环形IDT与金属电极引脚的连接。
可选地，在所述输入IDT与输出IDT组成的环形叉指结构外圈设置有环形反射栅，在所述环形叉指结构与所述反射栅之间涂覆有敏感材料。
可选地，所述声表面波传感器采用单通道或者多通道。
可选地，所述传感器的输入端及输出端的信号传输为无源无线型、有源无线型或有源有线型。
具体地，本发明涉及的一种声表面波传感器，选择Si/SiO2/IDT/ZnO多层材料结构，Si/SiO2/IDT/ZnO多层材料结构如图1a及图1b所示，由Si衬底、SiO2缓冲层、IDT、ZnO薄膜组成。在Si衬底上生长缓冲层SiO2，在缓冲层SiO2上面制作IDT，再生长ZnO薄膜，生长的ZnO薄膜的c轴可以平行于衬底，也可以垂直于衬底，当ZnO薄膜的c轴平行于衬底时，可以用于生物检测的液相检测环境，当ZnO薄膜的c轴垂直于衬底时可以用于其它的非液相检测环境。在这种多层结构中，IDT被SiO2、ZnO两种压电材料包裹覆盖，减少了声表面波向自由空间的衍射现象，提高声电转换效率。在声表面波传感器的多层结构中，IDT设计成同心环形结构，如图2a及图2b所示，在图2a中，IDT的同心环形为完整的同心环形，输入端为外圈IDT，输出端为内圈IDT。输入端电极引脚与外圈的同心环形通过导线连接，输出端电极引脚与内圈的同心环形通过导线连接，图1a中的IDT为图2a中的环形IDT的截面图，其中横线部分为与输入端电极引脚或输出端电极引脚连接的导线。因为在图2a中的输出端电极引脚与内圈IDT连接的导线横跨外圈IDT，该导线与外圈IDT需要绝缘处理以避免短路，因而该结构可以通过多层金属布线工艺形成，第一层金属布线工艺制作同心环形IDT，第二层金属布线工艺实现环形IDT和金属电极引脚的连接。在外圈IDT及内圈IDT之间涂覆敏感材料。
在图2b中IDT为不完整的同心环形，输入IDT与输出IDT组成环形叉指结构。输入端电极引脚及输出端电极引脚分别与两个IDT通过导线连接，该不完整同心环形IDT通过一层金属布线工艺形成所述同心环形IDT及所述同心环形IDT与金属电极引脚的连接，图1b中的IDT为图2b中的环形IDT的截面图。在输入IDT与输出IDT组成的环形叉指结构外圈设置环形反射栅，在所述环形叉指结构与所述放射栅之间涂覆敏感材料。
本发明实施例提供的声表面波传感器，可以设置多个图2a或图2b中的IDT结构，以实现多通道，其中一路通道中的敏感材料上不设置任何待测物品以做参考，其他通道中的敏感材料上可以设置不同的待测物品。本发明实施例提供的传感器的输入端及输出端的信号传输可以为无源无线型，也可以为有源无线型，还可以为有源有线型。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种声表面波传感器，其特征在于，所述声表面波传感器由Si衬底、SiO2缓冲层、换能器IDT、ZnO薄膜组成多层结构，所述多层结构从上之下依次为ZnO薄膜、换能器IDT、SiO2缓冲层及Si衬底，所述换能器IDT为同心环形结构。
2.根据权利要求1所述的声表面波传感器，其特征在于，所述ZnO薄膜的c轴平行于所述Si衬底或者垂直于所述Si衬底。
3.根据权利要求2所述的声表面波传感器，其特征在于，所述IDT为完整的同心环形，输入端为外圈IDT，输出端为内圈IDT。
4.根据权利要求3所述的声表面波传感器，其特征在于，所述IDT通过多层金属布线工艺形成，第一层金属布线工艺制作同心环形IDT，第二层金属布线工艺实现环形IDT和金属电极引脚的连接。
5.根据权利要求3所述的声表面波传感器，其特征在于，在所述外圈IDT及内圈IDT之间涂覆有敏感材料。
6.根据权利要求2所述的声表面波传感器，其特征在于，所述IDT为不完整的同心环形，输入IDT与输出IDT组成环形叉指结构。
7.根据权利要求6所述的声表面波传感器，其特征在于，所述IDT通过一层金属布线工艺形成所述同心环形IDT及所述同心环形IDT与金属电极引脚的连接。
8.根据权利要求6所述的声表面波传感器，其特征在于，在所述输入IDT与输出IDT组成的环形叉指结构外圈设置有环形反射栅，在所述环形叉指结构与所述反射栅之间涂覆有敏感材料。
9.根据权利要求1-8中任一项所述的声表面波传感器，其特征在于，所述声表面波传感器采用单通道或者多通道。
10.根据权利要求1-8中任一项所述的声表面波传感器，其特征在于，所述传感器的输入端及输出端的信号传输为无源无线型、有源无线型或有源有线型。
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