CN114112102B - 一种具有线性输出特性的声表面波温度传感器及制备方法 - Google Patents
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Abstract
发明公开了一种具有线性输出特性的声表面波温度传感器及工作方法。该声表面波温度传感器由两个声表面波谐振器组成，两个声表面波谐振器在同一硅酸镓镧衬底基片上但存在一定的非零度夹角，通过生长SiO2薄膜的方式调整二阶温度系数，使得两个谐振器的谐振频率差分信号具有线性的频率‑温度输出特性。本发明提供的声表面波温度传感器采用了较为简化的标定方式扩大了传统LGS SAW温度传感器的应用范围，且由于具有优好的频率‑温度输出特性，降低了计算的复杂性。
Description
技术领域
本发明属于声表面波传感器技术领域，具体涉及一种具有线性输出特性的声表面波温度传感器及制备方法。
背景技术
声表面波(surface acoustic wave，SAW)是一种沿着衬底材料表面传播的弹性波，其能量被限制在衬底材料表面附近。基于SAW的温度传感器的工作原理是当SAW传感器受到温度干扰时，其电学机械边界和边界条件发生了相应变化，进而导致在器件表面传播的SAW速度、幅值、模式等参量发生变化，与SAW传感器相连的电学设备检测出器件输出信号的变化，即可实现对温度的敏感检测。由于SAW温度传感器无线无源的特点，使得SAW温度传感器的适用环境更加广泛，可以应对诸多不宜直接接触的恶劣环境，如高温、高压、强电磁辐射和高度旋转等环境，此外SAW温度传感器还具有灵敏度高、精度高、结构简单、易于通过MEMS工艺进行大量制造等优点。
常见的SAW温度传感器主要是基于延迟线和谐振器两种，每种类型又可以分为单端口和双端口两种结构，由于相较更为简单的机理和更小的器件尺寸，单端口谐振型温度传感器则拥有最为普遍的应用，单端口的谐振器由位于中间的叉指换能器(Interdigitaltransducers，IDT)和两边对称放置的短路或开路反射栅构成，当IDT输入一定频率的电信号时，电信号通过压电基片的逆压电效应转化为机械能形成SAW，入射到以一定周期放置的反射栅时，当该频率的SAW可以实现入射波与反射波的相互叠加时，则SAW会以驻波的形式在反射栅中传播，并返回到达IDT，再通过压电基片的压电效应将SAW转换为电信号输出获得频率响应，该频率称为谐振频率，单端口谐振型SAW传感器则是利用测量温度改变后引起的谐振频率变化来实现对温度的测量。
SAW传感器的频率-温度特性主要取决于其使用的压电材料，硅酸镓镧(La3Ga5SiO4，LGS)是一种新型压电单晶材料，LGS的熔点为1470℃高于石英，且不存在相变现象，LGS较铌酸锂在高温时化学成分更加稳定，钽酸锂存在热释电效应，而AlN会在700℃时开始明显氧化，所以LGS在SAW温度传感器中，特别在高温应用中，相比以上几种常见的压电材料具有明显的优势。然而与基于众多压电衬底的SAW温度传感器一样，在较宽温度范围内LGS SAW温度传感器的频率-温度特性曲线满足二次函数，由于二次函数的非单调性，除二次函数的顶点处，其余频率点均对应两个温度点，这样使得在全温度范围内测试时，无法确认某一频率点对应的温度值，只能将SAW温度传感器的工作温度范围限制在二次函数的单调区域内，而且由于频率-温度的二次函数特性较线性关系需要更多的参数，也会给温度的标定和测量带来偏差和复杂性。
目前较为普遍的SAW温度传感器频率-温度特性线性化的方法有以下两种：(1)利用压电衬底材料的各向异性，按照某种特殊的设计，在衬底材料的两个不同切向上制备SAW器件，通过对两个器件信号的计算实现频率-温度特性的线性化，但设计方法普遍会对器件后续的微纳加工制备、标定和应用提出极高的精度要求，否则将会造成温度测量的误差或无法实现线性化；(2)通过一个SAW器件激发出两种不同模式的声波，通过对这两个信号的差分运算实现频率-温度特性的线性化，但由于同一切向激发出不同模式的声波难易程度不同且需要两个信号的频率-温度特性的二次项系数完全一致才能抵消等原因，该方法仍具有较大的局限性。
