CN1067963A - 水晶伪表面波压力敏感元件 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种水晶伪表面波压力敏感元 件。它利用水晶材料的优良弹性、压电性和温度稳定 性，并把工作频率高、稳定性可比瑞利波(欲称声表面 波)高近一个数量级的伪表面波模式引入传感器工作 机制。本发明提出一种谐波工作的4指-3指叉指电 极(分割——并接——悬浮式叉指结构)，以及多功能 的能量捕集器，获得具有高纯频谱、高负载能力，温度 特性可调整的压力敏感元件。

Description

本发明专利涉及压力敏感装置。尤其是一种水晶伪表面波压力敏感元件。

近些年来，国内外出现了一种高性能的新型传感器-水晶表面波压力传感器（SAWPS）。涉及此种传感器的专利较多，如美国专利3848144、3863493、3978731，日本公开特许昭61-207942，苏联发明742734和1177696A等。目前的水晶表面波压力传感器全部使用瑞利波模式（Rayleigh    wave）俗称声表面波。严格地说，应称为水晶瑞利波压力传感器。其心脏部分是水晶瑞利波压力敏感元件。

图1为目前使用的延迟线型瑞利表面波压力敏感元件的典型结构图。

1是经研磨和抛光的压电石英单晶片（俗称水晶基片），通常采用长方形，并在其边缘涂覆吸声材料，例如：吸声橡胶、环氧树脂等以抑制基片边缘声反射。A、B、C、D是叉指换能器（IDT）。因其形状如叉开的手指而得名。当输入IDT    A、C上外加电信号时，则在水晶表面上激励起瑞利波波束8并传播到输出IDT    B和D。为了提高压力灵敏度，在基片的背面利用机械法（研磨、超声波加工等）或化学刻蚀法制作盲孔2俗称水晶杯。IDTA包括超声键合电极4和5、汇流条6、7以及n个重复周期的电极区段M₁、M₂……M_n通常取n＝100～1000。在每个重复周期电极内，例如M₁区段内（虚线框）有4条指N₁，N₂，N₃，N₄，其中N₁、N₂相邻并且与上汇流条6相连，N₃、N₄相邻并且与汇流条7相连。N₁、N₂与N₃、N₄相叉。每条叉指电极的指宽、指间间隙和相邻汇流条的间隙均为λs/8，式中λs是中心频率时水晶的瑞利波波长。

当被测压力加在水晶杯上时，水晶杯膜片3产生应变，则使其表面上传播的瑞利波8的特性发生变化，当与外电路相联构成振荡器，则其频率随之变化。因此可以测得压力的大小。IDT    C的C、D的结构与IDT的A、B结构完全相同，设置IDT    C、D的目的是为了利用差频原理，进行温度补偿。目前此种敏感元件存在某些问题：瑞利波的质点位移振幅随着深度呈指数衰减，其能量绝大部分集中在表面一个波长的范围内。因此，水晶表面的缺陷（位错等），表面加工缺陷、划痕、灰尘等都会影响瑞利波的传播特性。另外，任何固体、液体与水晶杯上表面的物理接触都会使瑞利波振幅发生很大衰减，使振荡器停振。因此，瑞利波压敏元件不能进行表面钝化或者在其外壳内部充填硅油等导压液，使芯片与被测环境隔离。这严重地限制了它在恶劣环境下使用。

本发明的目的在于：针对上述问题，提供一种压力分辨率大，温度稳定性佳，长期稳定性好，并可进行表面钝化和（或者）充填导压液的水晶伪表面波压力敏感元件。

本发明技术解决方案：

输入、输出端的叉指换能器（IDT）分别为四指、三指-分割、并联、悬浮式。具体结构为：

输入端叉指换能器E、G的每个周期区段Q_n、T_n（n＝100～1000），设置八个以输入端中汇流条对称的指电极V₁～V₄和u₁～u₄;指电极V₃、V₄和u₃、u₄对称连接于输入端中汇流条;指电极V₁、u₁以输入端中汇流条对称分别连接于输入端上、下汇流条;并且，在指电极V₁和V₃之间，u₁和u₃之间分别设置一个悬浮指电极V₂和u₂。而在输出端叉指换能器F、H的每个周期区段J_n、P_n（n＝100～1000），设置六个以输出端中汇流条对称的指电极W₁～W₃和R₁～R₃：指电极W₁、R₁对称连接于输出端中汇流条;指电极W₂、R₂以输出端中汇流条对称分别连接于输出端上、下汇流条;指电极W₃、R₃分别悬浮于指电极W₂、R₂的左则。

本发明优点：

1、它大大地降低了伪表面波电极V₁、V₂…V_n、u₁、u₂…u_n、W₁、W₂…W_n、R₁、R₂…R_n上的反射。因为这两种IDT仅使需要的谐波重合而其它次谐波或基波相互偏置，所以频谱干净，从而可以获得与常规设计的插入损耗相同而谐波和杂波抑制提高15～20dB的敏感元件。

