CN117782179A - 一种声表面波传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种声表面波传感器，包括：衬底；压电薄膜，设置在所述衬底上；输入端换能器和输出端换能器，均设置在所述压电薄膜上；所述输入端换能器和输出端换能器之间形成检测区域；第一反射端，设置在所述电薄膜上，并位于所述输入端换能器形成检测区域的相对侧；第二反射端，设置在所述电薄膜上，并位于所述输出端换能器形成检测区域的相对侧。本发明能够提高传感器的检测精度。
Description
技术领域
本发明涉及声表面波传感技术领域，特别是涉及一种声表面波传感器。
背景技术
如图1所示，现有声表面波传感器由输入端SPUDT(signal-phase unidirectionaltransducer单相单向换能器)电极阵列3和输出端SPUDT电极阵列4组成，两组电极阵列中间为延迟路径，作为检测区域5。当将特定频率的输入电信号施加到输入端SPUDT电极阵列时，输入端SPUDT电极阵列将输入电信号转换为由压电基底表面机械振动形成的声表面波信号，声表面波信号沿着传感器的延迟路径传播，最终到达到输出端SPUDT电极阵列的位置。输出端SPUDT电极阵列将声波信号转换成输出电信号并输出至测量仪器，当延迟路径中的检测区域发生变化时(如压力、介质等)，声表面波的波速，相位和振幅在传播过程中发生变化，最终表现是输出电压信号的幅度，相位和频率等参数变化，达到检测测量区域变化量的目的。
但是现有声表面波传感器的声表面波信号在转换和传播过程中，存在能量的损耗和衰减，导致传感器的稳定性和精度受到严重影响。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种声表面波传感器，能够提高传感器的检测精度。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种声表面波传感器，包括：
衬底；
压电薄膜，设置在所述衬底上；
输入端换能器和输出端换能器，均设置在所述压电薄膜上；所述输入端换能器和输出端换能器之间形成检测区域；
还包括：
第一反射端，设置在所述电薄膜上，并位于所述输入端换能器形成检测区域的相对侧；
第二反射端，设置在所述电薄膜上，并位于所述输出端换能器形成检测区域的相对侧。
所述第一反射端和第二反射端呈镜像对称。
所述第一反射端包括多个周期排列的第一电极结构，所述第一电极结构在声波信号传播方向上包括依次设置的一个反射电极和两个换能电极；所述第二反射端包括多个周期排列的第二电极结构，所述第二电机结构在在声波信号传播方向上包括依次设置的两个换能电极和一个反射电极；其中，与所述反射电极相邻的换能电极接地，反射电极与另一个换能电极通过悬浮点位相连。
所述换能电极的宽度为λ/8，反射电极的宽度为3λ/8，其中，λ为声波的波长。
所述反射电极与相邻的换能电极之间的电极间距与两个换能电极之间的电极间距相同。
所述电极间距为λ/8，其中，λ为声波的波长。
所述第一反射端和第二反射端采用的电极材料为铝、钨、铬、钛、铜、银和金中至少一种金属材料。
所述压电薄膜采用的材料为LiNbO3或LiTaO3。
所述衬底采用的材料为Si、石英、SiC、蓝宝石、金刚石中的一种。
所述的声表面波传感器还包括介质层，所述介质层位于所述压电薄膜与所述衬底之间，和/或覆盖在所述压电薄膜、输入端换能器、输出端换能器、第一反射端和第二反射端的上方。
有益效果
由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明在输入端SPUDT电极阵列和输出端SPUDT电极阵列的外侧分别增加一个反射端电极阵列，从而在输入SPUDT电极阵列和输出SPUDT电极阵列与反射端之间形成新的延迟路径，通过两个延迟线型结构在水平方向叠加的方式，对检测区域进行双重检测，一方面外围的反射端电极阵列可以对声表面波起到反射的作用，降低能量的损耗，另一方面外围的反射端电极阵列激发的响应与主响应存在时间延迟，其相互作用可在主响应上生成短周期波动，该波动变化十分明显，可提高传感器的检测精度。
附图说明
图1是现有技术中声表面波传感器的示意图；
图2是本发明实施方式的声表面波传感器的俯视图；
图3是本发明实施方式的声表面波传感器的截面图；
图4是现有技术中声表面波传感器的S参数响应示意图；
图5是本发明实施方式的声表面波传感器的S参数响应示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
本发明的实施方式涉及一种声表面波传感器，如图1和图2所示，包括：
衬底1；
压电薄膜2，设置在所述衬底1上；
输入端换能器3和输出端换能器4，均设置在所述压电薄膜2上；所述输入端换能器3和输出端换能器4之间形成检测区域5，所述检测区域5的长度为L；
第一反射端6，设置在所述电薄膜2上，并位于所述输入端换能器3形成检测区域5的相对侧；
第二反射端7，设置在所述电薄膜2上，并位于所述输出端换能器4形成检测区域5的相对侧；
第一反射端6与输入端换能器3之间形成的延迟路径和第二反射端7与输出端换能器4之间形成的延迟路径相等，均为l。
本实施方式中的衬底1可以采用高声速支撑衬底，其声速需高于压电薄膜中目标声波模式的声速，用于约束压电薄膜声波导中的声场能量。本实施方式中衬底采用的材料可以为Si、石英、SiC、蓝宝石、金刚石中的一种。