发明内容
针对现有技术SAW温度传感器的不足和LGS SAW温度传感器频率-温度特性成二次函数关系带来的技术问题，本发明提出了一种具有线性输出特性的声表面波温度传感器，其输出具有线性频率-温度特性。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本申请公开了一种具有线性输出特性的声表面波温度传感器，包括压电基片以及设置在所述压点基片上的两个声表面波谐振器，所述声表面波谐振器之间通过电路连接，两个声表面波谐振器的声表面波传播方向形成夹角，其中一个声表面波谐振器的叉指换能器区域附着有保护层，两个声表面波谐振器的二阶频率温度系数相等。
作为优选，所述压电基片采用硅酸镓镧单晶。
作为优选，所述声表面波谐振器之间采用串联或并联的方式进行电路连接。
作为优选，两个声表面波谐振器的声表面波传播方向形成夹角大小为0～180°。
作为优选，所述保护层包括但不限于SiO2薄膜、Al2O3薄膜、Si3N4薄膜中的一种。
本申请还公开了一种具有线性输出特性的声表面波温度传感器的制备方法，包括如下步骤：
S1、选择硅酸镓镧单晶作为压电基片，在压电基片上制作两个声表面波谐振器，使得两个声表面波谐振器的声表面波传播方向形成夹角；
S2、将两个声表面波谐振器用掩膜进行遮挡，只在其中一个声表面波谐振器的叉指换能器区域制备保护膜，使得两个声表面波谐振器的二阶频率温度系数相等；
S3、将两个声表面波谐振器采用串联或并联的方式进行电路连接。
作为优选，所述步骤1的具体操作如下：
S11、采用微电子工艺，在压电基片上光刻出声表面波谐振器的图形；
S12、在声表面波谐振器的图形内镀入钛作为粘附层，再镀入金作为电极层，洗去光刻胶，形成所需的器件；
S13、将器件放入充满氮气的炉里进行退火，所述退火的温度为500摄氏度，退火时间为30min。
作为优选，所述步骤S2的具体操作如下：用采用等离子体增强化学气相沉积工艺在声表面波谐振器的叉指换能器区域制备保护膜。
本发明的有益效果：
本发明通过在同一LGS压电基片上设计两个SAW谐振器并进行连接作为SAW温度传感器使用，其中一个SAW谐振器表面附着一定厚度的SiO2薄膜，使得两个谐振器的谐振频率差与温度之间呈一次函数关系。本发明采用了较为简化的标定方式扩大了传统LGS SAW温度传感器的应用范围，且具有优好的频率-温度输出特性。
本发明的特征及优点将通过实施例结合附图进行详细说明。
附图说明
图1为本发明并联结构示意图。
图2为本发明实施例样品第1个谐振器频率-温度特性测试散点以及拟合曲线。
图3为本发明实施例样品第2个谐振器频率-温度特性测试散点以及拟合曲线。
图4为本发明实施例样品附着了2.3微米厚SiO2薄膜后的第2个谐振器频率-温度特性测试散点以及拟合曲线。
图5为本发明实施例拟合的T与fr1-fr2+SiO之间的关系图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明了，下面通过附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。但是应该理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限制本发明的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本发明的概念。
本发明采用的技术方案为：
步骤一、在同一LGS衬底上制作两个SAW谐振器，两个谐振器的SAW传播方向形成夹角θ，0<θ<180°。
步骤二、将步骤一得到的两个谐振器用掩膜进行遮挡，只在第2个谐振器的IDT区域制备一定厚度的SiO2薄膜，将第2个谐振器的二阶频率温度系数调整到与第1个谐振器相等，即
TCF21＝TCF22+SiO (1)
式中，TCF21和TCF22+SiO分别表示第1个谐振器和附着了SiO2薄膜的第2个谐振器的二阶频率温度系数。
步骤三、将步骤二得到的两个谐振器采用串联或并联的方式进行电路连接。
工作原理：
