CN107843859B - 基于声表面波谐振器的板级集成磁感应传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于声表面波谐振器的板级集成磁感应传感器,包括高频基板(7)、贴附在所述高频基板(7)顶面一侧芯片粘接区(75)的声表面波谐振器芯片和蚀刻在所述高频基板(7)顶面另一侧的平面磁感应线圈(71)，还包括蚀刻在所述高频基板(7)底面的多个金属膜导线；所述平面磁感应线圈(71)的内端和外端通过金属膜导线、金属通孔、直流电极以及键合引线(9)分别与声表面波谐振器电压调控电极层和高频基板上直流接地电极相连。本发明的基于声表面波谐振器的板级集成磁感应传感器,便于实现磁感应信号的数字化采集与处理，且调节灵活、方便。

Description

基于声表面波谐振器的板级集成磁感应传感器

技术领域

本发明属于磁感应传感器技术领域，特别是一种基于声表面波谐振器的板级集成磁感应传感器。

背景技术

磁传感器用于感应磁场强度进而检测电流、位置、方向等物理参数，磁感应传感器已广泛应用于社会发展及人类生活的各个领域，如工业自动化、航天技术、军事工程、环境监测、安全保卫、医疗诊断等。

现有技术中的磁感应传感器包括干簧管、电流感应变压器、开环与闭环霍尔元件以及磁通门传感器等(专利201480016300.7；专利201510273729.0)，传统磁传感器的缺点是分立式结构、体积大，动态范围小，测量精度低。采用各向异性磁电阻(AnisotropicMagnetoresistance,AMR)元件、巨磁电阻(Giant Magnetoresistance,GMR)元件、隧道磁电阻(Tunnel MagnetoResistance,TMR)元件等为敏感元件的磁传感器(如中国发明专利申请(申请号：03211670.5，公开日：2004-02-18)是近年来开始应用的新型磁电阻效应传感器，相对于传统磁感应器件具有更好的温度稳定性，更高的灵敏度，更低的功耗，更好的线性度。

但上述各种磁感应传感器的输出物理量大多为电流、电压、磁阻等模拟量，不便于输出信号的数字化采集与处理。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于声表面波谐振器的板级集成磁感应传感器,便于实现数字化采集与处理，且调节灵活、方便。

实现本发明目的的技术解决方案为：

一种基于声表面波谐振器的板级集成磁感应传感器,包括高频基板7、贴附在所述高频基板7顶面一侧芯片粘接区75的声表面波谐振器芯片和蚀刻在所述高频基板7顶面另一侧的平面磁感应线圈71，还包括蚀刻在所述高频基板7底面的多个金属膜导线；所述平面磁感应线圈71的内端和外端通过金属膜导线、金属通孔、直流电极以及键合引线9分别与声表面波谐振器电压调控电极层和高频基板7上直流接地电极相连。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：

1、便于数字化采集与处理：本发明采用常规的平面磁感应线圈和声表面波谐振器作为基本元件构成磁感应结构。声表面波谐振器为包含顶层电压调控电极金属层、中间介质层和底层谐振器结构金属层的三层复合结构，平面磁感应线圈感应磁场产生的感生电动势作为偏置电压施加在其顶层金属层与底层金属层之间，通过改变层间作用力以改变声表面波谐振器金属指电极的等效质量负载，改变包括声表面波谐振器谐振频率的谐振特性，据此测定所在空间位置的磁场及其变化情况，所输出的感应信号为频率值，是一种准数字量，易于实现输出信号的数字化采集与处理，测量精度高。

2、频率调节灵活、方便：本发明通过在上下金属层之间施加直流偏置电压，改变电压调控电极层、中间介质层及声表面波谐振器金属结构层之间的作用力，进而改变声表面波谐振器金属结构层中叉指电极和反射指电极的等效质量负载，从而改变声表面波谐振器的谐振特性，最终改变声表面波谐振器的谐振频率，调节所施加的直流偏置电压，即可调控声表面波谐振器的谐振频率，可实现声表面波谐振器谐振频率可重复、实时和在线调控，频率调节灵活、方便；

