CN112729595A - 延迟线型声表面波传感器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种延迟线型声表面波传感器及其制作方法，包括LTCC陶瓷衬底，衬底上方的压电陶瓷层，在LTCC陶瓷衬底下方的电极层，在压电陶瓷上设置一金电极的均匀结构的叉指换能器，以及三个沿声表面波传播方向设置的金电极的短路反射栅；均匀叉指换能器可以直接激励或接收声表面波，当输入电信号后，通过压电基片的逆压电效应，将电信号转化为机械信号，以声表面波的形式在压电基片上传播，并分别由第一反射栅、第二反射栅与第三反射栅所反射，再通过压电基片的压电效应，将机械信号转换为电信号，通过信号处理以评价时域响应的相位变化来实现对温度的检测。
Description
技术领域
本发明涉及一种延迟线型声表面波传感器及其制作方法。
背景技术
SAW在压电基底上的传播速度能受到温度的影响，传播速度的变化会影响到声表面波的其他特性参数如延迟线频率、相位延迟和时间延迟等的变化，利用这种特性，可以测得环境温度的变化，传播时间τ和温度T有如下关系：τ＝τ0[1+TCD(T-T0)]，其中TCD为SAW器件延迟温度系数，T0为参考温度，τ0为参考传播时间。
目前，传感器系统其中一个较为重要的发展趋势是功能集成化，这样有利于多参量的实时监测，也有利于系统的小型化，为了缩小声表面波器件的体积，通常采用三种方法，一是优化设计器件用芯片，使其做的更小；二是将不同功能的器件封装在一起，构成组合型器件以减小占用印刷电路板的面积；三是改进器件的封装形式将封装外壳改为无引线陶瓷芯片载体表面贴装形式。
低温共烧多层压电陶瓷具有体积小、性能高等优点，在集成电路等方面具有广泛的应用。低温共烧陶瓷(LTCC)具有其良好的机械性能和稳定性，以及简单的加工方法而被广泛使用。在不需要微米分辨率的应用中，LTCC(低温共烧陶瓷)技术可以降低器件成本，缩短开发时间，而且在封装和小型化方面具有明显优势
发明内容
本发明的目的在于提供一种延迟线型声表面波传感器及其制作方法。
为解决上述问题，本发明提供一种延迟线型声表面波传感器，包括：
LTCC陶瓷衬底层1，压电陶瓷层2，电极层3,其中，
所述电极层3位于LTCC陶瓷衬底层1的下侧，压电陶瓷层2位于LTCC陶瓷衬底层1的上侧；所述压电陶瓷层2表面具有3个反射栅；所述压电陶瓷层2沿声波传播方向设置有叉指换能器7和第一反射栅4、第二反射栅5与第三反射栅6，压电陶瓷层2两侧设置有吸声材料9，所述叉指换能器7的一侧连接有导电膜8；
所述的第一反射栅4、第二反射栅5与第三反射栅6为短路反射栅，其中，所述的短路反射栅由至少两个两倍叉指宽度的电极组成。
进一步的，在上延迟线型声表面波传感器中，所述叉指换能器7的叉指电极对数为5-20。
进一步的，在上延迟线型声表面波传感器中，所述LTCC陶瓷衬底层1上有一层压电陶瓷层2。
进一步的，在上延迟线型声表面波传感器中，所述压电陶瓷层2在极化之前不具备压电性质。
进一步的，在上延迟线型声表面波传感器中，所述压电陶瓷层2为PZT或AlN压电陶瓷，厚度为单个叉指宽度的4倍左右。
进一步的，在上延迟线型声表面波传感器中，所述电极层3为具有导电性的铝、银和金金属中的一种，所述电极层3厚度和叉指换能器7的厚度相同。
根据本发明的另一面，提供一种延迟线型声表面波传感器的制备方法，包括：
步骤1：将两层LTCC生陶瓷带叠片，利用静压使两层LTCC生陶瓷带叠片粘接牢固；
步骤2：使用陶瓷粉制作PZT陶瓷带；
步骤3：使用丝网印刷方法，在PZT陶瓷带的单面上印刷叉指换能器及反射栅图案；
步骤4：将步骤3所得PZT陶瓷带印刷叉指换能器的反面涂覆异丙醇后，静压在步骤1所得的LTCC生陶瓷带叠片上，以得到组合完成的器件；