LGS单晶压电衬底材料具有各向异性，沿不同切向传播的SAW的频率-温度特性也不相同，由于两个SAW谐振器的频率-温度特性均满足二次函数关系，所以两个SAW谐振器的谐振频率偏移随温度的变化可表示为，
Δfr1＝TCF11ΔT+TCF21ΔT2 (2)
Δfr2＝TCF12ΔT+TCF22ΔT2 (3)
fr1和fr2分别是两个SAW谐振器在实际温度T时的谐振频率，Δfr＝fr-f0，T0为参考温度，ΔT＝T-T0，TCF11和TCF12分别为两个SAW谐振器的一阶频率温度系数。
作为常见温度补偿层的SiO2薄膜会对SAW谐振器的频率温度系数有明显的影响，附着的SiO2薄膜越厚，对频率温度系数的影响越明显，当附着在第2个SAW谐振器表面的SiO2薄膜厚度能够将第2个谐振器的二阶温度系数调整到与TCF21相同时，公式(3)可表示为，
Δfr2+SiO＝TCF12+SiOΔT+TCF21ΔT2 (4)
式中，TCF12+SiO表示附着了SiO2薄膜后第2个SAW谐振器的一阶温度系数，Δfr2+SiO＝fr2+SiO-f02+SiO，fr2+SiO和f02+SiO分别表示附着了SiO2薄膜后第2个SAW谐振器的在T和T0的谐振频率，其原因是SiO2薄膜除改变频率-温度系数外，还会对SAW的声速产生影响，从而导致在相同温度时，第2个SAW谐振器的谐振频率会与未附着SiO2薄膜时的器件不同。此时，公式(2)和公式(4)作差分运算，可得，
Δfr1-Δfr2+SiO＝(TCF11-TCF12+SiO)ΔT (5)
所以，两个谐振器的谐振频率偏移之差与温度之间呈一次函数关系，所以当前环境温度可表示为，
其中，
从简化后的公式(6)可知，Z和J都是与压电基片材料、器件结构参数和SiO2薄膜相关的两个系数。因此，当压电基片确定，两个SAW谐振器的结构及SiO2薄膜厚度确定后，Z和J都是常数。所以只需在测试前标定好Z和J，即可通过当前温度下两个谐振器的谐振频率fr1和fr2+SiO计算得到当前温度。
步骤四、将LGS SAW温度传感器与矢量网络分析仪连接好，将该器件放置于待测环境内，用矢量网络分析仪测试两个谐振器的谐振频率并代入公式(6)计算，即可获得当前待测环境温度。
实施例：
(1)LGS SAW温度传感器的制备：
本发明实施例将两个SAW谐振器分别标记为SAW-1和SAW-2，LGS SAW温度传感器的结构示意图如图1所示，采用的是并联结构，SAW-1和SAW-2均为单端口谐振器，包括位于中间的IDT和位于两侧的反射栅，本发明实施例中SAW-1和SAW-2的欧拉角分别设置为(0°，138.5°，86.6°)和(0°，138.5°，26.6°)，即为SAW-1和SAW-2中的SAW传播方向，(0°，138.5°，86.6°)和(0°，138.5°，26.6°)切向的LGS的声速分别为2466m/s和2716m/s，两个谐振器的叉指电极宽度均为3μm，SAW波长即为12μm，在这两个方向上，SAW谐振器的声速和二阶频率温度系数是已知的，分别为TCF21＝-13.15Hz·℃-2和TCF22＝-9.66Hz·℃-2。SAW-1和SAW-2的频率-温度特性曲线如图2和图3所示。
本发明实施例采用微电子工艺在LGS压电衬底上制备SAW-1和SAW-2，采用正胶剥离工艺实现电极图形化，电极采用直流磁控溅射工艺进行制备，首先制备20nm的Ti薄膜作为粘附层，再制备80nm的Au薄膜作为电极层，在测试之前需要对制备好的器件进行高温退火，将制备好的SAW-1和SAW-2在N2气氛中500℃退火30min，退火可降低Ti薄膜和Au薄膜之间的接触电阻以提高温度器件的稳定性，接下来用制作好的掩膜对器件不需要附着SiO2薄膜的部分进行遮挡，采用等离子体增强化学气相沉积(plasma enhanced chemical vapordeposition，PECVD)工艺在SAW-2的IDT处制备SiO2薄膜，制备SiO2薄膜采用射频功率为70W，SiO2的沉积速率为150nm/min，经制备不同厚度的SiO2薄膜后发现，随着SiO2薄膜厚度的增加，SAW-2的二阶温度系数不断下降，要将SAW-2的二阶温度系数降低到-13.15Hz·℃-2，则需要制备2.3微米的SiO2薄膜，制备2.3微米SiO2薄膜后SAW-2的频率-温度特性曲线如图4所示。