3、易于实现：平面磁感应线圈采用常规的PCB制作工艺蚀刻在高频基板顶面，并通过穿通基板的金属通孔和蚀刻在高频基板背面的金属膜导线与复合结构声表面波谐振器的对应电极相连，声表面波谐振器芯片采用常规的平面微机电工艺制备，方法简便、易于实现。

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明基于声表面波谐振器的板级集成磁感应传感器的结构示意图。

图2为图1中高频基板顶面结构示意图；

图3为图1中高频基板底面结构示意图；

图4为图1中声表面波谐振器芯片底层金属层结构示意图；

图5为图1中声表面波谐振器芯片底层金属层+中间介质层结构示意图；

图6为图1中声表面波谐振器芯片底层金属层+中间介质层+顶层金属层结构示意图。

图中，1压电基片、2叉指换能器、21输入汇流电极、22输出汇流电极、23第1组叉指电极、24第2组叉指电极、

31第一短路反射阵、32第二短路反射阵、311第一接地汇流电极、312第二接地汇流电极、313第1组反射指电极、321第三接地汇流电极、322第四接地汇流电极、323第2组反射指电极、

41片上高频输入电极、42片上高频输出电极、43片上高频接地电极、44片上直流接地电极、

51第一中间介质层、52第二中间介质层、53第三中间介质层、

61第一电压调控电极层、62第二电压调控电极层、63第三电压调控电极层、

7高频基板、71平面磁感应线圈、711平面磁感应线圈内端电极、712平面磁感应线圈外端电极、713平面磁感应线圈内端引出电极、72-1高频输入端口、72-2高频输出端口、721高频输入电极、722高频输出电极、723高频接地电极、731板上直流接地键合电极、732直流接地引出电极、733直流接地电极、741第一金属膜导线、742第二金属膜导线、743第三金属膜导线、744第四金属膜导线、75芯片粘接区、

81第一金属通孔、82第二金属通孔、83第三金属通孔、84第四金属通孔、85第五金属通孔、86第六金属通孔、87第七金属通孔、88第八金属通孔、

9键合引线、10高频电感。

具体实施方式

如图1所示，本发明基于声表面波谐振器的板级集成磁感应传感器,包括高频基板7、贴附在所述高频基板7顶面一侧芯片粘接区75的声表面波谐振器芯片和蚀刻在所述高频基板7顶面另一侧的平面磁感应线圈71，还包括蚀刻在所述高频基板7底面的多个金属膜导线；所述平面磁感应线圈71的内端和外端通过金属膜导线、金属通孔、直流电极以及键合引线9分别与声表面波谐振器电压调控电极层和高频基板7上直流接地电极相连。

也就是说，所述金属膜导线两端通过贯穿高频基板7的金属通孔分别连接声表面波谐振器芯片电极与平面磁感应线圈71端电极以及声表面波谐振器芯片电极与高频基板7输入、输出电极及接地电极。

高频基板7的顶面结构如图2所示。

高频基板7的底面结构如图3所示。

如图4、5、6所示，

所述声表面波谐振器芯片包括压电基片1、依次叠合在压电基片1之上的金属结构层、中间介质层和电压调控电极层；

如图4所示，

所述金属结构层包括叉指换能器2、分置于叉指换能器2两侧的第一短路反射阵31和第二短路反射阵32；

所述叉指换能器2包括输入汇流电极21、输出汇流电极22、第1组叉指电极23和第2组叉指电极24，所述输入汇流电极21与输出汇流电极22相对平行放置，所述第1组叉指电极23的一端汇集于输入汇流电极21，另一端指向输出汇流电极22，所述第2组叉指电极24一端汇集于输出汇流电极22另一端指向输入汇流电极21，第1组叉指电极23与第2组叉指电极24的各个指电极交错排列；

所述第一短路反射阵31包括第一接地汇流电极311、第二接地汇流电极312和第1组反射指电极313，所述第一接地汇流电极311、第二接地汇流电极312相对平行放置，所述第1组反射指电极313一端汇集于第一接地汇流电极311，另一端汇集至第二接地汇流电极312；

所述第二短路反射阵32包括第三接地汇流电极321、第四接地汇流电极322和第2组反射指电极323，所述第三接地汇流电极321、第四接地汇流电极322相对平行放置，所述第2组反射指电极323一端汇集于第三接地汇流电极321，另一端汇集至第四接地汇流电极322；

