CN108917668A - 一种差分式双谐振器声波拉伸应变传感器芯片 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种差分式双谐振器声波拉伸应变传感器芯片，其包括第一谐振器和第二谐振器，第一谐振器和第二谐振器相互垂直放置且各自的声波传播方向不通过对方谐振器区域。可以选择从基底层背部进行深刻蚀，构成兰姆波器件；也可以选择在基底层背部不刻蚀，构成声表面波器件。由于两谐振器结构完全相同，故二者感受到的由温度引起的频率漂移相同。第一谐振器的声波传播方向与待测主应变方向垂直，第二谐振器的声波传播方向与待测主应变方向平行，二者感受到的由应变引起的频率漂移相反。本发明不仅能够消除温度对应变检测的干扰，还能增大应变灵敏度。

Description

一种差分式双谐振器声波拉伸应变传感器芯片

技术领域

本发明属于声波应变传感器技术领域，具体涉及一种应用于测量单轴拉伸 应变量的差分式双谐振器声波拉伸应变传感器芯片。

背景技术

声波应变传感器是一种利用声波物理特性测量应变的传感器。声表面波的 本质是一种由机械振动引起的沿弹性固体表面传播的弹性波。当外界扰动(如 压力、应变、温度等)作用于基片时，会引起基片的弹性模量变化，声表面波 的波速改变；同时，外界扰动会引起谐振器的几何尺寸变化，声表面波的波长 改变，波速和波长的共同变化导致谐振器的谐振频率偏移。

由于谐振器均感受测试环境的温度和应变，所以谐振器的谐振频率偏移为 应变和温度两部分共同作用的结果。尤其在温度大幅波动的环境中，温度引起 的频率漂移现象愈发明显，温度补偿就显得尤为重要。

中国专利CN 107289883提供了一种差分式谐振器型的无线无源声表面波 应变传感器，该应变传感器包括一个参考器件和一个感知器件，虽然解决了由 环境温度引起的对应变检测干扰的问题，但是其应变灵敏度并没有提高。

发明内容

本发明主要针对现有技术中存在的不足，提出了一种差分式双谐振器声波 拉伸应变传感器芯片，其包括结构完全相同的第一谐振器和第二谐振器，第一 谐振器和第二谐振器相互垂直放置且各自的声波传播方向不通过对方谐振器 区域，以确保声场互不影响；还包括压电层、底电极与基底层；在所述基底层 上形成有所述底电极，在所述底电极上形成有所述压电层，在所述压电层上形 成有第一谐振器和第二谐振器。

第一谐振器和第二谐振器均感受测试环境的温度和应变，故两个谐振器的 谐振频率偏移均为应变和温度两部分共同作用的结果。由于第一谐振器和第二 谐振器制作在同一压电层上，距离很近，而且结构完全一样，故二者感受到的 由温度引起的频率漂移相同。对待测应变薄板进行单轴拉伸(本发明中为横向 拉伸)，第一谐振器的声波传播方向与待测主应变方向垂直，其谐振频率随应 变增大而增大；第二谐振器的声波传播方向与待测主应变方向平行，其谐振频 率随应变增大而减小，二者感受到的由应变引起的频率漂移相反。

在测量拉伸应变时，监测两个谐振器的谐振频率，归一化后，将两个频率 值作差，便能实现大温区范围内的应变量测量，还能增大应变灵敏度。

在本发明的一种优选实施方式中，谐振器和反射栅组成单端谐振器，具体 地，单端谐振器的结构为两个反射栅之间放置一个叉指换能器；所述第一谐振 器和所述第二谐振器设置于同一压电层上；所述第一谐振器包括：第一叉指换 能器、第一反射栅和第二反射栅；所述第一反射栅和所述第二反射栅分布于所 述第一叉指换能器两侧；所述第二谐振器包括：第二叉指换能器、第三反射栅 和第四反射栅；所述第三反射栅和所述第四反射栅分布于所述第二叉指换能器 两侧。

在本发明的另一种优选实施方式中，所述第一谐振器纵向设置于所述压电 层上，所述第二谐振器横向设置于所述压电层上，两者相互垂直放置且分别置 于一个直角的两条边上。

若第二谐振器的声波传播方向通过第一谐振器区域，如背景技术中对比文 件中所示的关系，第二谐振器的声波传播到第一谐振器，并作用于第一谐振器 上，使得第一谐振器的几何尺寸与压电薄膜的弹性模量发生改变，引起声波波 长及波速的变化，从而导致第一谐振器的谐振频率偏移，影响应变检测的准确 性。本发明中，第一谐振器和第二谐振器相互垂直放置且各自的声波传播方向 不通过对方谐振器区域，有效保证了两者的声场互不影响，提高了检测的准确 性。

