CN1151807A - 磷酸钛氧化钾及其类似物中产生的表面掠射波 - Google Patents

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Abstract

公开了通过产生表面掠射波(SSBW)来控制高频信号的器件。这些器件包括：(a)具有mm2晶体对称和平面切割表面的MTiOXO4的大块晶体基片(M是K、Rb、TL、Cs和/或NH4，X是P和/或As)；(b)熔敷在基片表面的信号接收区的输入叉指换能器(IDT)，适用于与电信号源连接和逆压电地产生在基片内的速度在大约4200米/秒到7000米/秒之间的面内极化表面掠射波；(c)熔敷在基片表面的信号发送区的第二IDT，适用于从所述表面掠射波压电产生电输出信号；和(d)电信号响应器件，该器件可与第二IDT相连并响应电输出信号。还公开了控制电信号频率的方法，包括把信号压电地转化成在MTiOXO4基片中的SSBW和从所述基片压电检测SSBW。还公开了流体感测的方法，包括把输入电信号压电地转换成与流体接触的MTiOXO4基片的SSBW和从基片压电地检测出已穿过流体的SSBW。

Description

磷酸钛氧化钾及其类似物中产生的表面掠射波
发明领域
本发明涉及使用晶体材料产生声波，特别涉及使用磷酸钛氧化钾(KTiOPO4)及其类似物产生声波。
发明背景
自十九世纪中叶以来，人们就发现了也称为瑞利波的声表面波(SAW)。然而，直到很迟人们才第一次将SAW传播的现象应用于电子器件。本技术中所说的声波器件通常包括在其上以预定模式涂敷导电材料的基片。该构图的导电材料称作叉指换能器(即IDT)。R.M.White等在《应用物理快报》(Appl.Phys.Lett.)第七卷第12期第314-316页(1965年12月15日)中说明了作为一种有效的技术使用IDT在压电表面产生和检测表面声波。可以把IDT适当连接到电输入端上以便按声-光应用的要求改变晶体中的折射系数。例如，参见K.S.Buritskii等在《苏联技术物理快报》(Sov.Tech Phys.Lett.17(8))第563-565页(1991)和L.Kunn等在《应用物理快报17(6))》(Appl.Phys.Lett.17(6))(1970)第265-267页上的论文。在其他应用中，可以把在基片表面一端的IDT与频率波的源(例如，电视天线-无线电频率)相连，在基片表面的另一端的IDT可以与要接收的预定频率(如用于特殊电视频道的无线电频率)的设备相连。IDT的设计(即导电材料在特殊类型基片的表面上的模式)决定了如何来控制频率(例如，接收哪一个通道)。
要在给定晶体中产生的声波的类型取决于该晶体的压电-弹性-介质阵列(即PED)，而该阵列又取决于晶体结构。换句话说，并不是所有的材料都适于产生SAW，而适于产生SAW的材料可能不适用于产生其他类型的声波。基片的性质(例如晶体结构、晶体切割方向、传播方向)决定了要产生的声波类型、控制机制以及能控制多高的频率。
在本技术中已经知道使用能通过产生SAW来控制接收的无线电频率的基片的无线电频率控制器件。例如，R.S.Wagers等在《IEEE声学和超声学会刊》(IEEE Transactions on Sonics and Ultrasonics)第SU-31卷第3期第168-174页(1984年5月)公开了基于铌酸锂的SAW器件。在这些SAW器件中，由与无线电频率波源相连的IDT产生的SAW以大约3500米/秒的速度在沿Y轴切割的铌酸锂中传播。这使得可以将这些SAW器件用作无线电频率控制器，比如在传统电视中。
声波，而不是SAW，可以在大块晶体中产生。例如，数字推算和实验证明都说明在6mm或mm2的晶体对称中存在布鲁斯坦-格尔亚夫波(即B-G波)(例如参见J.L.Bleustein在《应用物理快报》(Appl.Phys.Lett.)第八卷第12期第412-413页(1968年12月15)和C.-C.Tseng在《应用物理快报》第16卷第6期第253-255页(1970年3月15日)的论文)；并且已发现表面掠射波(即SSBW)沿晶体表面传播并且逐渐地偏向晶体的深处传播。这些波(SSBW和B-G波)通常比常规表面声波传播的快。已经在钽酸锂和铌酸锂中产生了SSBW，其速度分别是大约4100米/秒和大约5100米/秒(参见MerionLewis等在《1977年超声能学研讨会会刊IEEE》(1977 UltrasonicsSymposium Proceedings IEEE)Cat#77CH 1264-1SU第744-752页)。已经在Bi12GeO29(即BGO)和Ba2NaNb5O15(即BNN)中发现B-G波，其速度分别是1694m/sec和3267m/sec(参见C.-C.Tseng等在《应用物理快报》(App.Phys.Lett.)第16卷第6期第253-255页(1970年3月15日)的论文)。