步骤5：将步骤4所得的组合完成的器件进行烧结，以得到烧结完成的第一器件；
步骤6：在步骤5所得的烧结完成的第一器件的LTCC生陶瓷带的另一侧丝网印刷电极，并进行烧结，以得到烧结完成的第二器件；
步骤7：对步骤6所得的烧结完成的第二器件进行极化，以得到延迟线型声表面波传感器。
进一步的，在上述方法中，所述声表面波延迟线型传感器结构包括：叉指换能器、第一反射栅、第二反射栅和第三反射栅。
进一步的，在上述方法中，所述叉指换能器、第一反射栅、第二反射栅和第三反射栅的制作材料采用金属铝、铜和金中的一种。
进一步的，在上述方法中，所述声表面波延迟线型传感器的制作工艺采用丝网印刷工艺。
与现有技术相比，本发明包括LTCC陶瓷衬底，衬底上方的压电陶瓷层，在LTCC陶瓷衬底下方的电极层，在压电陶瓷上设置一金电极的均匀结构的叉指换能器，以及三个沿声表面波传播方向设置的金电极的短路反射栅；均匀叉指换能器可以直接激励或接收声表面波，当输入电信号后，通过压电基片的逆压电效应，将电信号转化为机械信号，以声表面波的形式在压电基片上传播，并分别由第一反射栅、第二反射栅与第三反射栅所反射，再通过压电基片的压电效应，将机械信号转换为电信号，通过信号处理以评价时域响应的相位变化来实现对温度的检测。
本发明应用一种新的工艺方法制造声表面波延迟线型传感器。提供的声表面波延迟线型传感器，采用压电陶瓷层2与LTCC陶瓷衬底层1的叠层结构，其中，压电陶瓷层2经过极化后具有压电性质，LTCC陶瓷衬底层1采用具有较低杨氏模量的LTCC陶瓷衬底，使得本发明具有易封装、易集成、灵敏度高的特点。
附图说明
图1是本发明提供的声表面波延迟线型传感器器件剖面结构示意图；
图2是本发明提供的以铝为电极的声表面波反射型延迟线结构示意图；
图3a是本发明提供的声表面波反射型延迟线所采用的叉指换能器的结构示意图；
图3b是本发明提供的声表面波反射型延迟线所采用的反射栅的结构示意图；
图4是本发明提供的声表面波反射型延迟线所采用的电极结构示意图；
图5是本发明提供的声表面波延迟线型传感器器件立体结构示意图；
图6是本发明提供的声表面波延迟线型传感器器件立体分层结构示意图；
其中，1.LTCC陶瓷衬底层，2.压电陶瓷层，3.电极层，4.第一反射栅，5.第二反射栅，6.第三反射栅，7.叉指换能器，8.导电膜，9.吸声材料，10.第一回波，11.第二回波，12.第三回波。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
本发明的目的是用一种新的方法制备声表面波器件，声表面波器件常规的制备工艺一般为先对基片经过预处理，然后采用光刻工艺制备叉指换能器图形，最后采用划片、粘片、点焊、封装等工艺得到最后的器件。在不需要微米级分辨率的应用中，LTCC(低温共烧陶瓷)加工过程相对于常规光刻方法制备声表面波器件较简单、方便，而且LTCC技术能充分利用三维空间发展多层基板技术，使得器件在封装和小型化方面具有明显优势。不同的压电材料具有不同的性能参数，选择居里温度较高的压电材料可显著提升声表面波温度传感器的测温范围。
如图1、5、6所示，本发明提供一种延迟线型声表面波传感器，包括：LTCC陶瓷衬底层1，压电陶瓷层2，电极层3,其中，
所述电极层3位于LTCC陶瓷衬底层1的下侧，压电陶瓷层2位于LTCC陶瓷衬底层1的上侧；所述压电陶瓷层2表面具有3个反射栅；所述压电陶瓷层2沿声波传播方向设置有叉指换能器7和第一反射栅4、第二反射栅5与第三反射栅6，压电陶瓷层2两侧设置有吸声材料9，所述叉指换能器7的一侧连接有导电膜8；
所述的第一反射栅4、第二反射栅5与第三反射栅6为短路反射栅，其中，所述的短路反射栅由至少两个两倍叉指宽度的电极组成。