在本专利的另一种优选实施方式中，可以选择从所述基底层背部进行深刻 蚀，于所述基底层顶部形成一层薄膜，构成兰姆波器件；也可以选择在所述基 底层背部不刻蚀，构成声表面波器件。兰姆波的优点是具有多模态，兰姆波应 变传感器的灵敏度优于声表面波应变传感器的灵敏度；声表面波的优点是制作 器件时，基底不必挖腔，工艺相对简单。

附图说明

图1为本发明差分式双谐振器声波拉伸应变传感器芯片的俯视示意图；

图2为图1所示的差分式双谐振器声波拉伸应变传感器芯片的结构示意 图，(a)为基底层不挖腔，(b)为基底层挖腔；

图3为待测应变薄板受横向拉伸时的变形示意图；

图4为两个谐振器的谐振频率随应变的变化关系图。

附图标记：

1第一谐振器；2第二谐振器；3压电层；4底电极；5基底层；6粘接材料； 7待测应变薄板；8在第一谐振器中心区域下挖腔；9在第二谐振器中心区域下挖腔；10第一叉指换能器；11第二叉指换能器； 12第一反射栅；13第二反射栅；14第三反射栅；15第四反射栅； 16第一谐振器的声波传播方向；17第二谐振器的声波传播方向； 18阶梯剖；19待测主应变方向；20第一谐振器的频率-应变关系； 21第二谐振器的频率-应变关系。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

本发明设计了一种差分式双谐振器声波拉伸应变传感器芯片。如图2所 示，本发明实施例提供的声波应变传感器芯片包括：结构相同的第一谐振器1 和第二谐振器2，第一谐振器1和第二谐振器2相互垂直放置且各自的声波传 播方向不通过对方谐振器区域，以确保两者的声场互不影响。还包括压电层3、 底电极4与基底层5，在基底层5上形成有底电极4，在底电极4上形成有压 电层3，在压电层3上形成有第一谐振器1和第二谐振器2。

压电层3可一体设置也可分区，优选地第一谐振器1和第二谐振器2制作 在同一压电层3上，第一谐振器1和第二谐振器2在同一压电层3上且距离可 很近(具体可根据具体情况调节)，并且两个谐振器的结构完全一样，故二者 感受到的由温度引起的频率漂移相同。

对待测应变薄板7进行单轴拉伸，第一谐振器的声波传播方向16与待测 主应变方向19垂直，其谐振频率随应变增大而增大；第二谐振器的声波传播 方向17与待测主应变方向19平行，其谐振频率随应变增大而减小，二者感受 到的由应变引起的频率漂移相反。

可以选择从基底层5背部进行深刻蚀，在两个谐振器各自的中心区域下各 形成一个空腔，如图2(a)所示，基底层5顶部形成一层薄膜，构成兰姆波 器件；也可以选择在基底层5背部不刻蚀，如图2(b)所示，构成声表面波 器件。

在本实施方式中，第一谐振器1包括第一叉指换能器10、第一反射栅12 和第二反射栅13；第一反射栅12和所述第二反射栅13分布于所述第一叉指 换能器10两侧。

第二谐振器2包括：第二叉指换能器11、第三反射栅14和第四反射栅15； 所述第三反射栅14和所述第四反射栅15分布于所述第二叉指换能器11两侧。

叉指换能器和反射栅可以组成声波单端谐振器、声波双端谐振器或声波延 迟线。

要使声波应变传感器芯片能实现对应变的准确测量，需要让芯片紧粘在待 测应变薄板7上，在本实施例中，将芯片用粘接材料6粘接于待测应变薄板7 的表面。

如图1所示，第一谐振器1和第二谐振器2结构相同，第一谐振器1和第 二谐振器2相互垂直放置且分别置于一个直角的两条边上。第一谐振器1呈纵 向放置，第二谐振器2呈横向放置。第一谐振器的声波传播方向16垂直于待 测主应变方向19，第二谐振器的声波传播方向17平行于待测主应变方向19。 经阶梯剖18后，可看到图2(a)中的在第一谐振器中心区域下挖腔8、和在 第二谐振器中心区域下挖腔9均为圆形腔。

如图3所示，当待测应变薄板7受横向拉伸时，待测应变薄板7会变长变 窄。实线为横向拉伸前待测应变薄板7的形状，虚线为横向拉伸后待测应变薄 板7的形状。当横向直接受力而变形时，纵向也会间接受影响而变形。第一谐 振器由于位于待测应变薄板的纵向，第一谐振器发生横向应变，故第一谐振器 的叉指电极间距与第一叉指换能器、第一反射栅和第二反射栅间距均缩小；第 二谐振器由于位于待测应变平面的横向，第二谐振器发生纵向应变，故第二谐 振器的叉指电极间距与第二叉指换能器、第三反射栅和第四反射栅间距均增 大。

