CN109374157A - 一种基于损耗检测的声表面波压力传感器 - Google Patents
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Abstract
一种基于损耗检测的声表面波压力传感器,包括基片、叉指换能器、第一金属反射栅阵和第二金属反射栅阵;基片上中心位置处设置有叉指换能器,叉指换能器的一侧设置有第一金属反射栅阵,另一侧设置有第二金属反射栅阵,叉指换能器和第一金属反射栅阵之间形成间隔,叉指换能器和第二金属反射栅阵形成间隔;叉指换能器两端汇流条处均连接输出引线。本发明压力传感器压力检测方法基于器件的损耗变化,传感器实现过程中无需制备压力参考腔,极大地降低了工艺难度,良品率高,适用于半导体加工的大批量生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种基于损耗检测的声表面波压力传感器,属于传感器设计领域。
背景技术
压力传感器是各类传感器中应用最为广泛的一种,根据测压原理及制备工艺的不同,压力传感器可分为压阻式、电容式和光纤式等多种,其外形尺寸、精度及适用范围各有不同。其中,声表面波压力传感器作为一种新型的传感器,以其体积小、成本低、稳定性高、抗电磁干扰能力强、可无线无源工作等特点被广泛关注。
目前,声表面波压力传感器的检测方法常基于声波传播相位、时间或速度的变化,传感器感压膜片与衬底之间通过气密封装形成压力参考腔。当外界环境压力作用在固定声表面波器件的感压膜片表面时,与参考腔形成压力差,引起声表面波器件基片产生形变,导致基片的材料参数(弹性劲度常数,压电应力常数,介电常数等)发生改变,从而引起声波传播相位、时间或速度的改变,通过检测声表面波器件相位、时延或频率的变化,以获得待测的外界压力值。
根据压力参考腔封装结构的不同,声表面波压力传感器可分为均匀薄板式封装和点压式封装两种,不同的封装形式使得外界压力作用时产生的基片形变有所差异,导致传感器灵敏度的不同。公开号为CN101620018A的中国专利,公开了一种声表面波压力传感器。该传感器采用了均匀薄板式封装结构,在顶盖、基座和流体隔膜之间形成密封腔,流体隔膜上固定有横跨压力传导通孔的感压膜片,感压膜片上固定有声表面波谐振器,外界压力由密封腔上的压力传导通孔引起声表面波器件基片的形变,通过检测频率变化实现对压力的测量。公开号为CN101354302A的中国专利,公开了一种采用复合模的声表面波压力传感器。该传感器采用了点压式封装结构,硬心球壳导压金属膜片、金属外壳侧壁和底壳组成一个气密性参考腔,金属膜片的上表面通过金属导力柱与蘑菇状加压帽相连,其下表面固定着一枚导力顶针片,导力顶针片与导力筒刚性相连,在导力筒内部设有石英悬臂梁式敏感元件,传递到导力筒的力将引起声表面波敏感元件的基片形变,导致应力改变,通过检测器件输出频率或时延的变化完成压力测量。
由上述传感器的工作原理可知,参考腔的气密性封装是必不可少的。但受限于封装工艺特点,现有参考腔的封装难度大、一致性差、均匀性不好,同批次传感器性能差异较大。特别是点压式封装结构,其工艺复杂,传感器的良品率低。
发明内容
本发明的技术解决问题是:克服现有技术的不足,提供一种基于损耗检测的声表面波压力传感器,极大地降低了工艺难度,保证了传感器制备工艺及性能的一致性,良品率高。
本发明的技术解决方案是:
一种基于损耗检测的声表面波压力传感器,包括:基片、叉指换能器、第一金属反射栅阵和第二金属反射栅阵;
基片上中心位置处设置有叉指换能器,叉指换能器的一侧设置有第一金属反射栅阵,另一侧设置有第二金属反射栅阵,叉指换能器和第一金属反射栅阵之间形成间隔,叉指换能器和第二金属反射栅阵形成间隔;所述叉指换能器两端汇流条处均连接输出引线。
所述基片为ST-X石英基片、AT-X石英基片、ZX-LiNbO3基片、YZ-LiNbO3基片、128°YX-LiNbO3基片或X-112°Y-LiTaO3基片。
所述叉指换能器、第一金属反射栅阵和第二金属反射栅阵能够加权。
所述加权规则包括如下三种:
i.仅叉指换能器加权;
