CN107230819A - 集成有天线结构的声表面波作用力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种集成有天线结构的声表面波作用力传感器，压电基底(1)为圆柱形结构，压电基地(1)的一个端面上设有凹槽，叉指换能器IDT(4)和反射栅(5)位于凹槽之中；叉指换能器IDT(4)位于凹槽的中部，反射栅(5)分别位于叉指换能器IDT(4)的两侧，叉指换能器IDT(4)的两端与电极面(2)相连，电极面(2)呈扇形并延伸到压电基底(1)的端面边缘，电极面(2)之间的压电基底(1)端面上设置有天线图形(3)。本发明将天线结构与SAW器件进行集成，使得SAW器件的信号可以直接通过天线发射出去，大大减小了器件的尺寸，拓展了SAW作用力传感器的使用范围，可以有效用于恶劣环境的作用力测量之中。

Description

集成有天线结构的声表面波作用力传感器

技术领域

本发明涉及一种声表面波作用力传感器，特别涉及一种集成有天线结构的声表面波作用力传感器。

背景技术

声表面波(surface acoustic wave，SAW)是英国物理学家瑞利在19世纪80年代研究地震波的过程中偶尔发现的一种能量集中于地表面传播的声波。声表面波是一种在固体浅表面传播的弹性波，它存在若干模式，主要包括Rayleigh波、Love波、Lamb波、B2G波、漏剪切声表面波以及快速声表面波模式的准纵漏声表面波等。

1965年，美国怀特和沃尔特默发表题为“一种新型声表面波声——电转化器”的论文，取得了声表面波技术的关键性突破，首次采用叉指换能器IDT激发SAW，加速了声表面波技术的发展。SAW传感器是电子技术与材料科学相结合的产物，它由SAW振荡器、敏感的界面膜材料和振荡电路组成，SAW传感器的核心部件是SAW振荡器，由压电材料基片和沉积在基片上不同功能的叉指换能器所组成，有延迟线型(DL型)和谐振器型(R型)两种。

SAW传感器是继陶瓷、半导体等传感器的一支后起之秀。与传统传感器相比，它具有性能高、体积小、能承受极端工作条件(如高温、强电磁辐射)等优点。此外，SAW传感器可实现无源化，无须外部供电，这使得它比传统的传感器更能胜任无接触测量，例如：高速转子、快速移动物体以及密封物体内部等各种条件下的物理化学参数检测。由于叉指换能器可与射频辐射天线直接相连，达到收发射频信号的目的，所以能直接完成无线应用，大大简化了SAW传感器节点的结构。最简单的SAW传感器节点仅由声表面波压电编码传感单元芯片和直接相连的天线组成，成本低，适于推广应用。

由于声表面波声速比电磁波光速低许多，声表面波传播4mm距离，即可延时一微秒左右。一微秒延迟时间，足以避免近距(<100米)内射频多次反射杂波的干扰，大大提高了有效回波的信噪比，有利于增加反射延迟型SAW传感器的读写距离或减小读写器的射频辐射功率。

SAW传感器可工作于较宽的环境温度范围。采用常用的压电晶体，器件最高工作温度可大于200℃。采用特别的封装，已证实能较长期工作在300℃环境中。若采用特种压电材料，传感器的工作温度可更高。

声表面波传感器因其无源无线测量、体积小、灵敏度高、稳定性好、适应环境能力强等突出优点，已经成为了微传感器设计的选择之一。加之近年来IC技术和MEMS技术的快速发展，使制作声表面波器件的成本也大大降低，加快了声表面波传感器从理论研究走向市场化的速度。对于SAW作用力传感器而言，国内外的研究均是用于测量流体压强，尤其在汽车轮胎压力测量方面已经取得了显著的成果。但是，目前SAW作用力传感器的信号传输系统，必须依赖于与SAW器件想集成的IC电路技术，造成了其体积增大，无法应用于细小狭缝等极端环境之中。本发明针对此问题，基于MEMS工艺将天线结构与SAW器件进行集成，使得SAW器件的信号可以直接通过天线发射出去，大大减小了器件的尺寸，拓展了SAW作用力传感器的使用用途。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种将天线结构与SAW器件进行集成，使得SAW器件的信号可以直接通过天线发射出去，大大减小了器件的尺寸，拓展了SAW作用力传感器的使用用途，使SAW传感器可以有效用于恶劣环境的作用力测量之中的集成有天线结构的声表面波作用力传感器。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：集成有天线结构的声表面波作用力传感器，包括压电基底、电极面、天线图形、叉指换能器IDT和反射栅，压电基底为圆柱形结构，压电基地的一个端面上设有凹槽，叉指换能器IDT和反射栅位于凹槽之中，叉指换能器IDT位于凹槽的中部，反射栅分别位于叉指换能器IDT的两侧，叉指换能器IDT的两端与电极面相连，电极面呈扇形并延伸到压电基底的端面边缘，电极面之间的压电基底端面上设置有天线图形。