图4描述了两个谐振器的谐振频率随应变的变化关系。图4中，横轴ε表 示应变，纵轴f表示频率，f₀为谐振器未受扰动时的谐振频率，第一谐振器的 频率-应变关系20的斜率表示第一谐振器的应变灵敏度，第二谐振器的频率- 应变关系21的斜率表示第二谐振器的应变灵敏度。由图4易知，第一谐振器 的应变灵敏度为一正值，第二谐振器的应变灵敏度为一负值，故本专利差分式 双谐振器声波拉伸应变传感器芯片能够提高应变灵敏度。

本发明具体可采用如下方法进行差分：

f₁(ε,t)＝f₁(ε₀,t₀)[1+SCF₁(ε-ε₀)+TCF₁(t-t₀)] (1)

f₂(ε,t)＝f₂(ε₀,t₀)[1+SCF₂(ε-ε₀)+TCF₂(t-t₀)] (2)

式(1)中，f₁(ε,t)为第一谐振器的谐振频率，是关于应变ε和温度t的函 数；

f₁(ε₀,t₀)为第一谐振器未受扰动时的谐振频率，ε₀、t₀依次是应变和温度的 初始状态；

SCF₁为第一谐振器的频率-应变系数，单位：ppm/με；

TCF₁为第一谐振器的频率-温度系数，单位：ppm/℃；

在本实施方式中，频率-应变系数和频率-温度系数可通过实验确定，以 SCF₁为例，用频率仪测试频率时，施加不同的应变量，得到频率随应变的变 化情况，具体可以以表格或者曲线的情况显示查看。

参考条件为ε＝ε₀＝0，t＝t₀；

式(2)中，f₂(ε,t)为第二谐振器的谐振频率，也是关于应变ε和温度t的 函数；

f₂(ε₀,t₀)为第二谐振器未受扰动时的谐振频率。

SCF₂为第二谐振器的频率-应变系数，单位：ppm/με；

TCF₂为第二谐振器的频率-温度系数，单位：ppm/℃；

参考条件为ε＝ε₀＝0，t＝t₀；

虽然两谐振器的结构设计完全一样，但由于存在工艺误差，事实上， f₁(ε₀,t₀)≠f₂(ε₀,t₀)，因此，f₁(ε,t)和f₂(ε,t)在差分之前，须先做归一化处理。

Δf＝[f₁(ε,t)/f₁(ε₀,t₀)]-[f₂(ε,t)/f₂(ε₀,t₀)] (3)

将式(1)、式(2)代入式(3)，

Δf＝(SCF₁-SCF₂)(ε-ε₀)+(TCF₁-TCF₂)(t-t₀) (4)

由于两谐振器制作在同一压电层上，距离很近，而且结构完全相同，故它 们的频率-温度系数TCF₁和TCF₂可认为相等。

TCF₁＝TCF₂ (5)

当两者经历同样的温度过程时，式(4)中的温度项就消失了，从而实现 了温度补偿。

式(4)可进一步简化成式(6)：

Δf＝(SCF₁-SCF₂)(ε-ε₀)＝(SCF₁-SCF₂)ε (6)

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示 例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述 的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。 在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。 而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例 或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理 解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、 修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (5)

1.一种差分式双谐振器声波拉伸应变传感器芯片，其特征在于，包括结构完全相同的第一谐振器(1)和第二谐振器(2)，所述第一谐振器(1)和第二谐振器(2)相互垂直放置且各自的声波传播方向不通过对方谐振器区域；

还包括压电层(3)、底电极(4)与基底层(5)；

在所述基底层(5)上形成有所述底电极(4)，在所述底电极(4)上形成有所述压电层(3)，在所述压电层(3)上形成有所述第一谐振器(1)和第二谐振器(2)。

2.根据权利要求1所述的差分式双谐振器声波拉伸应变传感器芯片，其特征在于，所述第一谐振器(1)和第二谐振器(2)制作在同一压电层(3)上。

3.根据权利要求1所述的差分式双谐振器声波拉伸应变传感器芯片，其特征在于，第一谐振器的声波传播方向(16)与待测主应变方向(19)垂直；第二谐振器的声波传播方向(17)与待测主应变方向(19)平行。

4.根据权利要求1所述的差分式双谐振器声波拉伸应变传感器芯片，其特征在于，从基底层(5)背部深刻蚀，于基底层(5)顶部形成一层薄膜，构成兰姆波器件；或者选择在基底层(5)背部不刻蚀，构成声表面波器件。

5.根据权利要求1所述的差分式双谐振器声波拉伸应变传感器芯片，其特征在于，叉指换能器和反射栅组成声波单端谐振器、声波双端谐振器或声波延迟线。