ii.仅第一金属反射栅阵和第二金属反射栅阵加权,且两者加权函数一致;
iii.叉指换能器、第一金属反射栅阵和第二金属反射栅阵同时加权,此时第一金属反射栅阵和第二金属反射栅阵加权函数一致。
所述叉指换能器、第一金属反射栅阵、第二金属反射栅阵的金属化比相等。
所述金属化比为0.1-0.6。
所述间隔和间隔相等。
所述间隔为叉指换能器波长的0.25-2.5倍。
所述第一金属反射栅阵和第二金属反射栅阵的同步频率相同,为叉指换能器同步频率的0.95-1.05倍。
所述第一金属反射栅阵和第二金属反射栅阵均与叉指换能器平行。
与现有技术相比,本发明具有如下有益效果:
(1)本发明的声表面波压力传感器组成简单,具有体积小、成本低、灵敏度高和工艺简单等特点,可用于无线无源工作,其压力检测方法基于器件的损耗变化,传感器实现过程中无需制备压力参考腔,克服了目前基于相位、时延或频率检测的声表面波压力传感器中压力参考腔的封装难度大、一致性差、均匀性差、制备工艺复杂的技术问题,极大地降低了工艺难度,良品率高,适用于半导体加工的大批量生产。
(2)本发明叉指换能器、第一金属反射栅阵和第二金属反射栅阵能够加权,从而抑制声波传播的衍射效应,提高器件带外抑制能力,提升器件的Q值。
(3)金属化比直接影响栅阵的反射系数,本发明叉指换能器、第一金属反射栅阵和第二金属反射栅阵金属化比相等,且金属化比为0.1-0.6,能够有效保证器件的反射效应。
附图说明
图1为本发明基于损耗检测的声表面波压力传感器的结构示意图;
图2为本发明实施例的频率响应测试曲线;
图3为本发明实施例对气体压力的测试响应结果。测试环境气体为纯净干燥的氮气。
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。
如图1所示,本发明提出了一种基于损耗检测的声表面波压力传感器,包括基片1、叉指换能器2、第一金属反射栅阵3和第二金属反射栅阵4。
基片1上设置有叉指换能器2,叉指换能器2的两侧分别设置第一金属反射栅阵3和第二金属反射栅阵4,第一金属反射栅阵3和第二金属反射栅阵4均与叉指换能器2平行。叉指换能器2和第一金属反射栅阵3形成间隔5,叉指换能器2和第二金属反射栅阵4形成间隔6。叉指换能器2电极两端连接输出引线。
基片1为ST-X石英基片、AT-X石英基片、ZX-LiNbO3基片、YZ-LiNbO3基片、128°YX-LiNbO3基片、X-112°Y-LiTaO3基片中的一种。
叉指换能器2、所述第一金属反射栅阵3和所述第二金属反射栅阵4可加权。加权时,可以仅叉指换能器2加权;也可以仅第一金属反射栅阵3和第二金属反射栅阵4加权,且两者加权函数一致;也可以叉指换能器2、第一金属反射栅阵3和第二金属反射栅阵4同时加权,此时第一金属反射栅阵3和第二金属反射栅阵4加权函数一致,如都为余弦函数或小波函数。能够加权的好处是抑制声波传播的衍射效应,提高器件带外抑制能力,提升器件的Q值。
叉指换能器2、第一金属反射栅阵3、第二金属反射栅阵4的金属化比相等,金属化比为0.1-0.6。金属化比直接影响栅阵的反射系数,对于以反射效应为主的谐振器结构,反射系数的值直接影响器件的性能,对于特定基片材料和栅阵电极厚度的谐振器结构,需适当调节金属化比的数值以改善器件性能,增强反射效应。
间隔5和间隔6相等,且为叉指换能器2的波长的0.25-2.5倍。
第一金属反射栅阵5和第二金属反射栅阵6的同步频率相同,且为叉指换能器2同步频率的0.95-1.05倍。
本发明声表面波压力传感器的工作原理如下:
将压力传感器放置在待测气体压力环境中,无需气密性封装的压力参考腔,激励的声表面波的部分能量传递给气体,形成的“气体负载”会引起器件损耗的改变,通过检测不同气压环境中传感器损耗的变化,实现对外界压力的测量。声表面波能量损耗机制由基片的衰减系数αL表示:
其中,ρF为待测气体的密度,VF为待测气体中的声速,ρ为声表面波器件基片的密度,VR为基片中的瑞利波速度,λ为声表面波的波长。
实施例:
以AT-X石英(欧拉角(0°,-54.7°,0°))压电片作为基片1,在基片1中心位置处设置有叉指换能器2,在叉指换能器2的两侧平行地设置第一金属反射栅阵3和第二金属反射栅阵4,叉指换能器2和第一金属反射栅阵3形成间隔5,叉指换能器2和第二金属反射栅阵4形成间隔6,叉指换能器2两端汇流条处均连接输出引线。叉指换能器2、第一金属反射栅阵3和第二金属反射栅阵4未加权。
叉指换能器2、第一金属反射栅阵3、第二金属反射栅阵4的金属化比相等,金属化比为0.3。
叉指换能器2与第一反射栅阵的间隔5和叉指换能器与第二反射栅阵的间隔6相等,且为叉指换能器2波长的0.25倍。
第一金属反射栅阵5和第二金属反射栅阵6的同步频率相同,且为叉指换能器2同步频率的1.002倍。
经测,本发明实施例中压力传感器的中心频率为432.95MHz,插入损耗为20.94dB。频率响应测试曲线如图2所示。
利用本发明实施例提供的压力传感器对气体压力进行检测,测试环境气体为纯净干燥的氮气,检测结果如图3所示,横坐标表示压力先增大后减小,纵坐标表示传感器的损耗,可见:损耗变化直接地反应出压力的变化,损耗差值变化越大,说明待测的压力变化越大。由此可见本发明提供的基于损耗检测的声表面波压力传感器对压力测量有十分明显的响应。
最后所应说明的是,以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明,本领域的普通技术人员应当理解,对本发明的技术方案进行修改或者等同替换,都不脱离本发明技术方案的精神和范围,其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员的公知技术。
Claims (10)
1.一种基于损耗检测的声表面波压力传感器,其特征在于包括:基片(1)、叉指换能器(2)、第一金属反射栅阵(3)和第二金属反射栅阵(4);
基片(1)上中心位置处设置有叉指换能器(2),叉指换能器(2)的一侧设置有第一金属反射栅阵(3),另一侧设置有第二金属反射栅阵(4),叉指换能器(2)和第一金属反射栅阵(3)之间形成间隔(5),叉指换能器(2)和第二金属反射栅阵(4)形成间隔(6);所述叉指换能器(2)两端汇流条处均连接输出引线。
2.根据权利要求1所述的一种基于损耗检测的声表面波压力传感器,其特征在于:所述基片(1)为ST-X石英基片、AT-X石英基片、ZX-LiNbO3基片、YZ-LiNbO3基片、128°YX-LiNbO3基片或X-112°Y-LiTaO3基片。
3.根据权利要求1所述的一种基于损耗检测的声表面波压力传感器,其特征在于:所述叉指换能器(2)、第一金属反射栅阵(3)和第二金属反射栅阵(4)能够加权。
4.根据权利要求3所述的一种基于损耗检测的声表面波压力传感器,其特征在于:所述加权规则包括如下三种:
i.仅叉指换能器(2)加权;
ii.仅第一金属反射栅阵(3)和第二金属反射栅阵(4)加权,且两者加权函数一致;
iii.叉指换能器(2)、第一金属反射栅阵(3)和第二金属反射栅阵(4)同时加权,此时第一金属反射栅阵(3)和第二金属反射栅阵(4)加权函数一致。
5.根据权利要求1所述的一种基于损耗检测的声表面波压力传感器,其特征在于:所述叉指换能器(2)、第一金属反射栅阵(3)、第二金属反射栅阵(4)的金属化比相等。
6.根据权利要求5所述的一种基于损耗检测的声表面波压力传感器,其特征在于:所述金属化比为0.1-0.6。
7.根据权利要求1所述的一种基于损耗检测的声表面波压力传感器,其特征在于:所述间隔(5)和间隔(6)相等。
8.根据权利要求7所述的一种基于损耗检测的声表面波压力传感器,其特征在于:所述间隔(5)为叉指换能器(2)波长的0.25-2.5倍。
9.根据权利要求1所述的一种基于损耗检测的声表面波压力传感器,其特征在于:所述第一金属反射栅阵(5)和第二金属反射栅阵(6)的同步频率相同,为叉指换能器(2)同步频率的0.95-1.05倍。
10.根据权利要求1所述的一种基于损耗检测的声表面波压力传感器,其特征在于:所述第一金属反射栅阵(5)和第二金属反射栅阵(6)均与叉指换能器(2)平行。
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