CN113418585B - 一种saw称重传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种SAW称重传感器。该称重传感器包括：声表面波器件和称重机械结构；所述声表面波器件安放在所述称重机械结构上；所述声表面波器件包括：基底、沉积在基底上的压电薄膜以及沉积在压电薄膜上的叉指电极和反射栅；所述称重机械结构包括：平台、固定在所述平台上的基座、与所述基座以铰链形式连接的杠杆、与所述杠杆成滑块结构的托盘以及一端与所述杠杆的末端连接且一端与所述声表面波器件的中心位置接触的探头；所述探头与所述声表面波器件的中心位置接触的区域为接触区。本发明通过SAW的频率漂移感应压力变化，并且能够对感知压力进行放大或缩小，提高传感量程，能够准确的测量待测物的质量且实现量程可调的效果。
Description
技术领域
本发明涉及传感器领域，特别是涉及一种SAW称重传感器。
背景技术
随着生产过程自动化领域的不断发展以及实际生活对称重传感器需求的 日益增加，市场对称重传感器的技术要求更高：减小体积和质量，提高响应灵 敏度，测量误差小，增加品种，实现数字化及可控化。称重传感器实际上是一 种将质量信号转变为可视化电信号输出的装置，传感器想要在所处环境中将被 测物的质量进行准确测量，正确选用称重传感器至关重要，一方面是传感器的 工作原理会不会受到所处环境的影响，导致出现测量偏差；另一方面是传感器 是否匹配工作环境，涉及它的安全和使用寿命等。
目前已有的称重传感器主要有电阻应变式、电容式等，其中电阻应变式的 传感器使用最广，但是它的缺点是对于大应变有较大的非线性、输出信号较弱。 以基于电容式原理的产品为例，通过被测量的变化转换成电容量的变化，但是 它输出阻抗高，负载能力差，容易受到外界干扰影响产生不稳定现象，其次受 到寄生电容的影响大，不仅降低了传感器的灵敏度，而且这些电容常常是随机 变化的，将使得仪器工作很不稳定，影响测量精度。
现有的产品和技术虽然能够对被测物实现称重功能，但是各种转换原理均 存在一定局限性，产品中仍出现技术或经济问题，因此，针对于此，急需一种 新型而且简单有效的方法，能够实现实时监测，方便精确地获得被测物的质量。 基于压电材料的压电式传感器具有动态范围大，频率范围宽、坚固耐用、受外 界干扰小以及外界电源等特点，其中，基于压电声表面波谐振器(surface acoustic wave resonator，SAW)的传感器在温度感应、气体浓度检测、压力传 感等方面具有显著的应用潜力。因此，本发明提出一种压电式的称重传感器， 该称重传感器通过SAW的频率漂移感应压力变化，并且能够对感知压力进行 放大或缩小，提高传感量程。
发明内容
本发明的目的是提供一种SAW称重传感器，能够准确的测量待测物的质 量且实现量程可调的效果。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种SAW称重传感器，包括：声表面波器件和称重机械结构；所述声表 面波器件安放在所述称重机械结构上；
所述声表面波器件包括：基底、沉积在基底上的压电薄膜以及沉积在压电 薄膜上的叉指电极和反射栅；
所述称重机械结构包括：平台、固定在所述平台上的基座、与所述基座以 铰链形式连接的杠杆、与所述杠杆成滑块结构的托盘以及一端与所述杠杆的末 端连接且一端与所述声表面波器件的中心位置接触的探头；所述探头与所述声 表面波器件的中心位置接触的区域为接触区。
可选的，所述叉指电极分居所述接触区的两侧，所述反射栅位于两所述叉 指电极的外侧。
可选的，在所述基底的背腔刻蚀出圆形、正方形和矩形的空腔。
可选的，所述托盘在杠杆的任意位置上停留。
可选的，所述探头为绝缘材料。
可选的，所述基底为高电阻率的高阻硅。
可选的，所述叉指电极为金属导电电极。
可选的，所述金属导电电极的材料为Mo、Pt、Au或Al。
可选的，所述压电薄膜为AlN压电薄膜、Sc掺杂AlN压电薄膜、PZT压 电薄膜或ZnO压电薄膜。
可选的，所述铰链及杠杆的离地高度根据所述声表面波器件的高度进行调 整；
所述探头的长度根据所述声表面波器件的长度进行调整。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明所提供的一种SAW称重传感器，所述声表面波器件包括：基底、 沉积在基底上的压电薄膜以及沉积在压电薄膜上的叉指电极和反射栅，可以准 确测量被测物的质量；同时，托盘与所述杠杆成滑块结构，即杠杆上托盘的位 置可移动，可以将被测物因重力对SAW谐振器所造成的压力进行放大或缩小， 进而实现了量程可调的效果。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施 例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是 本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性 的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所提供的一种SAW称重传感器结构示意图；
