CN108318798A - 一种声表面波器件的声电放大效应检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种声表面波器件的声电放大效应检测装置及检测方法，检测装置包括：信号发生单元产生输入射频信号并传输至声表面波器件；气体腔通入不同化学性质的气体以改变声表面波器件中气敏薄膜的载流子浓度；信号检测单元接收声表面波器件在与气体腔中气体作用下对输入射频信号进行放大处理后输出的输出射频信号；以及信号处理单元，其输入端依次与信号发生单元的第二输出端和信号检测单元的输出端连接，根据输出射频信号与输入射频信号的比值关系来判断该声表面波器件是否存在对声表面波进行放大处理。该检测装置通过通入敏感气体，改变声表面波器件中气敏薄膜中载流子的浓度，更好的检测出声波面波器件中声电放大效应。

Description

一种声表面波器件的声电放大效应检测装置及检测方法

技术领域

本发明属于声表面波技术领域，具体涉及一种声表面波器件的声电放大效应的检测装置及检测方法。

背景技术

半导体的声电效应是指声波在压电体中传播时伴随的电场与半导体中的载流子相互作用引起的效应。这类研究在六十年代末从体声波开始，而在七十至八十年代随着声表面波器件的发展逐步展开。

半导体中声电相互作用分为两种基本类型：非线性相互作用及线性相互作用。声波放大现象属于线性相互作用，当半导体中载流子的漂移运动方向与声波传输方向一致且载流子速度大于声波速度时，载流子会将一部分的电场能量传递给声波，使得声波在半导体中传输时得以放大。

声电放大效应应用面非常广泛，具有很广阔的前景。随着近年来通讯系统的不断升级，个人移动通讯系统支持的频段数越来越多，因此对射频前端声表面波滤波器及放大器的数量需求越来越大，为了进一步提高集成度，需要研究将滤波器和放大器集成技术。目前市场上已经有通过封装技术将功率放大器和滤波器封装在一个模块里，以减小体积，这是两个器件的封装模块化。但是，仅仅依靠封装的模块化并不能满足移动通讯设备日益集成化、精密化的要求。因此一种能够集滤波和放大功能于一体的声表面波滤波放大器便应运而生。

众所周知，声表面波延迟线结构具有对声波进行滤波的功能。如果能将声电放大效应应用在声表面波延迟线结构中，便既能实现对声波进行放大，又能实现滤波功能。

针对声表面波的延迟线结构的声电放大效应，国内外的学者做了广泛的研究。Dmitry Roshchupkin，Luc Ortega等人研究了声表面波在压电衬底表面的石墨烯中的传输。通过Talbot效应对声表面波在石墨烯中的传输进行了实时的可视化观测，应用了高分辨率的X射线对声表面波的波幅进行了测量。检验了声表面波对于石墨烯电学性能的影响。之所以未出现明显的放大现象，还是由于石墨烯的电导率范围不合适。

随后Shijun Zheng，Hao Zhang等人在此基础上对石墨烯进行了掺杂，研究了化学掺杂石墨烯中表面声波诱导的声电荷传输现象。实验证明，化学掺杂可以操纵大多数的电荷载体和诱导出奇特的声电特性。根据计算表明，半导体薄膜的电导率必须在一个合适的范围，才能产生较强的声电效应，对声表面波起到放大作用。但是化学掺杂周期较长，无法用理论来准确计算掺杂量多少，需要多次试验才能有比较好的效果。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种声表面波器件的声电放大效应检测装置及检测方法，其目的在于解决现有的声表面波器件的声电放大效应的检测装置需要改变声表面波器件的化学成分导致检测过程复杂且应用面狭窄的技术问题。