在此，本发明提供的声表面波延迟线型传感器，当在叉指换能器7上施加一个高频激励电信号，根据逆压电效应，压电基片表面发生机械变形，激励出中心频率为f0的声表面波。声表面波在压电基片上的传播速度V受到温度的影响，同时，波速V、波长λ和频率f之间满足公式：
可见，温度的变化会影响声表面波在基片上的传播速度，进而影响到声表面波谐振频率的变化。
所述第一反射栅4、第二反射栅5与第三反射栅6为短路反射栅(具体结构如图3b所示)，其中所述的短路反射栅至少由2个四分之一波长宽度的电极组成，因本实施案例使用印刷网版制作图案，采用325目网版，所以印刷叉指换能器电极厚度为20微米；由叉指换能器7通过天线接受来自于无线读取单元发射的电信号，并转化为声表面波信号，声表面波由叉指换能器7激发，沿压电陶瓷层5表面传播，并分别由第一反射栅4、第二反射栅5与第三反射栅6反射，反射的第一回波10、第二回波11和第三回波12通过叉指换能器7重新转换成电信号，由天线传回无线读取单元，通过对点信号进行处理，以信号时域响应的相位变化实现对温度的检测。
本发明的反射栅采用短路反射栅，常规反射栅采用开路反射栅或短路反射栅，短路型反射栅具有较大的反射系数，可以更好的改善器件的信噪比。
本发明在压电陶瓷层5两端涂覆吸声材料9，主要用途是消除声表面波的边缘反射，降低由于器件边缘反射引起的信号噪声。
本发明在LTCC陶瓷衬底层1的另一侧印刷电极(如图4所示)，电极大小与叉指换能器7整体大小基本一致，为了避免极化时电极边缘产生电弧造成器件击穿，印刷的电极大小边缘部分保留合适空白(如图4所示)，在叉指换能器7正下方位置；将电极层3连接正电极，叉指换能器7连接负电极，在极化装置中对器件进行极化，这样使得仅有叉指换能器7部分下的压电陶瓷层5被极化，具有压电性质，减少材料使用，节约成本。
本发明提供的声表面波延迟线型传感器，采用压电陶瓷层2与LTCC陶瓷衬底层1的叠层结构，其中压电陶瓷层2经过极化后具有压电性质，LTCC陶瓷衬底层1采用具有较低杨氏模量的LTCC陶瓷衬底，使得本发明具有易封装、易集成、灵敏度高的特点。
本发明的延迟线型声表面波传感器一实施例中，所述叉指换能器7的叉指电极对数为5-20。
在此，参考图2，制作一具有均匀叉指换能器与短路栅反射器的应用于温度传感器的声表面波反射型延迟线；本实施例的叉指换能器7为以铝为电极的均匀叉指换能器(IDT)，其中叉指电极对数为10对(具体结构如图3a所示)，当然叉指电极对可以是5-20之间的任意数，电极宽度与相邻电极间的间隙的宽度均相同，为四分之一波长的宽度，因本实施案例使用印刷网版制作图案，采用325目网版，所以印刷叉指换能器电极厚度为20微米。
本发明的延迟线型声表面波传感器一实施例中，所述LTCC陶瓷衬底层1上有一层压电陶瓷层2。
本发明的延迟线型声表面波传感器一实施例中，所述压电陶瓷层2在极化之前不具备压电性质。
在此，压电陶瓷层2采用压电陶瓷材料，与常用的单晶材料相比，压电陶瓷材料具有较高的耦合系数，但是相对的，压电陶瓷材料也表现出较大的传播损耗。本发明提供的声表面波延迟线型传感器，包括LTCC陶瓷衬底层1，LTCC具有较低的杨氏模量，可以降低压电陶瓷材料带来的传播损耗，进而提高声表面波传感器的灵敏度。
本发明的延迟线型声表面波传感器一实施例中，所述压电陶瓷层2为PZT或AlN压电陶瓷，厚度为单个叉指宽度的4倍左右；
所述电极层3为具有导电性的铝、银和金金属中的一种，所述电极层3厚度和叉指换能器7的厚度相同。
