CN106771356B - 一种声表面波谐振器型加速度计结构及其测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种声表面波谐振器型加速度计结构及其测量方法，包括压电基片、制作于压电基片上的声表面波谐振器金属指和叠加在声表面波谐振器金属指之上的同形可浮动质量载荷指。当加速度计结构作向上或向下的加速运动时，质量载荷指因惯性产生向下或向上的位移，其与下层声表面波谐振器金属指的接触面积和作用力发生变化，声表面波谐振器金属指的等效质量发生变化，最终声表面波谐振器的谐振频率发生变化，据此可以测量加速度计结构的运动加速度。与现有技术相比，本发明采用复合指结构的声表面波谐振器作为加速度敏感元件，所包含的质量载荷指的结构、材料、加工方法与下层声表面波谐振器金属指相同或相似，结构新颖，工艺兼容性好，制作方便。
Description
技术领域
本发明涉及传感技术领域，尤其涉及一种声表面波谐振器型加速度计结构及其测量方法。
背景技术
加速度计是一种测量物体运动加速度的传感装置，依据其所采用敏感元件的不同，分为电容式、电感式、压阻式、压电式、谐振式等。
电容式加速度计利用敏感质量块与检测电极间的相对运动导致的电容变化来测定加速度，具有精度高、噪声和温度特性好、功耗低、结构简单等优点，缺点是反应速度慢。
压阻式加速度计利用设置在悬臂梁应力变化最明显部位的压敏元件，检测因敏感质量块发生位移时，悬臂梁上应力的变化所产生的压敏电阻阻值的变化来测定加速度。优点是体积小、低功耗，结构、制作工艺和检测电路都相对简单，易于集成在各种模拟和数字电路中。缺点是温度敏感性大，稳定性差，灵敏度低。
谐振式加速度计利用振梁的力频特性，通过检测其谐振频率的变化量来确定运动加速度的大小，其输出信号为频率信号，测量精度高，易于实现数字化，且体积小、重量轻、功耗低。
声表面波谐振器由制作在压电基片上的叉指换能器和反射器构成。反射器由两组反射指阵列构成一个谐振腔，置于谐振腔内适当位置的叉指换能器所激发的声表面波在两个反射指阵列之间来回反射、加强而发生谐振，谐振频率决定于构成叉指换能器和反射器的金属指的材料参数、结构参数、声表面波波速等。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提供了一种声表面波谐振器型加速度计结构及其测量方法。
本发明的目的是这样实现的，一种声表面波谐振器型加速度计结构，其特征在于：包括压电基片、制作于压电基片上的声表面波谐振器金属指和叠加在声表面波谐振器金属指之上且与声表面波谐振器金属指同形的可浮动的质量载荷指，所述质量载荷指通过制作在声表面波谐振器金属指两端声表面波谐振器汇流电极上的锚锭支撑在声表面波谐振器金属指之上，质量载荷指中部下垂，与其下方的声表面波谐振器金属指局部接触。
所述压电基片的材料为ST切型石英单晶，或者YZ切型铌酸锂单晶。
所述声表面波谐振器金属指、汇流电极的材料为铝、铝铜合金或者金。
所述质量载荷指的材料为铝、铝铜合金、金、二氧化硅或者氮化硅；当质量载荷指的材料为铝、铝铜合金或金，锚锭的材料为二氧化硅或氮化硅；当质量载荷指的材料为二氧化硅或者氮化硅，锚锭的材料为铝、铝铜合金、金、二氧化硅或者氮化硅。
所述声表面波谐振器金属指包括声表面波谐振器叉指换能器的金属叉指、声表面波谐振器反射器的金属反射指。
所述声表面波谐振器型加速度计结构包括压电基片、制作于压电基片上的声表面波谐振器金属指和叠加在声表面波谐振器金属指之上且与声表面波谐振器金属指同形的可浮动的质量载荷指，所述质量载荷指通过制作在声表面波谐振器金属指两端声表面波谐振器汇流电极上的锚锭支撑在声表面波谐振器金属指之上，质量载荷指中部下垂，与其下方的声表面波谐振器金属指局部接触；