为实现上述目的，本发明提供一种声表面波器件的声电放大效应检测装置，包括：

信号发生单元，其第一输出端同声表面波器件的输入端连接，用于产生输入射频信号并由第一输出端和第二输出端输出；

气体腔，其内置入声表面波器件，向空气腔中通入不同浓度气体改变声表面波器件中气敏薄膜的载流子浓度；

信号检测单元，其输入端同声表面波器件的输出端连接，用于接收声表面波器件在有无气体腔中气体作用下对输入射频信号进行处理后输出的输出射频信号；以及

信号处理单元，其第一输入端与信号发生单元的第二输出端连接，其第二输入端与信号检测单元的输出端连接，用于根据输出射频信号与输入射频信号比值判断该声表面波器件是否产生了声放大现象。

优选地，声表面波器件包括压电衬底及依次排列于压电衬底上的输入换能器、输出换能器和气敏薄膜；

输入换能器，用于接收射频信号，并将射频信号转化为声表面波；

气敏薄膜，用于施加电压并在气体作用下对声表面波进行放大处理；

输出换能器，用于将放大后的声表面波转化为射频信号。

优选地，气敏薄膜材料为氧化锌或二氧化锡。

作为本发明的另一方面，本发明提供一种基于声电放大效应检测装置的检测方法，包括如下步骤：

步骤1：采集声表面波器件在接收第一输入射频信号后输出的第一输出射频信号，根据第一输入射频信号和实时采集的第一输出射频信号获得声表面波器件的第一插入损耗；

步骤2：当气敏薄膜两端施加电场，且气敏薄膜由薄膜敏感气体环境切换至非薄膜敏感气体环境后，采集声表面波器件在接收第三输入射频信号输出的第三输出射频信号，根据第三输入射频信号和实时采集的第三输出射频信号获得声表面波器件的第三插入损耗；

步骤3：判断第三插入损耗是否小于第一插入损耗，若是，则该声表面波器件对声波有放大；否则，该声表面波器件对声波无放大。

优选地，在步骤1和步骤2之间存在如下步骤：

步骤1.1：当气敏薄膜两端施加电场且气敏薄膜置于薄膜敏感气体时，采集声表面波器件在接收第二输入射频信号输出的第二输出射频信号，根据第二输入射频信号和实时采集的第二输出射频信号获得声表面波器件的第二插入损耗；

判断第二插入损耗是否小于第一插入损耗，若是，则该声表面波器件对声波有放大；否则，进入步骤2。

优选地，在步骤1和步骤1.1之间还存在如下步骤：

步骤1.11：当气敏薄膜两端施加电场时，采集声表面波器件在接收第四输入射频信号输出的第四输出射频信号，根据第四输入射频信号和实时采集的第四输出射频信号获得声表面波器件的第四插入损耗；

判断第四插入损耗是否小于第一插入损耗，若是，则该声表面波器件对声波有放大；否则，进入步骤1.1。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本发明提供的声表面波器件的声电放大效应检测装置，通过将声表面波器件置于气体腔中，通过通入敏感气体，改变声表面波器件中气敏薄膜中载流子的浓度，使得声波面波器件中声放大电效应更明显，便于通过测量声表面波器件的插入损耗对声表面波器件进行声波放大现象的识别。

2、本发明提供的声表面波器件的声电放大效应检测方法，将声表面波器件中气敏薄膜由敏感气体环境变化到空气环境，此时气敏薄膜中载流子浓度在较高范围至低范围变化，变化范围大，使得载流子浓度能够达到最佳载流子浓度，进而使得声表面波器件的插入损耗最大，更好地观测声表面波器件的声电放大效应。

3、本发明提供的声表面波器件的声电放大效应检测方法，首先将置于敏感气体环境下且施加电场的时间段的插入损耗与未施加电场、且未置于薄膜敏感环境中的插入损耗比较，判断声表面波器件是否存在声电放大效应，若未检测到声电放大效应，则检测气敏薄膜由敏感气体环境变化到空气环境阶段、且敏感薄膜施加电场下的插入损耗，根据该插入损耗和未施加电场、且未置于薄膜敏感环境中的插入损耗比较，判断声表面波器件是否存在声电放大效应，两个环节判断是否存在声电放大效应，可以快速准确判断声电放大效应。

