CN114793103B - 一种适用于多参量传感的声波谐振器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及声波谐振器技术领域，具体涉及一种适用于多参量传感的声波谐振器，包括衬底层和压电薄膜层，所述压电薄膜层上设有电极，还包括在衬底层和压电薄膜层之间依次设置的二氧化硅层、底电极层和种子层，所述电极为图形化的叉指换能器结构。本发明能够同时激励多种声波信号，且声波信号对压力和温度物理量敏感性质不同的单通道压电声波谐振器，从而实现温度和压力参数的高精度同步传感。
Description
技术领域
本发明涉及声波谐振器技术领域，具体涉及一种适用于多参量传感的声波谐振器。
背景技术
基于叉指换能器结构的压电声波传感器通常是在压电衬底上制作图形化叉指换能器结构，激励具有一定传播特性的声波，声波传播特性会受到外界环境量变化的影响，一般是通过测试声波谐振频率的改变，来获得外界物理量变化信号，从而实现传感目的。传统的单通道压电声波传感器的谐振频率会同时受到多种环境量变化的影响，这将影响到单一物理参量传感的精度，因此，在复杂外界环境下的多物理参量高精度传感是测控技术的重点与难点之一，也是航空航天、石油化工、核动力、灾害预警等领域需要重点突破的重点和难点之一。
现有技术包括多通道压电声波传感器以及单通道多声波信号传感器，多通道压电声波传感器是指在同一压电衬底上制作多组叉指换能器结构，分别对应不同的物理量传感，缺点在于声信号会互相干扰且信号解耦复杂，同时多组叉指换能器结构的特殊排布也会增加器件体积；而单通道多声波信号传感器是指压电衬底上只有一组叉指换能器结构，但可以同时激励多种具备不同传播特性(一般指谐振频率不同)的声波，利用多声波传播特性的解耦出各物理量的变化，从而实现多参数传感(一般指压力、温度)，缺点在于激励出不同谐振频率的声波信号也同时对压力和温度信号敏感，传感精度仍然较低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种适用于多参量传感的声波谐振器，现有多模式声波激励传感器所激励的声波模式的温度特性差异较小且无法控制，而温度参数作为声波传感器的重要敏感量，其输出信号受环境温度变化的影响巨大，其余待测环境参量(如压力、应变、湿度、粘度等)的变化信号可能淹没在温度信号中，信号解耦困难，造成传感误差。本发明提出的结构能同时激励多种声波信号，且声波信号对压力和温度物理量敏感性质可控，从而实现温度和压力参数的高精度同步传感。
为了达到上述目的，提供了一种适用于多参量传感的声波谐振器，包括衬底层和压电薄膜层，所述压电薄膜层上设有电极，还包括在衬底层和压电薄膜层之间依次设置的二氧化硅层、底电极层和种子层，所述二氧化硅层厚度为0.1-1μm。
原理及优点：
本方案的结构概括来讲，主要是利用二氧化硅层和其层厚的调制机制，激励出频率温度特性差异较大的声波模式，具体指对温度灵敏度近似为0的声表面波模式，以及对温度参量灵敏度较高的板波模式，从而利用声表面波模式对压力参量的单一敏感信号，以及板波模式对压力和温度参量的双重敏感信号，通过读取两种声波信号频率变化，解耦出环境参量温度和压力的变化，提高传感器精度，该方案解耦方法简单，便于工艺制作，且器件结构体积较小。
具体来讲，由于瑞利波模式声波的能量主要集中在表面，并且靠近二氧化硅层，而板波模式声波的能量主要集中在衬底中，且其尺寸远大于二氧化硅层，因此二氧化硅层的存在对两种声波模式的温度频率系数的影响也完全不同，二氧化硅层的弹性模量温度系数为正，压电薄膜材料的弹性模量温度系数为负，完全可以通过控制二氧化硅层的厚度来调制所激励的声表面波以及板波的频率温度系数，从而实现两种声波模式对温度的敏感特性完全不同，达到提高传感精度的目的，其中，最重要的是控制二氧化硅层的层厚在0.1-1μm，使得基于该结构的器件激励的声表面波模式声波对温度的敏感特性近似为0，而板波模式声波对温度的敏感特性仍然较强。
进一步，所述衬底层的材料包括硅、绝缘体上硅、碳化硅、蓝宝石和硅酸镓镧。
进一步，所述底电极层为钛/铂底电极层，钛层作为粘附层其厚度为40nm，铂层为电极层其厚度为160nm。
进一步，所述种子层为沉积在底电极层中电极层上的氮化铝层或二氧化硅层。
进一步，所述压电薄膜的材料包括铌酸锂、钽酸锂、氮化铝和掺钪氮化铝，采用磁控溅射工艺加工，其厚度为1-3μm。
进一步，所述电极为图形化的叉指换能器结构，所述叉指换能器结构，材料为金，厚度为0.1-0.25μm，两电极指间距为p，指宽为a，p与a大小相等，a的取值范围为0.2-10μm。
进一步，所述底电极中电极层的材料还包括金属材料金、钼和铝。导电性能优越。
