CN111879853A - 一种剪切波模式的声表面波谐振式检测器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种剪切波模式的声表面波谐振式检测器，包括基片(1)和设置在其上的三换能器双端对谐振器结构；所述基片(1)的材料为能够激发剪切波模式声表面波的压电材料；所述三换能器双端对谐振器结构包括第二叉指换能器(3)、在所述第二叉指换能器(3)的两侧平行设置的第一叉指换能器(2)和第三叉指换能器(4)、在所述第一叉指换能器(2)的另一侧平行设置的第一周期栅阵(5)、以及在所述第三叉指换能器(4)的另一侧平行设置的第二周期栅阵(6)。与传统瑞利波模式检测器相比，本发明的声表面波检测器具有更高的灵敏度。

Description

一种剪切波模式的声表面波谐振式检测器
技术领域
本发明涉及一种声表面波检测器，特别涉及一种剪切波模式的声表面波谐振式检测器。
背景技术
声表面波(SAW)检测器是SAW气体传感器中的频率控制元件，其性能直接影响SAW气体传感器的灵敏度。在声表面波器件的设计过程中，基片材料是影响声表面波器件性能的一个重要因素。剪切波模式的声表面波通常具有很高的传播速度，但其容易向基片体内分散，造成能量无法集中在器件表面。利用周期栅阵结构可以对剪切波产生波导作用，将其约束在基片表面，使得基片表面产生高速的表面横波(STW)，STW具备的高传播速度的特点，使得剪切波模式的声表面波检测器具有高灵敏度。
通常声表面波检测器的器件结构大致有两种；一种是SAW延迟线，另外一种是SAW谐振器。延迟线结构的检测器容易提供较大的区域用于涂敷敏感膜，但是这种结构的器件损耗较大，间接影响振荡器的频率稳定度。相对于SAW延迟线，SAW谐振器具有高品质因子和低损耗的特点，但谐振器很难提供敏感膜成膜所需要的区域，因此对于不需制作化学膜的传感终端，具有较大优势。
发明内容
本发明的目的在于克服上述技术缺陷，利用叉指换能器与周期栅阵对剪切波的波导作用，在基片表面产生高速的表面横波(STW)，设计了一种高灵敏度的声表面波检测器。
为实现上述目的，本发明提供了一种剪切波模式的声表面波谐振式检测器，包括基片和设置在其上的三换能器双端对谐振器结构；所述基片的材料为能够激发剪切波模式声表面波的压电材料；所述三换能器双端对谐振器结构包括第二叉指换能器、在所述第二叉指换能器的两侧平行设置的第一叉指换能器和第三叉指换能器、在所述第一叉指换能器的另一侧平行设置的第一周期栅阵、以及在所述第三叉指换能器的另一侧平行设置的第二周期栅阵。
作为上述装置的一种改进，所述压电材料为ST-90°X石英。
作为上述装置的一种改进，所述第二叉指换能器和第一叉指换能器之间形成第一间隔，所述第二叉指换能器和第三叉指换能器之间形成第二间隔；所述第一间隔与所述第二间隔相等，取值范围为第一叉指换能器的波长λ的0.25-30倍，第一叉指换能器、第二叉指换能器和第三叉指换能器的波长相等。
作为上述装置的一种改进，所述第一周期栅阵和第二叉指换能器之间形成第三间隔，所述第二周期栅阵和第三叉指换能器之间形成第四间隔；所述第三间隔和所述第四间隔相等，取值范围为第一叉指换能器的波长的0.25-30倍。
作为上述装置的一种改进，所述第一叉指换能器、第二叉指换能器和第三叉指换能器的同步频率相同；该同步频率f满足为：v＝λ×f，其中，v为材料中的声速；
所述第一周期栅阵和第二周期栅阵的同步频率相同；所述第一叉指换能器的同步频率是第一周期栅阵的同步频率的0.5-2倍。
作为上述装置的一种改进，所述第一叉指换能器材料为铝、金、铜、铬中的任意一种或多种混合，并配备二氧化硅或银作为保护层；所述第二叉指换能器材料为铝、金、铜、铬中的任意一种或多种混合，并配备二氧化硅或银作为保护层；所述第三叉指换能器材料为铝、金、铜、铬中的任意一种或多种混合，并配备二氧化硅或银作为保护层。
作为上述装置的一种改进，所述第一叉指换能器、第二叉指换能器和第三叉指换能器的归一化厚度相同，取值范围为0.1％-100％，所述第一叉指换能器的归一化厚度a为：a＝h/λ，h为所述第一叉指换能器的厚度。
作为上述装置的一种改进，所述第一周期栅阵的材料为利用微纳加工技术在基片表面成型的金属或非金属材料，所述第二周期栅阵的材料为利用微纳加工技术在基片表面成型的金属或非金属材料。