若声表面波谐振器型加速度计结构作向下的加速运动，上层质量载荷指上浮，质量载荷指与其下方的声表面波谐振器金属指部分或全部脱离，质量载荷指对下层的声表面波谐振器金属指的压力减小，声表面波谐振器金属指的等效质量因此而减小，声表面波谐振器谐振频率向高端偏移；
若声表面波谐振器型加速度计结构作向上的加速运动，上层质量载荷指下沉，质量载荷指与其下方的声表面波谐振器金属指的接触面增加，对声表面波谐振器金属指的压力增大，声表面波谐振器金属指的等效质量因此而增大，声表面波谐振器谐振频率向低端偏移；
检测声表面波谐振器谐振频率的偏移量，就可以测定声表面波谐振器型加速度计结构的运动加速度。
本发明结构合理简单、方法先进科学，通过本发明，一种声表面波谐振器型加速度计结构，采用复合指结构的声表面波谐振器作为加速度敏感元件，复合指结构由常规声表面波谐振器金属指和叠加在金属指之上的同形的可浮动的质量载荷指构成。当加速度计结构作向上或向下的加速运动时，质量载荷指因惯性产生向下或向上的位移，其与下层声表面波谐振器金属指的接触面积和作用力发生变化，声表面波谐振器金属指的等效质量因此而发生变化，最终声表面波谐振器的谐振频率发生变化，据此可以测量加速度计结构的运动加速度，具体实施步骤如下：
在压电基片上制作声表面波谐振器金属指结构，包括声表面波谐振器叉指换能器的金属叉指、声表面波谐振器反射器的金属反射指；在声表面波谐振器汇流电极上制作锚锭；在声表面波谐振器金属指上方制作支撑在锚锭之上的质量载荷指，质量载荷指的图形结构与声表面波谐振器金属指的图形结构同形；
静态时，质量载荷指中部下垂，与其下方的声表面波谐振器金属指局部接触；
当加速度计结构作向下的加速运动时，上层质量载荷指因惯性上浮，部分或全部脱离下层声表面波谐振器金属指，对下层声表面波谐振器金属指的压力减小，下层声表面波谐振器金属指的等效质量因此而减小，声表面波谐振器的谐振频率向高端偏移。
当加速度计结构作向上的加速运动时，上层质量载荷指因惯性下沉，与下层声表面波谐振器金属指的接触面增加，对下层声表面波谐振器金属指的压力增大，下层声表面波谐振器金属指的等效质量因此而增大，声表面波谐振器的谐振频率向低端偏移；
通过检测声表面波谐振器谐振频率的偏移量，依据声表面波谐振器谐振频率偏移量与加速度计结构所作加速运动的加速度之间的相关关系，确定加速度计结构的运动加速度；
优选的，加速度计结构中的压电基片材料为温度特性较好的ST切型石英单晶，以减小环境温度变化的影响；结构中的下层声表面波谐振器金属指、汇流电极和锚锭的材料为铝、或者铝铜合金、或者金；结构中的上层质量载荷指的材料为铝、或者铝铜合金、或者金等金属材料，也可以为二氧化硅，或者氮化硅等非金属材料。
加速度计结构中的压电基片材料也可为YZ切型铌酸锂单晶。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明采用复合指结构的声表面波谐振器作为加速度敏感元件，所包含的质量载荷指的结构、材料、加工方法与下层声表面波谐振器金属指相同或相似，结构新颖，工艺兼容性好，制作方便。
对市场实施可能性和经济效益预测分析：
目前很多国家都投入了巨大的人力物力对加速度传感器进行研究，并不断取得技术上的突破和应用上的拓展。加速度计的最大用户还是汽车的防撞系统，其次就是手机和笔记本电脑。在消费电子产品中，加速度计更多地被用来检测跌落前的冲击，并且提前停止笔记本电脑磁头的工作以防止碰撞损坏，而随着手机应用的加入，这一市场还将扩大。
附图说明
图1是本发明中的声表面波谐振器金属指结构示意图；