如图5所示，

所述中间介质层包括第一中间介质层51、第二中间介质层52和第三中间介质层53，所述第一中间介质层51叠合于叉指换能器2之上且与叉指换能器2同形，所述第二中间介质层52叠合于第一短路反射阵31之上且与第一短路反射阵31同形，所述第三中间介质层53叠合于第二短路反射阵32之上且与第二短路反射阵32同形；

如图6所示，

所述电压调控电极层包括第一电压调控电极层61、第二电压调控电极层62和第三电压调控电极层63，所述第一电压调控电极层61叠合于第一中间介质层51之上且与第一中间介质层51同形，所述第二电压调控电极层62叠合于第二中间介质层52之上且与第二中间介质层52同形，所述第三电压调控电极层63叠合于第三中间介质层53之上且与第三中间介质层53同形。

如图4所示，

所述输入汇流电极21的下侧分别与一片上高频输入电极41和一片上直流接地电极44相连，输出汇流电极22的上侧分别与一片上高频输出电极42和一片上直流接地电极44相连；

所述第一接地汇流电极311的左端与一片上高频接地电极43相连，所述第二接地汇流电极312的左端与一片上高频接地电极43相连，而其上侧与一片上直流接地电极44相连，所述第三接地汇流电极321的右端与一片上高频接地电极43相连，而其下侧与一片上直流接地电极44相连，所述第四接地汇流电极322的右端与一片上高频接地电极43相连。

如图1、2所示，

所述平面磁感应线圈7的内端与平面磁感应线圈内端电极711相连，其外端与平面磁感应线圈外端电极712相连；

所述平面磁感应线圈71的内端电极711依次通过第一金属通孔81、第一金属膜导线741、第二金属通孔82与内端引出电极713相连，所述内端引出电极713通过键合引线9与电压调控电极层相连；

所述平面磁感应线圈71的外端电极712依次通过第三金属通孔83、第二金属膜导线742、第四金属通孔84与对应的直流接地引出电极732相连，所述直流接地引出电极732通过高频电感10与直流接地电极733相连。

所述片上高频输入电极41通过键合引线9与基板上的高频输入电极721相连，所述第一短路反射阵31的第一接地汇流电极311和第二接地汇流电极312外端的片上高频接地电极43通过键合引线9与基板上对应的高频接地电极723相连，高频输入电极721和高频接地电极723组成声表面波谐振器结构的高频输入端口72-1；

所述片上高频输出电极42通过键合引线9与基板上的高频输出电极722相连，所述第二短路反射阵32的第三接地汇流电极321和第四接地汇流电极322外端的片上高频接地电极43通过键合引线9与基板上对应的高频接地电极723相连，高频输出电极722和高频接地电极723组成声表面波谐振器结构的高频输出端口72-2；

所述与输入汇流电极21相连的片上直流接地电极44通过键合引线9与对应的板上直流接地键合电极731相连，而此板上直流接地键合电极731又依次通过第五金属通孔85、第三金属膜导线743、第六金属通孔86与对应的直流接地引出电极732相连；

所述与输出汇流电极22相连的片上直流接地电极44通过键合引线9与基板上对应的直流接地引出电极732相连；

所述第一短路反射阵31的第二接地汇流电极312外侧的片上直流接地电极44通过键合引线9与基板上对应的直流接地引出电极732相连，所述第二短路反射阵32的第三接地汇流电极321外侧的片上直流接地电极44通过键合引线9与对应的板上直流接地键合电极731相连，而此板上直流接地键合电极731又依次通过第七金属通孔87、第四金属膜导线744、第八金属通孔88与对应的直流接地引出电极732相连；