作为上述装置的一种改进，所述第一周期栅阵和第二周期栅阵的归一化厚度相同，取值范围为0.1％-100％，所述第一周期栅阵的归一化厚度a'为：a'＝h'/λ'，h'为第一周期栅阵的厚度，λ'为第一周期栅阵的波长。
作为上述装置的一种改进，所述第一叉指换能器、第二叉指换能器、第三叉指换能器、第一周期栅阵和第二周期栅阵的占空比均相等，所述占空比的取值范围为0.1-0.9。
本发明的优势在于：
本发明提供了了一种制作在可激发剪切波模式声表面波的压电基片上的，应用于不需制作化学膜的传感器的三换能器结构双端对谐振式结构声表面波检测器，与传统瑞利波模式检测器相比，本发明的声表面波检测器具有更高的灵敏度。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的剪切波模式的声表面波谐振式检测器的结构示意图；
图2为本发明实施例1提供的剪切波模式的声表面波谐振式检测器的频率响应曲线；
图3为本发明实施例1提供的剪切波模式的声表面波谐振式检测器和已有的传统瑞利波模式声表面波谐振式检测器的测试响应结果，测试样品为甲基磷酸二甲酯(DMMP)。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图1所示，本发明提供一种剪切波模式的声表面波谐振式检测器，采用能够激发剪切波模式声表面波的压电材料作为基片1，并采用三换能器双端对谐振器结构，包括在基片1上设置的第二叉指换能器3、在第二叉指换能器3的两侧分别设置的第一叉指换能器2和第三叉指换能器4、在第一叉指换能器2的另一侧设置的第一周期栅阵5、以及在第三叉指换能器4的另一侧设置的第二周期栅阵6，第二叉指换能器3和第一叉指换能器2之间形成第一间隔7，第二叉指换能器3和第三叉指换能器4之间形成第二间隔8，第一周期栅阵5和第二叉指换能器3之间形成第三间隔9，第二周期栅阵6和第三叉指换能器4之间形成第四间隔10。基片1材料为包括ST-90°X石英在内的能够激发剪切波模式声表面波的压电材料中的任意一种。第一间隔7与第二间隔8相等，且为三个叉指换能器波长的0.25-30倍。第一叉指换能器2、第二叉指换能器3、第三叉指换能器4材料为铝、金、铜、铬中的任意一种或多种混合，并可能配备二氧化硅或银等材料作为保护层；三者的材料可以相同，也可以不同；归一化厚度为0.1％-100％。第一周期栅阵5和第二金属周期栅阵6的材料为可利用微纳加工技术在基片表面成型的金属或非金属材料，归一化厚度为0.1％-100％。第三间隔9和第四间隔10相等，且为三个叉指换能器的波长的0.25-30倍。第一叉指换能器2、第二叉指换能器3、第三叉指换能器4、第一周期栅阵5和第二周期栅阵6的占空比相等，占空比为0.1-0.9。第一叉指换能器2、第二叉指换能器3或第三叉指换能器4的同步频率是第一周期栅阵5或第二周期栅阵6的同步频率的0.5-2倍。
下面以具体实施例1对本发明提供的一种剪切波模式的声表面波谐振式检测器进行详细说明。
实施例1
一种剪切波模式的声表面波谐振式检测器，其基片1材料采用ST-90°X石英，并采用三换能器双端对谐振式结构，第一叉指换能器2、第二叉指换能器3、第三叉指换能器4材料为铝，占空比为0.5，归一化厚度为5％。第一周期栅阵5和第二周期栅阵6材料为铝，占空比为0.5，归一化厚度为5％。第一叉指换能器2、第二叉指换能器3或第三叉指换能器4的同步频率是第一周期栅阵5或第二周期栅阵6的同步频率的1.006倍。第一间隔7与第二间隔8相等，且为三个叉指换能器波长的1.25倍。第三间隔9和第四间隔10相等，且为三个叉指换能器的波长的1.0倍。
如图2所示，本发明实施例1提供的剪切波模式的声表面波谐振式检测器的频率响应曲线。
如图3所示，本发明实施例1提供的剪切波模式的声表面波谐振式检测器与传统瑞利波模式双端对谐振器对同一待测物的响应检测结果，该待测物为甲基磷酸二甲酯(DMMP)。待测物的浓度为0.0016mg/ml。经过仪器条件和样品分析条件相同情况下的测试，得到本发明实施例提供的剪切波模式的声表面波谐振式检测器与传统瑞利波模式声表面波谐振式检测器的响应即频率偏移量的对比，可以看出，本发明实施例提供的剪切波模式的声表面波谐振式检测器的检测灵敏度明显高于传统瑞利波模式声表面波谐振式检测器。