图2为本发明实施例中声表面波器件的俯视示意图；
图3为图2中声表面波器件A-A方向的剖视示意图；
图4为本发明实施例中称重机械结构的示意图；
图5为本发明实施例中具有矩形空腔的声表面波器件的示意图；
图6为本发明实施例中具有正方形空腔的声表面波器件的示意图；
图7为本发明实施例中具有圆形空腔的声表面波器件的示意图；
图8为图5中声表面波器件在中央受到点载荷时的应变图；
图9为图6中声表面波器件在中央受到点载荷时的应变图；
图10为图7中声表面波器件在中央受到点载荷时的应变图；
图11-23为本发明称重传感器的制备方法示意图。
符号说明：
1-基底，2-压电薄膜，3-光刻胶，4-金属导电电极薄膜，5-叉指电极，6- 反射栅，7-母排，8-二氧化硅，9-声表面波器件，10-平台，11-基座，12-杠杆， 13-托盘，14-探头，15-称重机械结构，16-称重传感器。
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，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，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他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种SAW称重传感器，能够准确的测量待测物的质 量且实现量程可调的效果。
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。
图1为本发明所提供的一种SAW称重传感器16结构示意图，如图1所 示，本发明所提供的一种SAW称重传感器16，包括：声表面波器件9和称重 机械结构15；所述声表面波器件9安放在所述称重机械结构15上。
如图2和图3所示，所述声表面波器件9包括：基底1、沉积在基底1上 的压电薄膜2以及沉积在压电薄膜2上的叉指电极5和反射栅6；即所述叉指 电极5、压电薄膜2和基底1呈三明治结构，从下而上依次为基底1、压电薄 膜2以及叉指电极5。
具体的，所述基底1为高电阻率的高阻硅。所述叉指电极5为金属导电电 极。金属导电电极的材料为Mo、Pt、Au或Al。所述压电薄膜2为AlN压电 薄膜、Sc掺杂AlN压电薄膜、PZT压电薄膜或ZnO压电薄膜。
如图4所示，所述称重机械结构15包括：平台10、固定在所述平台10 上的基座11、与所述基座11以铰链形式连接的杠杆12、与所述杠杆12成滑 块结构的托盘13以及一端与所述杠杆12的末端连接且一端与所述声表面波器 件9的中心位置接触的探头14。
具体的，所述托盘13在杠杆14的任意位置上停留。所述探头14为绝缘 材料。
如图1所示，所述探头14与所述声表面波器件9的中心位置接触的区域 为接触区。
杠杆12与基座11以铰链结构的形式连接形成支点，支点与杠杆12距离 平台10的高度可调，托盘13与杠杆12形成滑块结构，托盘13可以在杠杆 12任意位置停留。
所述铰链及杠杆12的离地高度根据所述声表面波器件9的高度进行调整；
所述探头14的长度根据所述声表面波器件9的长度进行调整。
本发明的称重方式为：被测物置于托盘13上，对于具有支点的杠杆12 而言，被测物对杠杆12产生的压力形成动力，而声表面波器件9对探头14 的反作用力形成阻力，根据动力臂和阻力臂的大小，可以计算出探头14对声 表面波器件9的作用力。根据SAW谐振频率定义的公式：
SAW的谐 振频率f由相速度vph及周期节长度λ的影响，当探头14对声表面波器件9产 生压力时，声表面波器件9上声波的相速度以及叉指之间的间距产生变化，导 致该声表面波器件9的谐振频率发生偏移，谐振频率变化
因此， 被测物的质量与声表面波器件9谐振频率的变化量形成对应关系。
除此之外，托盘13与杠杆12之间形成滑块机构，托盘13可以在杠杆12 任意位置上停留，根据杠杆12对动力臂的定义，托盘13位置的改变带来动力 臂的改变，在动力大小和阻力臂大小不变的情况下，探头14与声表面波器件 9的作用力会发生改变，即被测物的质量与声表面波器件9谐振频率的变化量 的对应关系发生变化，换言之，在声表面波器件9能够承受的压力范围内，可 以将托盘13往靠近支点的方向移动，通过减小动力臂的大小来实现被测物质 量的最大化测量。同理可以将托盘13往远离支点的方向移动以测量质量小的被测物。
综上，该发明实现了对被测物的称重功能，并通过调节托盘13在杠杆12 上的位置实现量程可调的特性，将被测物因重力对SAW谐振器所造成的压力 进行放大或缩小，能实现大质量及小质量被测物的测量，进而实现了量程可调 的效果
为了给探头14在接触区与声表面波器件9表面产生接触提供空间，且避 免探头14在给声表面波器件9施加压力时损坏叉指结构的情况，所述叉指电 极5分居所述接触区的两侧，所述反射栅6位于两所述叉指电极5的外侧。