因为众所周知磷酸钛氧化钾(即KTP)晶体具有高的非线性光学系数和对光损害的抵制，所以针对在声光器件中的应用考察了用铷调换KTP的SAW特性。K.S.Burtskii等在《电子学快报》(ElectronicsLetters)第27卷第21期第1896-1897(1991年10月10日)中讨论了在Rb：KTP(即通过在KTP单晶表面进行Rb离子交换所形成的扁形波导)中的SAW激发。在该波导中产生的SAW的速度大约为3900米/秒。Buritskii等在《苏联技术物理快报》(Sov.Tech.Phys.Lett)第17卷第8期第563-565(1991年8月)中讨论了使用Rb：KTP波导来制备平面型声光调制器。
在PCT国际出版No.WO94/03972中公开了畴壁结构对在KTP中产生SAW和B-G波的影响。
需要频率控制的器件在数量上和复杂程度上都有所增加，并且像微波发生器和高清晰度电视等需要控制更高的频率那样控制高频的需求也相应地增长。最近，由于蜂窝电话用户数量的增加，已允许蜂窝电话使用更高的频率范围，促进了对在高频和足够高带宽下工作的器件的应用以便携带大量高频信号。例如，参见N.J.Colmenares等在《电气与电子工程师学会会刊：频谱》(IEEE Spectrum)第39-46页(1994年5月)的论文。另外，对诸如使用声学器件的液体传感等的某些应用而言，由于信号的大量损失，认为SAW是不能满足要求的。
发明概述
本发明涉及在MTiOXO4的大块晶体基片中产生表面掠射波，其中M从包括K、Rb、TL、Cs、NH4及其混合物的组中选取，X从包括P、As及其混合物的组中选取，其中MTiOXO4的晶体基片(如KTP)具有mm2晶体对称。特别地，本发明提供了通过产生SSBW来控制高频信号的器件，包括(a)所述包括带有接收区和发送区的平面切割表面的MTiOXO4的大块晶体基片；(b)熔敷在所述基片表面的信号接收区的输入叉指换能器，该换能器适于与电信号源连接并适于逆压电地产生其在所述大块晶体基片内的速度在大约4200m/s到7000m/s之间的面内极化的表面掠射波；(c)熔敷在所述基片表面的信号发送区的第二叉指换能器，该换能器适用于从所述表面掠射波压电地产生电输出信号；(d)电信号响应器件，该器件切实可行地与所述第二叉指换能器相连并响应所述电输出信号。
本发明还提供了控制电信号频率的方法，该方法包括在MTiOXO4基片中把所述信号压电地转换成所述SSBW和从所述基片来压电地检测所述SSBW。本发明还提供了流体传感的方法，该方法包括在与流体接触的MTiOXO4基片中把输入电信号压电地转换成所述SSBW并从所述基片来检测已经传送通过所述流体的SSBW。
附图的简要说明
图1是按照本发明的大块晶体MTiOXO4的频率控制器件的示意图。
图2是沿IDT和使用大块晶体基片的频率控制器件的基片的剖面示意图。
图3是按照本发明的液体传感器件的示意图。
图4是沿图3所示器件的4-4剖面的剖面图。
图5a和图5b是IDT结构分别包括信号接收端IDT和信号发送端IDT的示意图。
详细说明
通过本领域众所周知的大量方法可以准备mm2晶体对称的、适用于本发明的应用的MTiOXO4晶体基片(其中M是K、Rb、TL和/或NH4，X是P和/或As)。通常使用两种基本方法，一种称为热液法(例如参见美国专利5,066,356)，另一种称为溶剂热熔法(例如参见美国专利4,231,838)。在MTiOXO4的大量类似物中，优选KTiOPO4。该晶体基片可以是单晶或晶体薄膜的形式，只要晶体是mm2对称就可以。晶体基片应为平面切割以便SSBW沿平面表面传播。例如，晶体基片可以沿X轴切割，SSBW就可以沿Z向传播。可以使用诸如KTP之类的MTiOXO4大块晶体基片来产生其波长与用来产生声波的IDT间隔相关联的SSBW。