2、此结构的金属指电极的条宽较基波工作的常规IDT指电极宽2～3倍以上，因此大大提高了成品率。

3、此种IDT的动态阻抗高于常规IDT而静电容小于常规IDT，因此其阻抗较高，便于与放大器实现共扼匹配或对象阻抗匹配，提高了其负载能力同时改善了设计自由度。

下面结合附图2说明本发明最佳实施例：

附图2中，1压电石英单晶片，E、F、G、H叉指换能器（IDT），2水晶杯、3杯底膜片、4、5、9、15、16、17超声键合电极，6输入端上汇流条、7输入端下汇流条、8伪表面波波束、10输入端中汇流条、11多功能能量捕集器、12输出端上汇流条、13输出端中汇流条、14输出端下汇流条、Q₁～Q_n、T₁～T_n（n＝100～1000）输入端周期电极区段，V₁～V₄、u₁～u₄对应Q₁段的指电极，J₁～J_n、P₁～P_n（n＝100～1000）输出端周期电极区段，W₁～W₄、R₁～R₄对应J₁段的指电极。本实施例中：输入IDT每个指电极的宽度指电极之间的间隙和指电极与相邻汇流条的间隙均为3λ₀/8;输出IDT每个指电极的宽度指电极之间的间隙和指电极与相邻汇条的间隙均为λ₀/3并且在输入、输出端中汇流条10、13的端分别设置一个超声键合电极17和16。另外，该图中的多功能能量捕集器11，其结构可以是输入端或输出端叉指换能器（IDT）的1～20（n＝1～20）个周期区段（即该捕集器的结构为Q_n或J_n〈n＝1～20〉）或为铝膜。图2中的捕集器11为Q_n结构、其中18、19为该器的超声键合电极，设置该捕集器的目的是因为伪表面波边传播，边向晶体内部辅射能量，所以当IDT的E、G、与IDT F、H距离较远时，损耗太大。加入能量捕集器后，改变了伪表面波传播边界条件，使其沿水晶表层传播减少了能量漏泄，其作用如下：

（1）降低插入损耗，（2）作为屏蔽电极，抑制输入，输出IDT之间的电磁直接耦合，（3）作为伪表面波延迟线的质量加载，可微调频率，也可调整温度特性。

下面结合图2说明其工作过程：

当IDT    E、G以及IDT    F、H与宽带低噪声射频放器（图中未画出）联结，构成伪表面波振荡器，水晶杯的切型是Y旋-60°～-45°、Z′传播或者Y旋30°～55°、Z′传播。当压力加在水晶杯膜片3上时，由于压力的作用，膜片材料的密度、弹性常数、压电常数和传播距离发生变化，从而导致振荡器频率的变化。因此，根据频率的改变，可以测量压力。

Claims (3)

1、一种水晶伪表面波压力敏感元件，由石英单晶片和蒸发在其上的铝膜组成，并通过光刻方法在铝膜上形成若干个周期区段，每个周期区段的叉指换能器为四指结构：同方向的N₁、N₂指与逆方向的N₃、N₄指叉接，

本发明特征在于：

a、输入端叉指换能器E、G的每个周期区段Qn、Tn(n=100～1000)，设置八个以输入端中汇流条10对称的指电极V₁～V₄和U₁～U₄：

指电极V₃、V₄和U₃、U₄对称连接于输入端中汇流条10；指电极V₁、U₁以输入端中汇流条10对称分别连接于输入端上、下汇流条6、7；并且，在指电极V₁和V₃间，U₁、U₃之间分别设置一个悬浮指电极V₂和U₂；

b、输出端叉指换能器F、H的每个周期区段Jn、Pn(n=100～1000)，设置六个以输出端中汇流条13对称的指电极W₁～W₃和R₁～R₃：

指电极W₁、R₁对称连接于输出端中汇流条13；指电极W₂、R₂以输出端中汇流条13对称分别连接于输出端上、下汇流条12、14；指电极W₃、R₃分别悬浮于指电极W₂、R₂的左侧。

2、根据权利要求2所述的水晶伪表面波压力敏感元件，其特征：

在输入、输出端叉指换能器之间，插入一个多功能能量捕集器11，其结构为：它可以是输入端（E、G）或输出端（F、H）叉指换能器的1～20（n＝1～20）个周期区段，或为铝膜。

3、根据权利要求1所述的水晶伪表面波压力敏感元件，其特征：

a、输入IDT每个指电极的宽度，指电极之间的间隙和指电极与相邻汇流条的间隙均为3λ₀/8。

b、输出IDT的每个指电极的宽度指电极之间的间隙和指电极与相邻汇流条的间隙均为λ₀/3。

c、输入、输出端中汇流条10、13的一端，分别设置一个超声键合电极9和15。

（λ₀是伪表面波的工作频率波长）

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