如图5-图7所述在所述基底1的背腔刻蚀出圆形、正方形和矩形的空腔。 图8-10分别是具有矩形、正方形及圆形形状空腔的声表面波器件9在中央受 到点载荷时的应变图，包括垂直于声表面波传播方向的横向应变及平行于声表 面波传播方向的纵向应变。而中间的虚线框区域是叉指电极5所在区域。应当 理解，声表面波器件9相速度的变化直接影响谐振频率，当探头14对声表面 波器件9产生力作用时，器件受到应力应变的作用从而带来材料弹性模量的改 变，从而影响相速度。而对于特定硅基底1而言，相速度随应变的变化的公式 如下：vph＝v0(1+γε)，v0为没有应变状态下的相速度，ε为应变值，γ为应变对 相速度的影响系数。横向应变与纵向应变对相速度的影响系数相反，横向应变 降低相速度而纵向应变提高相速度。对于具有矩形空腔的声表面波器件9而言 主要受到横向应变的影响，因此整体上应变降低相速度，频率发生负向偏移； 对于具有正方形和圆形空腔的声表面波器件9而言受到横向应变和纵向应变 的分布均等，且纵向应变对相速度的影响系数绝对值比横向应变对相速度的影 响系数绝对值高，因此整体上应变提高相速度，频率发生正向偏移。
因此，该发明也提供了一种方法来控制传感器电信号实现正向偏移或者反 向偏移的方法。在传感器下方刻蚀出不同形状的空腔，例如当空腔形状为矩形 时，传感器在称重过程中频率发生负向偏移，而当空腔形状为正方形和圆形时， 传感器在称重过程中频率发生正向偏移。
图11-图23示出了图1所示的称重传感器的工艺步骤，具体如下：
如图11-12所示，在基底1上沉积一层压电薄膜2；
如图13所示，在压电薄膜2上旋涂一层光刻胶3；
如图14所示，通过刻蚀的方式去除需制备叉指电极和反射栅区域的光刻 胶3；
如图15所示，在已经图案化的光刻胶3上沉积金属导电电极薄膜4；
如图16所示，通过剥离工艺去除多余的光刻胶3及多余的金属导电电极 薄膜4，则在压电薄膜2上形成了叉指电极5及反射栅6；
如图17所示，在基底1背部沉积一层二氧化硅薄膜8；
如图18所示，在二氧化硅薄膜8背部涂一层光刻胶3；
如图19所示，通过刻蚀方式去除部分区域光刻胶3；
如图20所示，通过刻蚀去除暴露的二氧化硅8；
如图21所示，去除多余的光刻胶3；
如图22所示，背腔刻蚀基底1；
如图23所示，刻蚀去除二氧化硅8；
如图1所示，将声表面波器件9安放在称重机械结构15上，形成称重传 感器。
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。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施 例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的 一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变 之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (9)
1.一种SAW称重传感器，其特征在于，包括：声表面波器件和称重机械结构；所述声表面波器件安放在所述称重机械结构上；
所述声表面波器件包括：基底、沉积在基底上的压电薄膜以及沉积在压电薄膜上的叉指电极和反射栅；
所述称重机械结构包括：平台、固定在所述平台上的基座、与所述基座以铰链形式连接的杠杆、与所述杠杆成滑块结构的托盘以及一端与所述杠杆的末端连接且一端与所述声表面波器件的中心位置接触的探头；所述探头与所述声表面波器件的中心位置接触的区域为接触区；
所述叉指电极分居所述接触区的两侧，所述反射栅位于两所述叉指电极的外侧；
被测物置于所述托盘上，对所述杠杆产生的压力形成动力，而所述声表面波器件对所述探头的反作用力形成阻力；当所述探头对所述声表面波器件产生压力时，所述声表面波器上声波的相速度以及叉指之间的间距产生变化，使所述声表面波器件的谐振频率发生偏移，被测物的质量与所述声表面波器件谐振频率的变化量形成对应关系。
2.根据权利要求1所述的一种SAW称重传感器，其特征在于，在所述基底的背腔刻蚀出圆形、正方形和矩形的空腔。
3.根据权利要求1所述的一种SAW称重传感器，其特征在于，所述托盘在杠杆的任意位置上停留。
4.根据权利要求1所述的一种SAW称重传感器，其特征在于，所述探头为绝缘材料。
5.根据权利要求1所述的一种SAW称重传感器，其特征在于，所述基底为高电阻率的高阻硅。
6.根据权利要求1所述的一种SAW称重传感器，其特征在于，所述叉指电极为金属导电电极。
7.根据权利要求6所述的一种SAW称重传感器，其特征在于，所述金属导电电极的材料为Mo、Pt、Au或Al。
8.根据权利要求1所述的一种SAW称重传感器，其特征在于，所述压电薄膜为AlN压电薄膜、Sc掺杂AlN压电薄膜、PZT压电薄膜或ZnO压电薄膜。
9.根据权利要求1所述的一种SAW称重传感器，其特征在于，所述铰链及杠杆的离地高度根据所述声表面波器件的高度进行调整；
所述探头的长度根据所述声表面波器件的长度进行调整。
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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