所述各个直流接地引出电极732通过高频电感10与直流接地电极733相连。

优选地，

所述高频基板7为FR-4高频双面覆铜板，或者Rogers高频双面镀金板，所述压电基片1的材料为石英单晶或者铌酸锂单晶；

所述声表面波谐振器为单端对声表面波谐振器，或者双端对声表面波谐振器。

本发明的基于声表面波谐振器的板级集成磁感应传感器的工作原理如下：

本发明中的平面磁感应线圈7用于感应磁场及磁场变化，在其内端711和外端712之间产生一个与所感应磁场对应的感生电动势，此感生电动势作为偏置电压施加在复合结构声表面波谐振器顶层的电压调控电极层与底层的声表面波谐振器金属结构层之间，改变顶层金属层、中间介质层和底层金属层之间的层间作用力，进而改变底层金属层中叉指电极23、24和反射指电极313、323的等效质量负载，从而改变声表面波谐振器的谐振频率，根据声表面波谐振器谐振频率与调控声表面波谐振器谐振频率的感生电动势以及感生电动势与所感应的磁场之间的关系，确定所感测的磁场及其变化情况。

本发明基于声表面波谐振器的板级集成磁感应传感器可参考下述步骤制得：

1、复合结构声表面波谐振器芯片制备

(1)ST石英单晶基片1表面旋涂正性光刻胶、光刻去除待制声表面波谐振器金属结构层、片上高频输入电极41、片上高频输出电极42、片上高频接地电极43、片上直流接地电极44所在位置处的光刻胶胶膜；

(2)磁控溅射，覆盖铝铜合金膜；

(3)去胶，连同去除覆盖在存留光刻胶胶膜上的铝铜合金膜，得到声表面波谐振器金属结构层、片上高频输入电极41、片上高频输出电极42、片上高频接地电极43、片上直流接地电极44；

(4)上述结构层表面旋涂正性光刻胶、光刻去除中间介质层51、52、53所在位置处的光刻胶胶膜；

(5)磁控溅射，覆盖二氧化硅膜；

(6)去胶，连同去除覆盖在存留光刻胶胶膜上的二氧化硅膜，得到中间介质层51、52、53；

(7)上述结构层表面旋涂正性光刻胶、光刻去除电压调控电极层61、62、63处的光刻胶胶膜；

(8)磁控溅射，覆盖铝铜合金膜；

(9)去胶，连同去除覆盖在存留光刻胶胶膜上的铝铜合金膜，得到电压调控电极层61、62、63；

2、高频基板7上金属膜结构的制备

⑴采用常规印制电路板工艺，在FR-4双面敷铜高频基板顶面制作铜质的平面磁感应线圈71及其内端电极711和外端电极712、平面磁感应线圈内端引出电极713、高频输入电极721、高频输出电极722、高频接地电极723、板上直流接地键合电极731、直流接地引出电极732、直流接地电极733，同时在FR-4双面敷铜高频基板底面制作铜质的金属膜导线741、742、743、744；

⑵采用常规印制电路板工艺，在上述平面磁感应线圈内端电极711和外端电极712、板上直流接地键合电极731、直流接地引出电极732上的指定位置处制作金属通孔81、82、83、84、85、86、87、88；

3、声表面波磁感应结构的板级集成

⑴将声表面波谐振器芯片粘接在高频基板7顶面一侧的芯片粘接区75；

⑵超声压焊键合引线9分别连接平面磁感应线圈内端引出电极713与电压调控电极层、片上高频输入电极41与基板上的高频输入电极721、片上高频输出电极42与基板上的高频输出电极722、片上高频接地电极43与基板上的高频接地电极723、片上直流接地电极44与板上直流接地键合电极731或者基板上的直流接地引出电极732；

⑶各个直流接地引出电极732分别通过高频电感10与直流接地电极733相连。

本发明基于声表面波谐振器的板级集成磁感应传感器的应用实例可参照下述步骤：

⑴通过所述高频基板7上的高频输入端口72-1和高频输出端口72-2连接声表面波谐振器芯片与外高频测试系统如网络分析仪或频率仪，所述直流接地电极733与外系统直流接地端相连；

⑵将上述板级集成磁感应传感器置于所感测的磁环境中，利用上述测试仪器检测声表面波谐振器的谐振频率及其变化，根据感应磁场与感生电动势及声表面波谐振器谐振频率之间的关系，确定所感测的磁场及其变化情况。