在晶体基片中产生的波的类型基本上由晶体结构来确定。例如，大块晶体中的SAW和B-G波只能在某些晶体结构(例如通常是Z切割mm2对称的MTiOXO4)中产生。SAW可以直接在Z切割MTiOXO4基片上产生，而不需要诸如铷等的离子掺杂物。也可以在X切割或Y切割基片上产生沿Z轴传播的B-G波。因为B-G波是体波，所以B-G波的体耦合系数(该系数是表示该材料从电能转换成声能效率的材料指数)可以非常高(大约为20％，或者大约是石英表面耦合系数的40倍)，参见D.K.T.Chu的《戴拉维尔大学电气工程系博士论文(1991)》第57～64页(Ph.D.dissertation，Pages 57-64，Departmentof Electrical Engineering，University of Delaware(1991))。在本论文中还指出，B-G波的速度非常高(据报导大约为4100m/s)。
该发明涉及下述发现：当晶体是平面切割并且波沿该平面传播时，可以在MTiOXO4中产生更高速度、更深穿透的声波。例如，在KTP中SSBW在Y-Z平面中沿Z轴传播速度大约为大约6030m/s(即大约是SAW或B-G的1.6倍)。根据本发明产生的SSBW的特征在于，向晶体基片中穿透更深、并具有面内表面振动模式(即，晶体晶格原子在与波传播方向处于同一平面的面内振动)。结果，根据本发明产生的SSBW比SAW或B-G具有更高的速度和更大的机电耦合系数。认为这些器件尤其适用于电信中的频率滤波和控制，尤其是在低微波(例如，900兆赫到2400兆赫)区。另外，因为当振动晶体表面与诸如气体或液体等流体接触时，对SSBW来说原子在晶体结构中的振动是在传播平面内(即与基片表面平行而不是与其垂直)，所以能量损失更容易与接触面的表面效应相关联。该特性使得本发明的SSBW器件特别适用于液体生物传感应用中的压电基片。这种SSBW的晶体纵深穿透允许在薄(例如大约0.1到2mm厚)晶体基片的背面和与液体接触的同一面上进行液体传感。
可以通过传统的石印技术来在晶体基片的表面上熔敷叉指换能器，比H.I.Smith在《声表面波表面波器件的制备技术》(AcousticSurface Waves，Fabrication Techniques for Surface Wave Devices)第305-324页所述的技术。该书为斯普林格-沃莱格(Springer-Verlag)公司于1978年在柏林、海德堡和纽约出版。为在MTiOXO4基片上产生所要模式，应使用下述步骤：(1)准备X切割MTiOXO4基片；(2)研磨基片以提供比半个波长还好的平坦性(通常平坦性变化约为0.3μm)；(3)用电子束蒸发器在晶体基片上蒸发导电材料，通常是大约1000厚的诸如钛等的金属膜；(4)在基片上旋压成形一个正性光阻材料(例如光聚合物)，并在适用于所用光阻材料的温度和时间间隔下进行软焙(预焙)；(5)对预先设计的光掩膜进行排列并把它暴露在光下一段足够的时间以获取所需精度；(6)在适合所用的光阻材料的时间和温度下进行硬焙(后焙)；(7)使用适当的显象剂产生曝光的光阻材料；(8)把钛从没有光阻材料层的区上腐蚀掉；(9)使用指定的涂层消除剂(如丙酮)把未曝光的光阻材料除掉。经过这些处理步骤后，可以用诸如HP 8753C等市场可得到的网络分析仪来分析器件的特性。为IDT所选的模式决定了如何控制频率。声波器件的工作频率由下式确定：f＝ν/λ，其中ν是用IDT在器件中产生的声波的速度，λ是用IDT在该器件中产生的声波的波长。通常，声波的波长由IDT模式确定。在波传播方向上的IDT“指”的宽度越小，用IDT在器件中产生的声波的波长就越短；或者说工作频率就越高。但是，诸如UV光、电子束或X射线之类暴露源的非衍射极限使得能把IDT指做得多小有实际上的限制。结果，本发明的SSBW的高速度使人们不需非常非常窄的IDT指而以一种直接的方式就可以制造器件。另外，本发明所采用的SSBW是面内极化波，而具有7000m/s以上速度的体波通常穿过晶体厚度传播，并且有大的面外传播成分。因此速度超过7000m/s的波不适用于可靠地产生高频电信号。
本发明的用于控制高频信号的器件可选地包括连接器以便于把器件连接到电信号源和/或电信号响应器件上。在叉指换能器与高频信号或信号反应器件之间所用的连接部分通常是诸如金属线的常规导电材料。为研究起见，可以用微波探针头(卡斯德微科SN17307，卡斯德微科公司，1589信箱，Beaverton，Oregon 97057-1589)取代线圈来接收网络分析仪产生的电信号并把该信号输入到第一IDT以激发SSBW；可以在基片表面的信号端使用另外的探针头以便引导SSBW接收送给网络分析仪的输出信号来分析器件的传送特性。
