CN1883059A - 弯板波传感器 - Google Patents

Abstract

一种弯板波传感器，包括：有长度和宽度的弯板，和在弯板上的齿状图形，其中驱动齿设置在弯板的整个长度上，可以减少在弯板中激发的本征模数目，从而简化弯板波传感器的操作和设计。

Description

弯板波传感器

技术领域

本发明一般涉及弯板波传感器，具体涉及弯板波传感器的改进梳状图形。

背景技术

弯板波(FPW)传感器包含被驱动的薄膜或板，因此，它的振荡频率是由梳状图形和弯板几何结构确定。梳状图形设置在弯板上，并建立与弯板压电性质相互作用的电场以激发运动。本征模描述薄膜的位移，它展示空间分布的峰值。每个本征模是由薄膜长度上的n个半正弦形周期构成。典型的FPW传感器可以激发成有80个或更多个本征模。在典型的FPW本征模中，弯板变形是由许多正弦形(或近似正弦形)峰值构成。

现有技术弯板波(flexural plate wave)传感器通常包括在弯板一端的驱动梳和在另一端的读出梳。这些现有技术装置的驱动梳通常覆盖仅5％至40％的弯板总长度。若驱动梳的数目小于本征模峰值的数目，则少量驱动梳可以对应于几个本征模。其结果是，不但本征模与被激发的梳状齿完全对应，而且还激发其他的本征模。在信号处理和频谱分析中，这种效应称之为泄漏。现有技术设计的重大缺点是，在FPW传感器中激发的增加本征模数目产生一系列类似幅度和不规则相位的谐振峰，它增大现有技术弯板波传感器的设计复杂性和操作。

此外，现有技术弯板波传感器利用在弯板相反两端的驱动梳和读出梳，并依靠基于模拟表面声波(SAW)的分析，其中波是从驱动梳传播到读出梳，而把背反射当作干扰。这种分析的一个明显缺点是，SAW理论不能说明传感器产生的多个较小峰值，从而导致低的计算增益(例如，类似幅度的峰值)，且不能说明峰值的尖锐相位下降(例如，不规则相位)。

发明内容

所以，本发明的目的是提供一种改进的弯板波传感器。

本发明的另一个目的是提供这样一种传感器，它减少在弯板中激发的本征模数目。

本发明的另一个目的是提供这样一种传感器，它输出单个显著峰值，或远远大于任何其他峰的峰值。

本发明的另一个目的是提供这样一种传感器，它输出不同的相位。

本发明的另一个目的是提供这样一种传感器，它简化传感器的操作和设计。

本发明的另一个目的是提供这样一种传感器，它提高传感器的稳定性和性能。

本发明的另一个目的是提供这样一种传感器，它通过消除错误读数提高传感器的稳定性，错误读数是由于消除其他本征模时跳模产生的干扰效应。

本发明实现一种真正有效和健壮的弯板波传感器，它利用在弯板上独特的梳状图形，其中驱动齿设置在弯板的整个长度上，且在一个实施例中，驱动齿是与弯板的所有的本征模对应，从而能够减少在弯板中激发的本征模数目，并输出有不同相位的单个显著峰值，从而简化弯板波传感器的操作和设计。

本发明的特征是，弯板波传感器包括：有长度和宽度的弯板；和在弯板上的梳状图形，其中驱动齿设置在弯板的整个长度上，可以减少在该板中激发的本征模数目，从而简化弯板波传感器的操作和设计。该传感器可以包括：在弯板整个长度上设置的读出齿，其中读出齿是与驱动齿交叉。在一个例子中，驱动齿面向一个方向，而读出齿面向相反的方向。

在本发明的一个实施例中，梳状图形是与弯板的一个本征模对应，从而在该板中激发一个本征模。在一种设计中，梳状图形允许传感器输出单个显著峰值，从而提高传感器的性能。本发明的梳状图形还可以减少传感器的传递函数为单个峰值，或远远大于任何其他峰的峰值。在一个优选实施例中，驱动齿是与弯板中激发的本征模对应。读出齿也可以与弯板中激发的本征模对应。通常，梳状图形可以建立与弯板压电性质相互作用的电场以激发运动。梳状图形可以由选自以下的材料制成：铜，钛铂金(TiPtAu)金属，钛铂(TiPt)，和铝。通常，梳状图形的厚度约为0.1μm，并可以包含引线焊接区和接地触点。在一种设计中，驱动齿是在弯板上。读出齿也可以在弯板上。理想的是，驱动齿横跨弯板的整个宽度。读出齿也可以横跨弯板的整个宽度。