图2是本发明中的叠加在声表面波谐振器金属指之上的质量载荷指结构示意图；
图3是本发明中的加速度计结构处于静态，质量载荷指下垂，局部接触下层声表面波谐振器金属指时的状态示意图；
图4是本发明中的加速度计结构作向上的加速运动时，质量载荷指大部与声表面波谐振器金属指相接触时的状态示意图；
图5是本发明中的加速度计结构作向下的加速运动，质量载荷指部分脱离下层声表面波谐振器金属指时的状态示意图；
图6是本发明中的加速度计结构作向下的加速运动，质量载荷指完全脱离下层声表面波谐振器金属指时的状态示意图。
图中，1 压电基片、2 声表面波谐振器金属指、21声表面波谐振器叉指换能器金属叉指、22 声表面波谐振器反射器金属反射指、3 声表面波谐振器汇流电极、4 质量载荷指、5 锚锭。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细的说明。
具体实施例：
如图1和图2所示的一种基于声表面波谐振器的加速度感测结构和方法，其具体实施步骤为：
（1）选用温度特性较好的ST切型石英单晶材质的压电基片1；
（2）在压电基片1上制作铝质双端对声表面波谐振器金属指2和汇流电极3；
①在压电基片1上溅射铝膜；
② 在溅射于压电基片1表面的铝膜上涂覆光刻胶；
③ 对涂覆于压电单晶基片1上铝膜表面的光刻胶胶膜进行曝光、显影，形成与声表面波谐振器金属指2及其汇流电极3同形的光刻胶胶膜图形；
④ 腐蚀、去胶，得到铝质指结构，即得到铝质双端对声表面波谐振器金属指2和声表面波谐振器汇流电极3。
（3）在铝质声表面波谐振器汇流电极3上制作铝铜合金锚锭5；
① 在上述铝质声表面波谐振器金属指和汇流电极表面涂覆光刻胶；
② 曝光、显影仅去除锚锭制作位置的光刻胶胶膜；
③ 溅射覆盖铝铜合金厚膜层；
④ 去胶剥离，得到铝铜合金材质的锚锭5。
（4）在铝质声表面波谐振器金属指2上方制作支撑在锚锭5之上的质量载荷指4，质量载荷指4的图形结构与铝质声表面波谐振器金属指2的图形结构同形；
① 在铝质声表面波谐振器金属指2和带锚锭5的声表面波谐振器汇流电极3表面涂覆光刻胶；
② 曝光、显影仅去除锚锭5上表面处的光刻胶胶膜；
③ 溅射覆盖铝铜合金厚膜层；
④ 再次涂覆光刻胶；
⑤ 曝光、显影，形成与铝质声表面波谐振器金属指2同形的质量载荷指4的光刻胶胶膜图形；
⑥ 腐蚀、去胶释放，得到两端固定在锚锭5之上的浮空的铝铜合金质量载荷指4。
（5）静态时，铝铜合金质量载荷指4的中部下垂，与其下方的铝质声表面波谐振器金属指2局部接触；
（6）当加速度计结构处于向下的加速运动状态时，上层的铝铜合金质量载荷指4上浮，部分或全部脱离下层铝质声表面波谐振器金属指2，对下层铝质声表面波谐振器金属指2的压力减小，下层铝质声表面波谐振器金属指的等效质量因此而减小，声表面波谐振器的谐振频率向高端偏移；
（7）当加速度计结构处于向上的加速运动状态时，上层的铝铜合金质量载荷指4下沉，与下层铝质声表面波谐振器金属指2的接触面增加，对下层铝质声表面波谐振器金属指2的压力增大，下层铝质声表面波谐振器金属指2的等效质量因此而增大，声表面波谐振器的谐振频率向低端偏移。
（8）检测声表面波谐振器谐振频率的偏移量，确定加速度计结构的运动加速度。
（9）加速度计结构中压电基片材料也可以为YZ铌酸锂压电单晶；下层金属指结构的材料也可以为铝，或者金；上层质量载荷指结构的材料也可以为铝，或者金，或者二氧化硅，或者氮化硅。
熟知本领域的人士将理解，虽然这里为了便于解释已描述了具体实施例，但是可在不背离本发明精神和范围的情况下做出各种改变。因此，除了所附权利要求之外，不能用于限制本发明。
Claims (8)