适于本发明使用的电信号响应器件包括蜂窝电话(例如那些在大约900到2400MHz间的带宽中工作的蜂窝电话)的频率控制组件。另一个合适的电信号响应器件是传送通过与基片接触的流体的SSBW的监测器。液体传感应用和生物传感应用的一些常见方面在T.Nomura等的《日本应用物理学杂志》(Jap.J.Applied Physics)(1992年)第31卷(31-1增刊)第78-81页中和J.C.Andle等在《传感器和激励器B》(1992年)第8期第191-198页中分别有记载。
图1是根据本发明的频率控制器件(10)的示意图。图中显示出器件(10)在电信号(12)源和电信号响应器件(14)连接。频率控制器件(10)包括X切割MTiOXO4(16)的晶体基片，该基片包括带有在其上涂敷的接收端IDT(20)及发送端IDT(22)的表面(18)。包括线(25)和(26)的连接器(24)把输入IDT(20)与信号源(12)连接；包括线(29)和(30)的连接器(28)把IDT(22)连接到响应器件(14)上。在操作时，来自源(12)的电信号通过连接器(24)传送到产生SSBW的IDT(20)上。SSBW通过基片(16)传送，并由IDT(22)压电检测。在IDT(22)上产生的电信号通过连接器(28)传送到响应器件(14)上。实际应用上，在一个单元(32)中通常包括信号源(12)和响应器件(14)。
图2是示出了沿诸如图1所示IDT(20)等输入IDT的指(34)、(35)、(36)和(37)以及大块X切割MTiOXO4晶体基片(39)在其上熔敷的部分的剖面图。指(34)和(36)充电，而指(35)和(38)接地。相邻指间的距离等于每个指的宽度d。显然晶片中在指(34)和(35)之间和在指(36)和(37)之间的电场方向与在指(35)和(36)之间的基片中的电场方向相反。
图3示出了根据本发明的差动液体传感器。该器件(100)包括带有X切割平面表面(102)的KTP基片，该X切割平面表面(102)在其上熔敷有两个输IDT(103)和(104)以及两个检测IDT(105)和(106)。来自信号源(108)的信号通过分离器(109)分开，均等地分布在IDT(103)和(104)上以相应地产生送向检测IDT(105)和(106)的SSBW。来自(105)和(106)的检测信号都引到向量伏特表(111)进行电相减，并把所得的信号传送到监测器件(112)。器件(100)还包括附加到KTP基片的X切割的背面的测流计。为测流计(115)提供了液体输入管(116)和液体输出管(117)。
如图4所示，形成测流计(115)一个壁的KTP基片的背面(120)在IDT(104)和(106)之间的通道下面为第一区域，而在IDT(103)和(105)之间的通道间为第二区域，其中IDT(104)和(106)有第一抗体层(118)，而IDT(103)和(105)有第二抗体层(119)。根据本发明，包括附着在第一抗体上但不附着在第二抗体上的抗原的液体流经测流计，同时，SSBW信号在IDT(103)和(105)之间以及IDT(104)和(106)之间传送。由监测器件(112)监测的器件输出与抗体抗原接合有关。
通过下述非限制性的例子来进一步说明本发明的实施。实施例1
本例说明在熔融生长的X切割KTP晶体上产生SSBW。制作光掩膜以提供IDT来根据图5(a)中(58)所示(未按比例)的设计接收电信号。输入IDT(58)包括带有连接器部分(62)的电极(60)、顶端部分(63)、适于用无线电频率电信号充电的三个指(64)、(65)和(66)、带有连接器(72)部分的电极(70)、底端部分(73)和适用于接地的三个指(74)、(75)和(76)。每个指(64)、(65)、(66)、(74)、(75)和(76)大约为4μm宽(大约3000μm长)，在相邻指间(例如在指(64)和(74)之间)的间隙约为4μm以便产生SSBW波。在指(64)、(65)、(66)和底端部分(73)间的间隙以及在指(74)、(75)、(76)和顶端部分(63)间的间隙都大约是10μm。输入IDT(58)也有栅格部分(67)，该栅格部分有约300个宽约4μm、间隔约4μm的SSBW的条纹，这样的间隔以适用于反射SSBW。