⑶为提高检测灵敏度和可操作性，应用时，也可以通过所述高频输入端口72-1和高频输出端口72-2将上述磁感应传感器中的复合结构声表面波谐振器与外部反馈放大电路和移相网络连接，构成高频振荡电路，高频振荡电路产生其频率与所述复合结构声表面波谐振器的谐振频率一致的高频振荡信号，利用上述频率测试仪器检测此高频振荡信号的频率，定性或定量分析此磁感应传感器所在环境的磁场及其变化情况；

本发明的优点及成因分析如下：

本发明在单一高频基板7上集成制作声表面波谐振器和平面磁感应线圈71，其中的平面磁感应线圈71采用常规的PCB制作工艺蚀刻在高频基板7顶面，并通过穿通高频基板7的金属通孔和蚀刻在高频基板7背面的多个金属膜导线与复合结构声表面波谐振器芯片的对应电极相连，声表面波谐振器复合结构采用常规的平面微机电工艺制备，工艺方法通用、简便、易于实现。

本发明中的声表面波谐振器采用包括底层的声表面波谐振器金属结构层、中间介质层和顶层的电压调控电极层的三层复合结构，通过在直流接地的底层金属结构层与顶层电压调控电极层之间施加偏置电压，改变三层复合结构中的层间作用力，即改变底层金属结构层中声表面波谐振器叉指电极23、24和反射指电极313、323的等效质量负载，从而改变声表面波谐振器的谐振频率。利用与之集成的平面磁感应线圈71感应所处环境的磁场，其两端产生的感生电动势作为偏置电压施加到上述声表面波谐振器结构的顶层金属层与底层金属层之间，改变声表面波谐振器的谐振频率。检测声表面波谐振器的谐振频率及其变化，根据感应磁场与感生电动势以及声表面波谐振器谐振频率之间的关系，即可确定所感测的磁场及其变化情况，输出感应量为谐振频率值，是一种准数字量，易于实现输出信号的数字化采集与处理，测量精度高。

本发明的声表面波谐振器复合结构中，底层金属结构层包括分别接高频输入端口72-1和高频输出端口72-2的两组叉指电极23、24和高频接地的两组反射指电极313、323，本发明采用高频电感10直流接地方式，既实现底层金属结构层各个部分的直流互连和直流接地，又对底层金属层的各个部分进行高频隔离，避免高频信号的接地短路。

Claims (4)

1.一种基于声表面波谐振器的板级集成磁感应传感器，

包括高频基板(7)、贴附在所述高频基板(7)顶面一侧芯片粘接区(75)的声表面波谐振器芯片和蚀刻在所述高频基板(7)顶面另一侧的平面磁感应线圈(71)，还包括蚀刻在所述高频基板(7)底面的多个金属膜导线；

所述平面磁感应线圈(71)的内端和外端通过金属膜导线、金属通孔、直流电极以及键合引线(9)分别与声表面波谐振器电压调控电极层和高频基板(7)上直流接地电极相连；

其特征在于：

所述声表面波谐振器芯片包括压电基片(1)、依次叠合在压电基片(1)之上的金属结构层、中间介质层和电压调控电极层；

所述金属结构层包括叉指换能器(2)、分置于叉指换能器(2)两侧的第一短路反射阵(31)和第二短路反射阵(32)；

所述叉指换能器(2)包括输入汇流电极(21)、输出汇流电极(22)、第1组叉指电极(23)和第2组叉指电极(24)，所述输入汇流电极(21)与输出汇流电极(22)相对平行放置，所述第1组叉指电极(23)的一端汇集于输入汇流电极(21)，另一端指向输出汇流电极(22)，所述第2组叉指电极(24)一端汇集于输出汇流电极(22)另一端指向输入汇流电极(21)，第1组叉指电极(23)与第2组叉指电极(24)的各个指电极交错排列；

所述第一短路反射阵(31)包括第一接地汇流电极(311)、第二接地汇流电极(312)和第1组反射指电极(313)，所述第一接地汇流电极(311)、第二接地汇流电极(312)相对平行放置，所述第1组反射指电极(313)一端汇集于第一接地汇流电极(311)，另一端汇集至第二接地汇流电极(312)；