本实施方式中的压电薄膜2采用的材料为LiNbO3或LiTaO3，水平剪切波SH0的激发，一般选取旋转Y切型或X切型。对于旋转Y切，对应的欧拉角为(B，A，0°)。其中，B为谐振器在平面内与晶体X轴正向的夹角，A为晶体Y轴正向与压电薄膜法线方向的夹角。对于X切，对应的欧拉角为(B’，90°，90°)，其中，B’为谐振器在平面内与晶体Y轴正向的夹角。本实施方式中压电薄膜的厚度为150nm～1.5μm。
本实施方式中的输入端换能器3和输出端换能器4均采用SPUDT电极阵列。输入端换能器3的SPUDT电极阵列包括多个周期的输入电极结构，输入电极结构沿声波传播方向依次设置一个反射电极和两个换能电极，输出端换能器4的SPUDT电极阵列包括多个周期的输出电极结构，输出电极结构沿声波传播方向依次设置两个换能电极和一个反射电极。
本实施方式中的第一反射端6包括多个周期排列的第一电极结构，所述第一电极结构在声波信号传播方向上包括依次设置的一个反射电极和两个换能电极；所述第二反射端7包括多个周期排列的第二电极结构，所述第二电机结构在在声波信号传播方向上包括依次设置的两个换能电极和一个反射电极；其中，与所述反射电极相邻的换能电极接地，反射电极与另一个换能电极通过悬浮点位相连。
其中，与反射电极相邻的换能电极采用接地条件，反射电极与另一个换能电极采用终端连接。本实施方式中，换能电极的宽度为λ/8，反射电极的宽度为3λ/8，两个换能电极之间的电极间距和反射电极与换能电极之间的电极间距相同，均为λ/8，其中，λ为声波的波长。该电极宽度设置和间距设置可实现反射中心与换能中心90°的相位差，实现单相单向传输的功能。
本实施方式中输入端换能器3和输出端换能器4之间呈镜像对称，第一反射端6和第二反射端7之间呈镜像对称。输入端换能器3、输出端换能器4、第一反射端6和第二反射端7采用的电极材料为铝、钨、铬、钛、铜、银和金中至少一种金属材料。
值得一提的是，本实施方式的声表面波传感器还可以包括介质层8，该介质层8可以位于所述压电薄膜2与所述衬底1之间，也可以覆盖在所述压电薄膜2、输入端换能器3、输出端换能器4、第一反射端6和第二反射端7的上方，或者两者兼具。本实施方式的介质层采用的材料可以为SiOx、SiNx、Al2O3等高电阻率材料。
为验证本发明实施方式，本实施方式进行了基于70nmAl电极/500nm X-cutLiNbO3薄膜/SiC衬底，λ＝3.2um的仿真实验，所激发的声波模式为SH模式。其中，图4为现有技术传感器的S参数响应结果，其中检测区域长度L＝128um。图5为本实施方式的传感器的S参数响应结果，其中，检测区域长度L＝128um，第一反射端与输入端换能器之间形成的延迟路径和第二反射端与输出端换能器之间形成的延迟路径均为128um。对比图4可以看出通带内有明显的短周期波动，该波动随着频率增加幅度增大。
不难发现，本发明在输入端SPUDT电极阵列和输出端SPUDT电极阵列的外侧分别增加一个反射端电极阵列，从而在输入SPUDT电极阵列和输出SPUDT电极阵列与反射端之间形成新的延迟路径，通过两个延迟线型结构在水平方向叠加的方式，对检测区域进行双重检测，在主响应上生成短周期波动，该波动变化十分明显，可提高传感器的检测精度。
Claims (10)
1.一种声表面波传感器，包括：
衬底；
压电薄膜，设置在所述衬底上；
输入端换能器和输出端换能器，均设置在所述压电薄膜上；所述输入端换能器和输出端换能器之间形成检测区域；
其特征在于，还包括：
第一反射端，设置在所述电薄膜上，并位于所述输入端换能器形成检测区域的相对侧；
第二反射端，设置在所述电薄膜上，并位于所述输出端换能器形成检测区域的相对侧。
2.根据权利要求1所述的声表面波传感器，其特征在于，所述第一反射端和第二反射端呈镜像对称。
3.根据权利要求1或2所述的声表面波传感器，其特征在于，所述第一反射端包括多个周期排列的第一电极结构，所述第一电极结构在声波信号传播方向上包括依次设置的一个反射电极和两个换能电极；所述第二反射端包括多个周期排列的第二电极结构，所述第二电机结构在在声波信号传播方向上包括依次设置的两个换能电极和一个反射电极；其中，与所述反射电极相邻的换能电极接地，反射电极与另一个换能电极通过悬浮点位相连。
4.根据权利要求3所述的声表面波传感器，其特征在于，所述换能电极的宽度为λ/8，反射电极的宽度为3λ/8，其中，λ为声波的波长。
5.根据权利要求3所述的声表面波传感器，其特征在于，所述反射电极与相邻的换能电极之间的电极间距与两个换能电极之间的电极间距相同。
6.根据权利要求5所述的声表面波传感器，其特征在于，所述电极间距为λ/8，其中，λ为声波的波长。
7.根据权利要求3所述的声表面波传感器，其特征在于，所述第一反射端和第二反射端采用的电极材料为铝、钨、铬、钛、铜、银和金中至少一种金属材料。
8.根据权利要求1所述的声表面波传感器，其特征在于，所述压电薄膜采用的材料为LiNbO3或LiTaO3。
9.根据权利要求1所述的声表面波传感器，其特征在于，所述衬底采用的材料为Si、石英、SiC、蓝宝石、金刚石中的一种。
10.根据权利要求1所述的声表面波传感器，其特征在于，还包括介质层，所述介质层位于所述压电薄膜与所述衬底之间，和/或覆盖在所述压电薄膜、输入端换能器、输出端换能器、第一反射端和第二反射端的上方。
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