还根据图5(b)中(59)所示(未按比例)的设计制作光掩膜以提供信号检测IDT。检测IDT(59)包括带有连接器部分(82)的电极(80)、顶端部分(83)、三个指(84)、(85)、(86)以及带有连接器部分(92)的电极(90)、底端部分(93)、三个指(94)、(95)和(96)。指(84)、(85)、(86)、(94)、(95)和(96)中的每个指都约4μm宽、约3000μm长，并且在相邻指(例如在指(84)和(94))间的间隙约为4μm。在指(84)、(85)、(86)和底端部分(93)间的间隙以及在指(94)、(95)、(96)和顶端部分(83)间的间隙都约为10μm。检测IDT(59)还有大约300个宽约为4μm、间隔约为4μm以适用于把SSBW反射到指(64)、(65)、(66)、(74)、(75)和(76)上的条纹。
使用掩膜的常规方式在助熔剂生成的X切割KTP晶体上熔敷约0.8mm厚的IDT(58)和(59)。IDT(58)和(59)之间的距离大约为8毫米。使用约1毫伏的输入信号来产生SSBW，应用了可在市场上买到的网络分析仪。使用该网络分析仪监测传送给仪器的数据，发现一个有大而非常宽的带宽传送峰，该峰的中心位于376.93MHz。因为表面带宽约16μm，频率是376.93MHz，所以计算得出该类型(SSBW)的表面波的速度大约为6030m/s(使用了速度是频率和波长的乘积这一关系)。传送数据还表明同时产生了另一种窄得多的带宽模式(仅约为SSBW宽度的1/8)，认为它是常规的SAW，在约227MHz处(约为3632m/s)发现了峰值中心速度。实施例2
为进一步表征实施例1中发现的波，重复进行实施例1中的步骤，只是在输入IDT和输出IDT间的晶体晶片上承载了20μL的水。原来在约227MHz处出现的常规SAW全然消失，而原来出现在376.93MHz处的SSBW则出现在约376.88处，因为承载水而使信号强度损失了大约4.6dB，这清楚地表明了在平面表面模式中(即在与晶体基片表面平行的平面中)的振动。实施例3
把在实施例2中试验的器件倒置，使IDT位于X切割基片的底面，并在基片的X切割顶部表面上承载20μL的水，重复实施例2的步骤。同没有液体的SAW相比，常规的SAW改变很小，而原来在约376.93MHz处出现的SSBW在大约376.95处出现，因为承载水而使信号强度损失了大约6dB，这清楚地表明了SSBW波的纵深穿透性。

Claims (10)

1.通过产生表面掠射波SSBW来控制高频信号的器件包括：
(a)MTiOXO4的大块晶体基片，其中M从包括K、Rb、TL、Cs、NH4及其混合物的组中选取，X从包括P、As及其混合物的组中选取，其中MTiOXO4的晶体基片具有mm2晶体对称，并具有带有接收区和发送区的平面切割表面；
(b)溶敷在所述基片的信号接收区的输入叉指换能器，该换能器适于与电信号源连接并适于逆压电地产生在所述大块晶体基片内的速度为大约4200m/s到7000m/s之间的面内极化的表面掠射波；
(c)熔敷在所述基片表面的信号发送区的第二叉指换能器，该换能器适用于从所述表面掠射波压电地产生电输出信号；
(d)电信号响应器件，该器件切实可行地与所述第二叉指换能器相连并响应所述电输出信号。
2.权利要求1所述的器件，其中大块晶体基片是KTiOPO4。
3.权利要求1所述的器件，其中电信号响应器件是蜂窝电话的频率控制器件。
4.权利要求3所述的器件，其中大块晶体基片是KTiOPO4。
5.权利要求1所述的器件，其中电信号响应器件是工作在从约900兆赫到2400兆赫带宽内的蜂窝电话的频率控制器件。
6.权利要求5所述的器件，其中大块晶体基片是KTiOPO4。
7.一种控制电信号频率的方法，包括：把所述信号压电地转换成在MTiOXO4基片中的速度为从约4200m/s到7000m/s之间的表面掠射波，其中M从包括K、Rb、TL、Cs、NH4及其混合物的组中选取，X从包括P、As及其混合物的组中选取；从所述基片压电检测所述表面切削体波。
8.权利要求7所述的方法，其中基片是KTiOPO4。
9.一种流体传感的方法，包括：把输入电信号压电地转换成在MTiOXO4基片中的速度为从约4200/ms到7000m/s之间的表面掠射波，其中M从包括K、Rb、TL、Cs、NH4及其混合物的组中选取，X从包括P、As及其混合物的组中选取；从已经传送通过所述流体的所述基片表面掠射波来检测。
10.权利要求9所述的方法，其中所述晶体基片是约0.1到2mm厚的KTiOPO4，其中液体与所述基片的一个面接触，在另一个面上实现液体感测。
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