所述第二短路反射阵(32)包括第三接地汇流电极(321)、第四接地汇流电极(322)和第2组反射指电极(323)，所述第三接地汇流电极(321)、第四接地汇流电极(322)相对平行放置，所述第2组反射指电极(323)一端汇集于第三接地汇流电极(321)，另一端汇集至第四接地汇流电极(322)；

所述中间介质层包括第一中间介质层(51)、第二中间介质层(52)和第三中间介质层(53)，所述第一中间介质层(51)叠合于叉指换能器(2)之上且与叉指换能器(2)同形，所述第二中间介质层(52)叠合于第一短路反射阵(31)之上且与第一短路反射阵(31)同形，所述第三中间介质层(53)叠合于第二短路反射阵(32)之上且与第二短路反射阵(32)同形；

所述电压调控电极层包括第一电压调控电极层(61)、第二电压调控电极层(62)和第三电压调控电极层(63)，所述第一电压调控电极层(61)叠合于第一中间介质层(51)之上且与第一中间介质层(51)同形，所述第二电压调控电极层(62)叠合于第二中间介质层(52)之上且与第二中间介质层(52)同形，所述第三电压调控电极层(63)叠合于第三中间介质层(53)之上且与第三中间介质层(53)同形。

2.根据权利要求1所述的磁感应传感器,其特征在于：

所述输入汇流电极(21)的下侧分别与一片上高频输入电极(41)和一片上直流接地电极(44)相连，输出汇流电极(22)的上侧分别与一片上高频输出电极(42)和一片上直流接地电极(44)相连；

所述第一接地汇流电极(311)的左端与一片上高频接地电极(43)相连，所述第二接地汇流电极(312)的左端与一片上高频接地电极(43)相连，而其上侧与一片上直流接地电极(44)相连，所述第三接地汇流电极(321)的右端与一片上高频接地电极(43)相连，而其下侧与一片上直流接地电极(44)相连，所述第四接地汇流电极(322)的右端与一片上高频接地电极(43)相连。

3.根据权利要求2所述的磁感应传感器,其特征在于：

所述片上高频输入电极(41)通过键合引线(9)与基板上的高频输入电极(721)相连，所述第一短路反射阵(31)的第一接地汇流电极(311)和第二接地汇流电极(312)外端的片上高频接地电极(43)通过键合引线(9)与基板上对应的高频接地电极(723)相连，高频输入电极(721)和高频接地电极(723)组成声表面波谐振器结构的高频输入端口(72-1)；

所述片上高频输出电极(42)通过键合引线(9)与基板上的高频输出电极(722)相连，所述第二短路反射阵(32)的第三接地汇流电极(321)和第四接地汇流电极(322)外端的片上高频接地电极(43)通过键合引线(9)与基板上对应的高频接地电极(723)相连，高频输出电极(722)和高频接地电极(723)组成声表面波谐振器结构的高频输出端口(72-2)；

所述与输入汇流电极(21)相连的片上直流接地电极(44)通过键合引线(9)与对应的板上直流接地键合电极(731)相连，而此板上直流接地键合电极(731)又依次通过第五金属通孔(85)、第三金属膜导线(743)、第六金属通孔(86)与对应的直流接地引出电极(732)相连；

所述与输出汇流电极(22)相连的片上直流接地电极(44)通过键合引线(9)与基板上对应的直流接地引出电极(732)相连；

所述第一短路反射阵(31)的第二接地汇流电极(312)外侧的片上直流接地电极(44)通过键合引线(9)与基板上对应的直流接地引出电极(732)相连，所述第二短路反射阵(32)的第三接地汇流电极(321)外侧的片上直流接地电极(44)通过键合引线(9)与对应的板上直流接地键合电极(731)相连，而此板上直流接地键合电极(731)又依次通过第七金属通孔(87)、第四金属膜导线(744)、第八金属通孔(88)与对应的直流接地引出电极(732)相连；

所述各个直流接地引出电极(732)通过高频电感(10)与直流接地电极(733)相连。

4.根据权利要求1-3之一所述的磁感应传感器,其特征在于：

所述高频基板(7)为FR-4高频双面覆铜板，或者Rogers高频双面镀金板，所述压电基片(1)的材料为石英单晶或者铌酸锂单晶。