进一步，所述叉指换能器结构外还设有介电层。介电层可起到保护电极结构，防潮防氧化的功能。
进一步，所述二氧化硅层厚度为0.4μm。0.4μm为二氧化硅的最佳厚度，能够让基于该结构的器件激励的声表面波模式声波对温度的敏感特性近似为0，而板波模式声波对温度的敏感特性仍然较强。
附图说明
图1为本发明实施例一种适用于多参量传感的声波谐振器的结构示意图；
图2为本发明实施例方案结构的谐振器频率-导纳图；
图3为本发明对比组方案结构的谐振器所激励的声表面波以及板波频率-温度曲线图；
图4为本发明实施例方案结构的谐振器所激励的声表面波以及板波频率-温度曲线图；
图5为本发明实施例方案结构的谐振器所激励的声表面波以及板波的TCF受结构二氧化硅层厚调制的曲线图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式进一步详细说明：
说明书附图中的附图标记包括：衬底层1、二氧化硅层2、钛层3、铂层4、种子层5、压电薄膜层6、叉指换能器结构7。
实施例
一种适用于多参量传感的声波谐振器，基本如附图1所示：包括依次形成的衬底层1、二氧化硅层2、底电极层、种子层5和压电薄膜层6，所述压电薄膜层6上设有电极，所述电极为图形化的叉指换能器结构7。
所述衬底层1的材料包括硅、绝缘体上硅、碳化硅、蓝宝石和硅酸镓镧。本实施例中，衬底层1采用单晶硅。
采用热氧化工艺在衬底层1上加工二氧化硅层2，二氧化硅层2的层厚范围在在0.1-1μm，而二氧化硅层2的最佳层厚为0.4μm。
所述底电极层为钛/铂底电极层，采用磁控溅射工艺沉积加工，依次加工形成在二氧化硅层2上的钛层3和铂层4，铂层4作为底电极层其厚度为160nm，钛层3作为粘附层其厚度为40nm。其中，40nm的钛层3能够增加底电极铂层4的粘附性。在其他实施例中，电极层的材料还包括金属材料金、钼和铝。
所述种子层5为沉积在底电极层中的铂层4上，其材质包括氮化铝或二氧化硅。
采用磁控溅射工艺在种子层5上加工压电薄膜层6，压电薄膜层6包括铌酸锂、钽酸锂、氮化铝和掺钪氮化铝，其厚度为1-3μm。本实施例中，压电薄膜层6采用氮化铝，厚度为1μm。
而在底电极层中的铂层4上沉积的种子层5为氮化铝(AlN)种子层5，以改善氮化铝(AlN)压电薄膜层6的高取向性。在其他实施例中，也可以在沉积压电薄膜之前，再制作一层二氧化硅层T2，可与衬底层1上的二氧化硅层2一起调制所激励的声表面波以及板波的温度敏感特性。
在压电薄膜上采用剥离工艺制作图形化的叉指换能器结构7，材料为金(Au)，厚度为0.1-0.25μm，定义上电极指间距为p，指宽为a，p在一般情况下与a大小相等，a的取值范围为0.2-10μm。本实施例中，电极-叉指换能器结构7的厚度为0.1μm，a的取值为0.2μm。
电极-叉指换能器结构7外还加工有一层介电层，用于保护电极结构，且具备防潮防氧化的功能。
具体实施过程如下：
本方案的核心点为衬底层1上采用热氧化工艺加工的二氧化硅层2，二氧化硅层2厚为0.4μm。基于此本方案设置了对照组(即现有技术所采用的结构)，并将对照组的各层层厚与本方案相同，叉指换能器结构7相同，a、p大小相同，唯一不同之处在于没有采用热氧化工艺加工二氧化硅层2。本实施例阐述仅改进二氧化硅层2这一单一变量所带来的效果提升，而各个材料层的设置，相关参数的设置仅起到锦上添花的作用，本实施例不做过多的篇幅来赘述。
在本方案和对照组中，两种结构的谐振器均会激励两种声波模式，一种为声表面波模式，另一种为板波模式，如图2所示，其中低频为声表面波模式，高频为板波模式。压电声波谐振器对温度参数的灵敏度与器件的频率温度系数(TCF)相关，而器件的频率温度系数与器件结构相关。其中器件的频率温度系数满足以下公式：
其中，T表示实时环境温度，TRT表示室温，fas,T表示实时环境温度下的声波反谐振频率，fas,RT表示室温下的声波反谐振频率。
对照组激励的两种声波的频率与温度的关系如图3所示，本方案激励的两种声波的频率温度系数如图4所示。由图3和图4可以看出对照组和本方案所激励的瑞利波模式声波的频率温度系数不同，所激励的板波模式声波的频率温度系数也不同，由此得知二氧化硅层2的存在会影响谐振器件所激励的声波模式的频率温度系数。在本方案的结构中，由于瑞利波模式声波的能量主要集中在表面，并且靠近二氧化硅层2，而板波模式声波的能量主要集中在衬底中，且其尺寸远大于二氧化硅层2，因此二氧化硅层2的存在对两种声波模式的温度频率系数的影响也完全不同，二氧化硅层2的弹性模量温度系数为正，氮化铝压电薄膜材料的弹性模量温度系数为负，完全可以通过控制二氧化硅层2的厚度来调制所激励的声表面波以及板波的频率温度系数，从而实现两种声波模式对温度的敏感特性完全不同，达到提高传感精度的目的，具体措施是控制二氧化硅层2的最佳层厚(二氧化硅层2厚为0.4μm)，使得基于该结构的器件激励的声表面波模式声波对温度的敏感特性近似为0，而板波模式声波对温度的敏感特性仍然较强，如图5所示。