具体地，所述的压电基底采用单晶石英压电基底或多层基底，叉指换能器IDT由相互交叉的指条电极组成，反射栅由致密排列的相连指条组成，天线图形为环形相互交叉形式。

进一步地，所述的电极面、天线图形和反射栅均为对称结构。

本发明的有益效果是：叉指换能器IDT和反射栅图形通过光刻工艺形成于压电基底端面的凹槽表面，组成一种周边固支圆膜片结构，当作用力作用于压电基底表面时，压电基底的材料常数发生变化，造成了传播于压电基底表面的SAW写真情况的改变，即谐振器的中心频率发生偏移，而这种频率偏移会通过与之相连的天线发射出去；将天线结构与SAW器件进行集成，使得SAW器件的信号可以直接通过天线发射出去，大大减小了器件的尺寸，拓展了SAW作用力传感器的使用范围，也使得SAW传感器可以有效应用于恶劣环境的作用力测量之中。

附图说明

图1为本发明的传感器结构示意图；

图2为本发明的传感器俯视结构图；

图3为本发明的叉指换能器IDT和反射栅尺寸图；

图4为本发明的传感器的力敏结构模型图；

附图标记说明：1-压电基底，2-电极面，3-天线图形，4-叉指换能器IDT，5-反射栅。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的技术方案，但本发明所保护的内容不局限于以下所述。

如图1、图2所示，集成有天线结构的声表面波作用力传感器，包括压电基底1、电极面2、天线图形3、叉指换能器IDT4和反射栅5，压电基底1为圆柱形结构，压电基地1的一个端面上设有凹槽，叉指换能器IDT4和反射栅5位于凹槽之中，叉指换能器IDT4位于凹槽的中部，反射栅5分别位于叉指换能器IDT4的两侧，叉指换能器IDT4的两端与电极面2相连，电极面2呈扇形并延伸到压电基底1的端面边缘，电极面2之间的压电基底1端面上设置有天线图形3。

具体地，所述的压电基底1采用单晶石英压电基底或多层基底，叉指换能器IDT4由相互交叉的指条电极组成，反射栅5由致密排列的相连指条组成，天线图形3为环形相互交叉形式。

进一步地，所述的电极面2、天线图形3和反射栅5均为对称结构。

如图3所示，其中指条和间隙等尺寸参数需根据谐振器的中心频率来进行确定。与叉指换能器IDT4两侧相连的是对称分布的电极面2和外围的天线图形3，其中天线图形3设计为环形相互交叉形式，可以将电磁信号发射出去，与外围电路进行通讯。

本发明的声表面波作用力传感器的工作原理为：如图1所示，凹槽通过MEMS刻蚀工艺成形，叉指换能器IDT4和反射栅5图形通过光刻工艺形成于凹槽表面，组成一种周边固支圆膜片结构，如图4所示，当作用力作用于压电基底1表面时，由于压电基底1的材料常数会发生变化，造成了传播于压电基底1表面的SAW写真情况的改变，即谐振器的中心频率发生偏移，而这种频率偏移会通过与之相连的天线发射出去。这种集成度高的SAW器件大大缩小了SAW器件结构，可以有效用于恶劣环境的作用力测量之中。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.集成有天线结构的声表面波作用力传感器，其特征在于，包括压电基底(1)、电极面(2)、天线图形(3)、叉指换能器IDT(4)和反射栅(5)，压电基底(1)为圆柱形结构，压电基地(1)的一个端面上设有凹槽，叉指换能器IDT(4)和反射栅(5)位于凹槽之中；叉指换能器IDT(4)位于凹槽的中部，反射栅(5)分别位于叉指换能器IDT(4)的两侧，叉指换能器IDT(4)的两端与电极面(2)相连，电极面(2)呈扇形并延伸到压电基底(1)的端面边缘，电极面(2)之间的压电基底(1)端面上设置有天线图形(3)。

2.根据权利要求1所述的声表面波作用力传感器，其特征在于，所述的压电基底(1)采用单晶石英压电基底或多层基底。

3.根据权利要求1所述的声表面波作用力传感器，其特征在于，所述的叉指换能器IDT(4)由相互交叉的指条电极组成。

4.根据权利要求1所述的声表面波作用力传感器，其特征在于，所述的反射栅(5)由致密排列的相连指条组成。

5.根据权利要求1所述的声表面波作用力传感器，其特征在于，所述的天线图形(3)为环形相互交叉形式。

6.根据权利要求1所述的声表面波作用力传感器，其特征在于，所述的电极面(2)、天线图形(3)和反射栅(5)均为对称结构。