附图说明

图1是本发明提供的声表面波器件的声电放大效应检测装置的平面示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明提供的一种声表面波器件的声电放大效应检测装置及检测方法，可以检验声表面波器件是否能够通过在延迟区域施加电压起到对声波的放大作用。对于进一步研发声表面波集成式滤波和放大器件有重要意义。

本发明提供的声表面波器件的声电放大效应检测装置包括信号发生单元，气体腔，信号检测单元及信号处理单元，信号发生单元的第一输出端同声表面波器件的输入端连接，声表面波器件位于气体腔内，信号检测单元的输入端同声表面波器件的输出端连接，信号处理单元的第一输入端与信号发生单元的第二输出端连接，信号处理单元的第二输入端与信号检测单元的输出端连接。由信号发生单元产生输入射频信号，气体腔通入不同浓度薄膜敏感气体或者不通入薄膜敏感气体，在不同浓度薄膜敏感气体的作用下或者无薄膜敏感气体作用下，声表面波器件中气敏薄膜的载流子浓度变化，信号检测单元用于检测声表面波器件输出的输出射频信号，信号处理单元用于根据输出射频信号与输入射频信号判断该声表面波器件是否产生了声放大现象。

声表面波器件包括压电衬底、输入叉指换能器、输出叉指换能器、中间延迟区域，区域上涂覆的气敏薄膜，以及薄膜区域两端的电极。输入叉指换能器、输出叉指换能器、气敏薄膜和薄膜区域两端的电极均集成在该衬底上，测量时，射频信号通过输入叉指换能器转化为声表面波，在所述中间延迟区域上传播，经过与气敏薄膜作用，再进入输出叉指换能器转化为射频信号。这个过程中，可以通过在薄膜区域两端的电极施加直流电压来达到对传播在延迟区域的声表面波的放大作用。同时为了进一步使声电效应工作在最佳区域，使载流子浓度达到最佳值，通入一定量的敏感气体，使气敏薄膜与敏感气体反应，来调节气敏薄膜内部的载流子浓度。

声表面波器件的插入损耗为：

其中，k是波数，K²是机电耦合系数，γ＝v_d/v_s，v_s是声波速度，v_d是载流子的迁移速度，σ_s是薄膜电导率，σ＝v_sε′，ε′是有效介电常数，Λ是屏蔽长度，薄膜电导率σ_s与载流子浓度有关。

为了使放大效果更加容易被观测到，最好是能将载流子的浓度调整到一个合适的值，使得插入损耗的值达到最小。在气体腔中通入敏感气体后再通入空气的过程中，观察到声电效应有两个窗口期，一个是气敏薄膜与敏感气体反应的过程，这个过程时间较短，窗口期较小；另外一个是将敏感气体排出并通入空气后薄膜恢复的过程，这个过程由于薄膜恢复较慢，窗口期较长。载流子浓度变化范围较广，载流子浓度可以达到一个最佳的载流子浓度，使得插入损耗α最小，若该声表面波器件对声波进行了放大，则可以观察到在某个时间段的插入损耗小于初始插入损耗的现象；若该声表面波器件没有对声波进行放大，则反应过程中的插入损耗不会小于初始插入损耗，初始插入损耗是指没有薄膜敏感气体与敏感薄膜作用且敏感薄膜没有施加电场的情况下声表面波器件的插入损耗。

因此，本发明提供了声表面波器件的声电放大效应的检测方法，包括如下步骤：

步骤1：向声表面波器件输入第一输入射频信号，并采集声表面波器件第一输出射频信号，根据第一输入射频信号和实时采集的第一输出射频信号获得声表面波器件的第一插入损耗；

步骤2：向气敏薄膜两端施加电场，使气敏薄膜内载流子加速，并同时向声表面波器件输入第四输入射频信号，并采集第四输出射频信号，根据第四输入射频信号和实时采集的第四输出射频信号获得在电场作用下的第四插入损耗。