基于以上控制二氧化硅温度特性调制层结构，导致所激励的两种主要声波模式的温度特性差异较大，可以应用于复杂环境多物理参量的传感应用，声表面波对温度变化无敏感响应，可用作温度参量以外的物理量传感(如压力或应变等)，其频率变化记为△fs(P)，板波对温度和另一物理参量均敏感，其频率变化记为△fl(P,T)，根据两种声波激励信号的差异，解耦出两种环境参量的变化，即可实现双参数传感。
以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体结构及特性等常识在此过多描述，所属领域普通技术人员知晓申请日或者优先权日之前发明所属技术领域所有的普通技术知识，能够获知该领域中所有的现有技术，并且具有应用该日期之前常规实验手段的能力，所属领域普通技术人员可以在本申请给出的启示下，结合自身能力完善并实施本方案，一些典型的公知结构或者公知方法不应当成为所属领域普通技术人员实施本申请的障碍。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明结构的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本申请要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。
Claims (7)
1. 一种适用于多参量传感的声波谐振器，包括衬底层和压电薄膜层，所述压电薄膜层上设有电极，其特征在于：还包括在衬底层和压电薄膜层之间依次设置的二氧化硅层、底电极层和种子层，所述二氧化硅层厚度为 0.1-1μm；
所述底电极层为钛/铂底电极层，钛层作为粘附层其厚度为40nm，铂层为电极层其厚度为160nm；
所述种子层为沉积在底电极层中电极层上的氮化铝，当底电极层中的铂层上沉积的种子层为氮化铝种子层时，在沉积压电薄膜之前，再制作一层二氧化硅层T2，与衬底层上的二氧化硅层一起调制所激励的声表面波以及板波的温度敏感特性。
2.根据权利要求1所述的一种适用于多参量传感的声波谐振器，其特征在于：所述衬底层的材料包括硅、绝缘体上硅、碳化硅、蓝宝石和硅酸镓镧。
3.根据权利要求1所述的一种适用于多参量传感的声波谐振器，其特征在于：所述压电薄膜的材料包括铌酸锂、钽酸锂、氮化铝和掺钪氮化铝，采用磁控溅射工艺加工，其厚度为1-3μm。
4.根据权利要求1所述的一种适用于多参量传感的声波谐振器，其特征在于：所述电极为图形化的叉指换能器结构，所述叉指换能器结构，材料为金，厚度为0.1-0.25μm，两电极指间距为p，指宽为a，p与a大小相等，a的取值范围为0.2-10μm。
5.根据权利要求1所述的一种适用于多参量传感的声波谐振器，其特征在于：所述底电极中电极层的材料还包括金属材料金、钼和铝。
6.根据权利要求4所述的一种适用于多参量传感的声波谐振器，其特征在于：所述叉指换能器结构外还设有介电层。
7.根据权利要求1所述的一种适用于多参量传感的声波谐振器，其特征在于：所述二氧化硅层厚度为0.4μm。
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| CN113381725A (zh) * | 2021-06-30 | 2021-09-10 | 中国电子科技集团公司第二十六研究所 | 一种利于小型化和扩大带宽的saw谐振器结构及saw滤波器 |
-
2022
- 2022-04-28 CN CN202210471093.0A patent/CN114793103B/zh active Active
Patent Citations (5)
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| "基于声表面波（SAW）技术的高温应变传感器的研究";齐梦珂;《中国优秀硕士学位论文全文数据库 信息科技辑》(第2021年第01期期);正文第25-65 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114793103A (zh) | 2022-07-26 |
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