具体的，图3a与图3b分别为本实施案例的声表面波反射型延迟线所采用的均匀叉指换能器和短路反射栅的结构图；图3a所示的为电极对数为4对的均匀叉指换能器，电极宽度与相邻电极间的间隙的宽度均相同，为λ/4的宽度。在本实施案例中，叉指电极对数为10对，电极宽度为125微米，叉指孔径W为15λ，因本实施案例使用印刷网版制作图案，采用325目网版，所以印刷叉指换能器电极厚度为20微米。图3b中所示短路反射栅由2-5个之间宽度为λ/4的电极短路而成，电极与电极之间间隙的距离为λ/4；另外，由于声表面波衰减的影响，为了增强信号的反射，第二反射栅5的电极对数大于等于第一反射栅4的对数，第三反射栅6的电极对数大于第二反射栅5的对数，本实施案例中，第一反射栅4、第二反射栅5与第三反射栅6所采用的电极对数都为3对，因本实施案例使用印刷网版制作图案，采用325目网版，所以印刷短路反射栅电极厚度为20微米，第一反射栅4与叉指换能器7的距离为5.01mm，第二反射栅5与第一反射栅4的距离为5.75mm，第二反射栅5与第三反射栅6的距离为15.02mm。
本发明在叉指换能器7一侧加有导电膜8，形状为正方形，导电膜长度为1-3mm，器件封装一般采用点焊线或倒装焊，导电膜易于封装连接，因此导电膜形状也可以是其他形状。
根据本发明的另一面，还提供一种延迟线型声表面波传感器的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：将两层LTCC生陶瓷带叠片，利用静压使两层LTCC生陶瓷带叠片粘接牢固；
步骤2：使用陶瓷粉制作PZT陶瓷带；
步骤3：使用丝网印刷方法，在PZT陶瓷带的单面上印刷叉指换能器及反射栅图案；
步骤4：将步骤3所得PZT陶瓷带印刷叉指换能器的反面涂覆异丙醇后，静压在步骤1所得的LTCC生陶瓷带叠片上，以得到组合完成的器件；
步骤5：将步骤4所得的组合完成的器件进行烧结，以得到烧结完成的第一器件；
步骤6：在步骤5所得的烧结完成的第一器件的LTCC生陶瓷带的另一侧丝网印刷电极，并进行烧结，以得到烧结完成的第二器件；
步骤7：对步骤6所得的烧结完成的第二器件进行极化，以得到延迟线型声表面波传感器。
本发明的延迟线型声表面波传感器的制备方法一实施例中，所述声表面波延迟线型传感器结构包括：叉指换能器、第一反射栅、第二反射栅和第三反射栅。
本发明的延迟线型声表面波传感器的制备方法一实施例中，所述声表面波延迟线型传感器的制作工艺采用丝网印刷工艺。
本发明的延迟线型声表面波传感器的制备方法一实施例中，所述叉指换能器、第一反射栅、第二反射栅和第三反射栅制作材料采用金属铝、铜和金中的一种。
具体的，本发明提供的声表面波延迟线型传感器，其制备方法可以概括如下：
一种基于PZT/LTCC基底的声表面波延迟线型传感器的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：将两层杜邦951生陶瓷基片在20MPa、70℃的条件下进行等静压层压，然后根据该陶瓷基片的烧结曲线，在标准条件下在箱炉中共烧；
步骤2：使用丹麦Meggitt公司的Pz27粉制作PZT生瓷带；
步骤3：利用设计好的声表面波反射型延迟线结构参数，制作325目的印刷网版，网版厚度为20微米；
步骤4：使用印刷网版与Heraeus公司生产的tc7103金浆，在步骤2制作好的PZT瓷片上印刷图案，常温静置，等待铝浆固化；
步骤5：将步骤4所得PZT瓷片无印刷图案侧涂覆异丙醇后，粘接于LTCC陶瓷衬底基片表面，然后等静压层压；
步骤6：在室温下，将步骤5得到的片子在100℃下烘干30分钟，然后在950℃的温度下，在炉中烧结2小时；
步骤7：使用激光对步骤6制作好的基板进行切割，使得每块上有一个完整的声表面波反射型延迟线结构；
步骤8：使用Heraeus公司生产的tc7103金浆在LTCC陶瓷衬底基片的另一表面印刷电极；