步骤3：根据步骤2实时检测得到的第四插入损耗与第一插入损耗相比，如果第四插入损耗小于第一插入损耗，则表示该声表面波器件实现了对声波放大的作用；如果反应后的插入损耗并不小于初始插入损耗，继续进行步骤4；

步骤4：向气敏薄膜两端施加电场，同时向气体腔中通入薄膜敏感气体，使敏感气体与声表面波器件中气敏薄膜反应，使气敏薄膜处于高载流子浓度状态。并同时向声表面波器件输入第二输入射频信号，并采集第二输出射频信号，根据第二输入射频信号和实时采集的第二输出射频信号获得声表面波器件与气体作用阶段的第二插入损耗；

步骤5：根据步骤4实时检测得到的第二插入损耗与第一插入损耗相比，如果第二插入损耗小于第一插入损耗，则表示该声表面波器件实现了对声波放大的作用；如果反应后的插入损耗并不小于初始插入损耗，则可能是气敏薄膜的载流子浓度过大，继续进行步骤6；

步骤6：排出气体腔中敏感气体，向气体腔中通入空气，同时向声表面波器件第三输入射频信号，并采集声表面波器件输出的第三输出射频信号；根据第三输入射频信号和实时采集的第三输出射频信号获得声表面波器件恢复到与气体作用之前这一时间段的第三插入损耗；

步骤7：根据步骤6实时检测得到的第三插入损耗与第一插入损耗相比，如果步骤6检测到的第三插入损耗小于第一插入损耗，则同样表示该声表面波器件实现了对声波放大的作用，否则，该声表面波器件未对声波进行放大。

本发明所检测的声表面波器件，其输入叉指换能器与输出叉指换能器的叉指电极材料相同，可以是铝、铜、金等金属材料。叉指电极可以设计成具有特殊高宽比的单指型结构，叉指电极的周期和孔径也可以得到优化以增大反射回波的幅度变化量。叉指电极还可以设计成分裂指结构或者单相单向换能器结构，或者任意加权结构，依据需要而定。

压电基底材料可以是石英、铌酸锂、钽酸锂、硅酸镓镧等压电材料的常用切型，也可以是Si/SiO2/压电材料的层状结构，在基片表面沉积电极材料，电极材料可以是铝、铜或金电极，气敏材料可以是氧化锌、二氧化锡等对气体敏感的无机薄膜。

本发明提供的声表面波器件的声电放大效应检测装置及检测方法，为后续制备集成式声表面波滤波器和放大器奠定了实验基础，可以方便的用于信号处理等领域。

如图1所示，本发明提供的声表面波器件的声电放大效应检测装置包括网络分析仪1、输入叉指换能器2、输出叉指换能器3、敏感薄膜4、电极5、衬底6、气敏腔7和直流电源8。其中，网络分析仪1包括信号发生单元、信号采集单元及信号处理单元。

输入叉指换能器2、输出叉指换能器3、敏感薄膜4和电极5设置在该衬底结构上，输入叉指换能器2的电极端直接与网络分析仪1一端相连，输出叉指换能器3的电极端直接与网络分析仪1另一端相连。

衬底采用氮化铝薄膜，输入叉指换能器2与输出叉指换能器3采用延迟线结构，电极为铝电极，电极高度和电极宽度之比在0.3-0.15之间，半导体敏感薄膜采用SnO₂纳米晶薄膜，其载流子浓度可以通过掺杂Sb来改变SnO₂纳米晶薄膜中载流子浓度。施加直流电压为40V，通过通入硫化氢气体来调控载流子浓度。