本发明实施例提供的剪切波模式的声表面波谐振式检测器利用了叉指换能器与周期栅阵对剪切波的波导作用，在基片表面产生高速的表面横波(STW)，并利用双端对谐振器的共振效应降低了检测器的插入损耗，因此获得了相较传统瑞利波模式检测器更高的灵敏度。
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。

Claims (10)

1.一种剪切波模式的声表面波谐振式检测器，其特征在于，包括基片(1)和设置在其上的三换能器双端对谐振器结构；所述基片(1)的材料为能够激发剪切波模式声表面波的压电材料；所述三换能器双端对谐振器结构包括第二叉指换能器(3)、在所述第二叉指换能器(3)的两侧平行设置的第一叉指换能器(2)和第三叉指换能器(4)、在所述第一叉指换能器(2)的另一侧平行设置的第一周期栅阵(5)、以及在所述第三叉指换能器(4)的另一侧平行设置的第二周期栅阵(6)。
2.根据权利要求1所述的剪切波模式的声表面波谐振式检测器，其特征在于，所述压电材料为ST-90°X石英。
3.根据权利要求1所述的剪切波模式的声表面波谐振式检测器，其特征在于，所述第二叉指换能器(3)和第一叉指换能器(2)之间形成第一间隔(7)，所述第二叉指换能器(3)和第三叉指换能器(4)之间形成第二间隔(8)；所述第一间隔(7)与所述第二间隔(8)相等，取值范围为第一叉指换能器(2)的波长λ的0.25-30倍，第一叉指换能器(2)、第二叉指换能器(3)和第三叉指换能器(4)的波长相等。
4.根据权利要求3所述的剪切波模式的声表面波谐振式检测器，其特征在于，所述第一周期栅阵(5)和第二叉指换能器(3)之间形成第三间隔(9)，所述第二周期栅阵(6)和第三叉指换能器(4)之间形成第四间隔(10)；所述第三间隔(9)和所述第四间隔(10)相等，取值范围为第一叉指换能器(2)的波长的0.25-30倍。
5.根据权利要求3所述的剪切波模式的声表面波谐振式检测器，其特征在于，所述第一叉指换能器(2)、第二叉指换能器(3)和第三叉指换能器(4)的同步频率相同；该同步频率f满足为：v＝λ×f，其中，v为材料中的声速；
所述第一周期栅阵(5)和第二周期栅阵(6)的同步频率相同；所述第一叉指换能器(2)的同步频率是第一周期栅阵(5)的同步频率的0.5-2倍。
6.根据权利要求1所述的剪切波模式的声表面波谐振式检测器，其特征在于，所述第一叉指换能器(2)材料为铝、金、铜、铬中的任意一种或多种混合，并配备二氧化硅或银作为保护层；所述第二叉指换能器(3)材料为铝、金、铜、铬中的任意一种或多种混合，并配备二氧化硅或银作为保护层；所述第三叉指换能器(4)材料为铝、金、铜、铬中的任意一种或多种混合，并配备二氧化硅或银作为保护层。
7.根据权利要求3所述的剪切波模式的声表面波谐振式检测器，其特征在于，所述第一叉指换能器(2)、第二叉指换能器(3)和第三叉指换能器(4)的归一化厚度相同，取值范围为0.1％-100％，所述第一叉指换能器(2)的归一化厚度a为：a＝h/λ，h为所述第一叉指换能器(2)的厚度。
8.根据权利要求1所述的剪切波模式的声表面波谐振式检测器，其特征在于，所述第一周期栅阵(5)的材料为利用微纳加工技术在基片(1)表面成型的金属或非金属材料，所述第二周期栅阵(6)的材料为利用微纳加工技术在基片(1)表面成型的金属或非金属材料。
9.根据权利要求1所述的剪切波模式的声表面波谐振式检测器，其特征在于，所述第一周期栅阵(5)和第二周期栅阵(6)的归一化厚度相同，取值范围为0.1％-100％，所述第一周期栅阵(5)的归一化厚度a'为：a'＝h'/λ'，h'为第一周期栅阵(5)的厚度，λ'为第一周期栅阵(5)的波长。
10.根据权利要求1所述的剪切波模式的声表面波谐振式检测器，其特征在于，所述第一叉指换能器(2)、第二叉指换能器(3)、第三叉指换能器(4)、第一周期栅阵(5)和第二周期栅阵(6)的占空比均相等，所述占空比的取值范围为0.1-0.9。
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