步骤9：使用与步骤7相同的烧结曲线对器件进一步烧结；
步骤10：将步骤9所得的器件放置在极化装置中，在5kv/mm、常温的条件下进行极化；
显然，本领域技术人员应当知道本发明提供的声表面波延迟线型传感器还可以采用AlN等其它压电陶瓷材料，同时，本发明所涉及的均匀叉指换能器也可以制作成单向单相叉指换能器，本发明所涉及的短路型反射栅也可以制作成开路型反射栅，这些改动都没有脱离本发明的精神和范围，均包含在本发明的意图之中。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
显然，本领域的技术人员可以对发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包括这些改动和变型在内。
Claims (10)
1.一种延迟线型声表面波传感器，其特征在于，包括：
LTCC陶瓷衬底层(1)，压电陶瓷层(2)，电极层(3),其中，
所述电极层(3)位于LTCC陶瓷衬底层(1)的下侧，压电陶瓷层(2)位于LTCC陶瓷衬底层(1)的上侧；所述压电陶瓷层(2)表面具有3个反射栅；所述压电陶瓷层(2)沿声波传播方向设置有叉指换能器(7)和第一反射栅(4)、第二反射栅(5)与第三反射栅(6)，压电陶瓷层(2)两侧设置有吸声材料(9)，所述叉指换能器(7)的一侧连接有导电膜(8)；
所述的第一反射栅(4)、第二反射栅(5)与第三反射栅(6)为短路反射栅，其中，所述的短路反射栅由至少两个两倍叉指宽度的电极组成。
2.如权利要求1所述的延迟线型声表面波传感器，其特征在于，所述叉指换能器(7)的叉指电极对数为5-20。
3.如权利要求1所述的延迟线型声表面波传感器，其特征在于，所述LTCC陶瓷衬底层(1)上有一层压电陶瓷层(2)。
4.如权利要求1所述的延迟线型声表面波传感器，其特征在于，所述压电陶瓷层(2)在极化之前不具备压电性质。
5.如权利要求1所述的延迟线型声表面波传感器，其特征在于，所述压电陶瓷层(2)为PZT或AlN压电陶瓷，厚度为单个叉指宽度的4倍左右。
6.如权利要求1所述的延迟线型声表面波传感器，其特征在于，所述电极层(3)为具有导电性的铝、银和金金属中的一种，所述电极层(3)厚度和叉指换能器(7)的厚度相同。
7.一种延迟线型声表面波传感器的制备方法，其特征在于，包括：
步骤1：将两层LTCC生陶瓷带叠片，利用静压使两层LTCC生陶瓷带叠片粘接牢固；
步骤2：使用陶瓷粉制作PZT陶瓷带；
步骤3：使用丝网印刷方法，在PZT陶瓷带的单面上印刷叉指换能器及反射栅图案；
步骤4：将步骤3所得PZT陶瓷带印刷叉指换能器的反面涂覆异丙醇后，静压在步骤1所得的LTCC生陶瓷带叠片上，以得到组合完成的器件；
步骤5：将步骤4所得的组合完成的器件进行烧结，以得到烧结完成的第一器件；
步骤6：在步骤5所得的烧结完成的第一器件的LTCC生陶瓷带的另一侧丝网印刷电极，并进行烧结，以得到烧结完成的第二器件；
步骤7：对步骤6所得的烧结完成的第二器件进行极化，以得到延迟线型声表面波传感器。
8.如权利要求7所述的延迟线型声表面波传感器的制备方法，其特征在于，所述声表面波延迟线型传感器结构包括：叉指换能器、第一反射栅、第二反射栅和第三反射栅。
9.如权利要求8所述的延迟线型声表面波传感器的制备方法，其特征在于，所述叉指换能器、第一反射栅、第二反射栅和第三反射栅的制作材料采用金属铝、铜和金中的一种。
10.如权利要求7所述的延迟线型声表面波传感器的制备方法，其特征在于，所述声表面波延迟线型传感器的制作工艺采用丝网印刷工艺。
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