首先，向气体腔中通入硫化氢气体，气敏薄膜在硫化氢气体的作用下，载流子浓度变大。通过电极5施加直流电压，同时，网络分析仪发送的射频信号传送至与输入叉指换能器2，输入叉指换能器2将射频信号转化为声表面波，声表面波在衬底6上传播，与气敏薄膜4相互作用，被具有一定速度的载流子的敏感薄膜4驱动放大，被放大后的声表面波到达输出叉指换能器3时再次转化为射频信号经过网络分析仪接收，显示出该结构的插入损耗，在抽出硫化氢气体的检测过程亦是如此。如果插入损耗小于初始插入损耗，则说明该结构具有对声波实现放大的功能。

本发明提供的实施例中，未被硫化氢气体作用的二氧化锡薄膜电导率小，电阻大到几百兆欧，通入还原性气体硫化氢，电导率显著增大，通过控制气体浓度，实现控制二氧化锡薄膜中载流子浓度变化，便于观察声电放大效应。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种声表面波器件的声电放大效应检测装置，其特征在于，包括：

信号发生单元，其第一输出端同声表面波器件的输入端连接，用于产生输入射频信号并由第一输出端和第二输出端输出；

气体腔，其内置入声表面波器件，向空气腔中通入不同浓度气体改变声表面波器件中气敏薄膜的载流子浓度；

信号检测单元，其输入端同声表面波器件的输出端连接，用于接收声表面波器件在有无气体腔中气体作用下对输入射频信号进行处理后输出的输出射频信号；以及

信号处理单元，其第一输入端与信号发生单元的第二输出端连接，其第二输入端与信号检测单元的输出端连接，用于根据输出射频信号与输入射频信号比值判断该声表面波器件是否产生了声放大现象。

2.如权利要求1所述的声电放大效应检测装置，其特征在于，声表面波器件包括压电衬底及依次排列于压电衬底上的输入换能器、输出换能器和气敏薄膜；

输入换能器，用于接收射频信号，并将射频信号转化为声表面波；

气敏薄膜，用于施加电压并在气体作用下对声表面波进行放大处理；

输出换能器，用于将放大后的声表面波转化为射频信号。

3.如权利要求1或2所述的声电放大效应检测装置，其特征在于，气敏薄膜材料为氧化锌或二氧化锡。

4.一种基于权利要求1所述的声电放大效应检测装置的检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1：采集声表面波器件在接收第一输入射频信号后输出的第一输出射频信号，根据第一输入射频信号和实时采集的第一输出射频信号获得声表面波器件的第一插入损耗；

步骤2：当气敏薄膜两端施加电场，且气敏薄膜由薄膜敏感气体环境切换至非薄膜敏感气体环境后，采集声表面波器件在接收第三输入射频信号输出的第三输出射频信号，根据第三输入射频信号和实时采集的第三输出射频信号获得声表面波器件的第三插入损耗；

步骤3：判断第三插入损耗是否小于第一插入损耗，若是，则该声表面波器件对声波有放大；否则，该声表面波器件对声波无放大。

5.如权利要求4所述的检测方法，其特征在于，在步骤1和步骤2之间存在如下步骤：

步骤1.1：当气敏薄膜两端施加电场且气敏薄膜置于薄膜敏感气体时，采集声表面波器件在接收第二输入射频信号输出的第二输出射频信号，根据第二输入射频信号和实时采集的第二输出射频信号获得声表面波器件的第二插入损耗；

判断第二插入损耗是否小于第一插入损耗，若是，则该声表面波器件对声波有放大；否则，进入步骤2。

6.如权利要求5所述的检测方法，其特征在于，在步骤1和步骤1.1之间还存在如下步骤：

步骤1.11：当气敏薄膜两端施加电场时，采集声表面波器件在接收第四输入射频信号输出的第四输出射频信号，根据第四输入射频信号和实时采集的第四输出射频信号获得声表面波器件的第四插入损耗；

判断第四插入损耗是否小于第一插入损耗，若是，则该声表面波器件对声波有放大；否则，进入步骤1.1。