(2)温度测试
将本实施例制得的SAW温度传感器在不同温度下进行测试标定，设定室温为参考温度T0，将SAW温度传感器置于高温炉中使其温度从室温依次升高到50℃、100℃、150℃、200℃、250℃、300℃、350℃、400℃、450℃，在每个温度下利用矢量网络分析仪测定两个SAW谐振器的谐振频率之差fr1-fr2+SiO，并建立T与fr1-fr2+SiO之间的关系，如图5所示。经过线性拟合后便可获得常数Z和J，SAW温度传感器的常数Z和J分别为2.378×10-4℃·Hz-1和-8900℃，从而获得如公式(6)的T与fr1-fr2+SiO之间的简单线性关系。
此时，只要测得两个器件的谐振频率fr1和fr2+SiO，便可以计算得到一个唯一的T值，从而实现对温度的测量。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种具有线性输出特性的声表面波温度传感器，其特征在于：包括压电基片以及设置在所述压电基片上的两个声表面波谐振器，所述声表面波谐振器之间通过电路连接，两个声表面波谐振器的声表面波传播方向形成夹角，其中一个声表面波谐振器的叉指换能器区域附着有保护层，两个声表面波谐振器的二阶频率温度系数相等；所述保护层包括SiO2薄膜、Al2O3薄膜、Si3N4薄膜中的一种；
两个所述谐振器的谐振频率偏移之差与温度之间呈一次函数关系，当前温度T可表示：
；
其中，，TCF21表示未附着有保护层的声表面波谐振器的二阶频率温度系数，TCF11为未附着有保护层的声表面波谐振器的一阶频率温度系数；TCF12+SiO表示附着有保护层的声表面波谐振器的一阶温度系数；Δfr2+SiO＝fr2+SiO-f02+SiO，fr2+SiO和f02+SiO分别表示附着有保护层的声表面波谐振器在T和T0的谐振频率，ΔT＝T-T0，T0为参考温度。
2.如权利要求1所述的一种具有线性输出特性的声表面波温度传感器，其特征在于：所述压电基片采用硅酸镓镧单晶。
3.如权利要求1所述的一种具有线性输出特性的声表面波温度传感器，其特征在于：所述声表面波谐振器之间采用串联或并联的方式进行电路连接。
4.如权利要求1所述的一种具有线性输出特性的声表面波温度传感器，其特征在于：两个声表面波谐振器的声表面波传播方向形成夹角大小为0~180°。
5.如权利要求1~4任一项所述的一种具有线性输出特性的声表面波温度传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、选择硅酸镓镧单晶作为压电基片，在压电基片上制作两个声表面波谐振器，使得两个声表面波谐振器的声表面波传播方向形成夹角；
S2、将两个声表面波谐振器用掩膜进行遮挡，只在其中一个声表面波谐振器的叉指换能器区域制备保护膜，使得两个声表面波谐振器的二阶频率温度系数相等；
S3、将两个声表面波谐振器采用串联或并联的方式进行电路连接。
6.如权利要求5所述的一种具有线性输出特性的声表面波温度传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤1的具体操作如下：
S11、采用微电子工艺，在压电基片上光刻出声表面波谐振器的图形；
S12、在声表面波谐振器的图形内镀入钛作为粘附层，再镀入金作为电极层，洗去光刻胶，形成所需的器件；
S13、将器件放入充满氮气的炉里进行退火，所述退火的温度为500摄氏度，退火时间为30min。
7.如权利要求5所述的一种具有线性输出特性的声表面波温度传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤S2的具体操作如下：用采用等离子体增强化学气相沉积工艺在声表面波谐振器的叉指换能器区域制备保护膜。
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