1.一种声表面波谐振器型加速度计结构，其特征在于：包括压电基片（1）、制作于压电基片（1）上的声表面波谐振器金属指（2）和叠加在声表面波谐振器金属指（2）之上且与声表面波谐振器金属指（2）同形的可浮动的质量载荷指（4），所述声表面波谐振器金属指（2）包括声表面波谐振器叉指换能器的金属叉指（21）、声表面波谐振器反射器的金属反射指（22），所述质量载荷指（4）通过制作在声表面波谐振器金属指（2）两端声表面波谐振器汇流电极（3）上的锚锭（5）支撑在声表面波谐振器金属指（2）之上，质量载荷指（4）中部下垂，与其下方的声表面波谐振器金属指（2）局部接触。
2.根据权利要求1所述的一种声表面波谐振器型加速度计结构，其特征在于：所述压电基片（1）的材料为ST切型石英单晶，或者YZ切型铌酸锂单晶。
3.根据权利要求1所述的一种声表面波谐振器型加速度计结构，其特征在于：所述声表面波谐振器金属指（2）、汇流电极（3）的材料为铝、铝铜合金或者金。
4.根据权利要求1所述的一种声表面波谐振器型加速度计结构，其特征在于：所述质量载荷指（4）的材料为铝、铝铜合金、金、二氧化硅或者氮化硅；当质量载荷指（4）的材料为铝、铝铜合金或金，锚锭（5）的材料为二氧化硅或氮化硅；当质量载荷指（4）的材料为二氧化硅或者氮化硅，锚锭（5）的材料为铝、铝铜合金、金、二氧化硅或者氮化硅。
5.一种声表面波谐振器型加速度计结构的测量方法，其特征是：声表面波谐振器型加速度计结构包括压电基片（1）、制作于压电基片（1）上的声表面波谐振器金属指（2）和叠加在声表面波谐振器金属指（2）之上且与声表面波谐振器金属指（2）同形的可浮动的质量载荷指（4），所述声表面波谐振器金属指（2）包括声表面波谐振器叉指换能器的金属叉指（21）、声表面波谐振器反射器的金属反射指（22），所述质量载荷指（4）通过制作在声表面波谐振器金属指（2）两端声表面波谐振器汇流电极（3）上的锚锭（5）支撑在声表面波谐振器金属指（2）之上，质量载荷指（4）中部下垂，与其下方的声表面波谐振器金属指（2）局部接触；
若声表面波谐振器型加速度计结构作向下的加速运动，上层质量载荷指（4）上浮，质量载荷指（4）与其下方的声表面波谐振器金属指（2）部分或全部脱离，质量载荷指（4）对下层的声表面波谐振器金属指（2）的压力减小，声表面波谐振器金属指（2）的等效质量因此而减小，声表面波谐振器谐振频率向高端偏移；
若声表面波谐振器型加速度计结构作向上的加速运动，上层质量载荷指（4）下沉，质量载荷指（4）与其下方的声表面波谐振器金属指（2）的接触面增加，对声表面波谐振器金属指（2）的压力增大，声表面波谐振器金属指（2）的等效质量因此而增大，声表面波谐振器谐振频率向低端偏移；
检测声表面波谐振器谐振频率的偏移量，就可以测定声表面波谐振器型加速度计结构的运动加速度。
6.根据权利要求5所述的一种声表面波谐振器型加速度计结构的测量方法，其特征在于：所述压电基片（1）的材料为ST切型石英单晶，或者YZ切型铌酸锂单晶。
7.根据权利要求5所述的一种声表面波谐振器型加速度计结构的测量方法，其特征在于：所述声表面波谐振器金属指（2）、汇流电极（3）的材料为铝、铝铜合金或者金。
8.根据权利要求5所述的一种声表面波谐振器型加速度计结构的测量方法，其特征在于：所述质量载荷指（4）的材料为铝、铝铜合金、金、二氧化硅或者氮化硅；当质量载荷指（4）的材料为铝、铝铜合金或金，锚锭（5）的材料为二氧化硅或氮化硅；当质量载荷指（4）的材料为二氧化硅或者氮化硅，锚锭（5）的材料为铝、铝铜合金、金、二氧化硅或者氮化硅。
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