弯板波传感器可以包括：基片衬底，在基片衬底上设置的蚀刻停止层，在蚀刻停止层上设置的薄膜层，在基片衬底和蚀刻停止层中设置的空腔，从而暴露部分的薄膜层，该空腔有基本平行的内壁，在薄膜层上设置的压电层，和在压电层上设置的梳状图形。压电层可以由选自以下的材料制成：亚硝酸铝，氧化锌和钛酸铅锆。蚀刻停止层通常是由二氧化硅制成。理想的是，薄膜层是由硅制成。在一个例子中，基片衬底是由硅制成。

在本发明的一种设计中，基片衬底包含绝缘体上硅(SOI)晶片，它可以包含形成薄膜层的硅上表面，薄膜层粘接到蚀刻停止层。在其他的例子中，压电换能器可以沉积在外延硅的上表面。理想的是，通过蚀刻开孔进入压电换能器，可以形成外延硅的接地触点。在一种设计中，梳状图形包含钛铂金(TiPtAu)金属。梳状图形通常包含叉指式金属电极，引线焊接区和接地触点。在一个实施例中，基片衬底的厚度约为380μm，上外延表面的厚度约为2μm，SiO₂层的厚度约为1μm，和梳状图形的厚度约为0.1μm。驱动齿的长度可以是约300μm至2000μm，而驱动齿的间隔可以是约25μm至50μm。通常，读出齿的长度是约300μm至2000μm，而读出齿的间隔是约25μm至50μm。

本发明的另一个特征是，弯板波传感器包括：有长度和宽度的弯板，和在弯板上的梳状图形，其中驱动齿和读出齿设置在弯板的整个长度上，可以减少在弯板上激发的本征模数目，从而简化弯板波传感器的操作和设计。

本发明的另一个特征是，弯板波传感器包括：有长度和宽度的弯板，和在弯板上的梳状图形，其中第一组和第二组驱动齿设置在弯板的整个长度上，可以减少在弯板上激发的本征模数目，从而简化弯板波传感器的操作和设计。在一个实施例中，该传感器包括：设置在弯板整个长度上的第一组和第二组读出齿。第一组驱动齿和第二组驱动齿通常面向相反的方向。第一组读出齿和第二组读出齿可以面向相反的方向。在一种设计中，第一组驱动齿和第二组驱动齿是交叉的。第一组读出齿和第二组读出齿也可以是交叉的。第一组和第二组交叉的驱动齿可以跨越弯板的整个长度和约50％的弯板宽度。第一组和第二组交叉的读出齿也可以跨越弯板的整个长度和约50％的弯板宽度。通常，第一组驱动齿和第二组驱动齿面向相同的方向，且第一组读出齿和第二组读出齿面向相同的方向。在一个实施例中，第一组驱动齿是与第一组读出齿交叉。与第二组读出齿交叉的第一组驱动齿可以共同跨越约50％的弯板宽度。第二组驱动齿可以与第二组读出齿交叉。在其他的设计中，与第一组读出齿交叉的第二组驱动齿可以共同跨越约50％的弯板宽度。

本发明的另一个特征是，弯板波传感器包括：有长度和宽度的弯板，和在弯板上的梳状图形，其中第一组和第二组驱动齿设置在弯板上。通常，第一组驱动齿跨越约75％的弯板长度和第二组驱动齿跨越约25％的弯板长度。梳状图形可以减少在弯板中激发的本征模数目，从而简化弯板波传感器的操作和设计。

在一个实施例中，该传感器可以包括：在弯板上设置的第一组和第二组读出齿，第一组读出齿跨越约75％的弯板长度和第二组读出齿跨越约25％的弯板长度。第一组读出齿和第二组读出齿可以与第一组驱动齿和第二组驱动齿交叉。在一个例子中，第一组驱动齿和第二组驱动齿面向相同的方向，且第一组读出齿和第二组读出齿面向相同的方向。

在其他的设计中，弯板波传感器可以包括：有长度，宽度，和中心的弯板，和在弯板上的梳状图形，其中第一组和第二组驱动齿设置在约50％的弯板长度上，每组驱动齿在一端跨越弯板的整个宽度，并在弯板中心弯曲到该板的中心。理想的是，梳状图形可以减少在弯板中激发的本征模数目，从而简化弯板波传感器的操作和设计。该传感器还可以包括：第一组和第二组读出齿，它们设置在约50％的弯板长度上，每组读出齿约跨越弯板的整个宽度，并在弯板的中心弯曲到该板的中心。

本发明的另一个特征是，弯板波传感器包括：有长度和宽度的弯板，和在弯板上的梳状图形。梳状图形可以包含在弯板上设置的驱动齿和读出齿。驱动齿可以跨越约50％的弯板长度。读出齿可以跨越约50％的弯板长度。理想的是，梳状图形可以减少在弯板中激发的本征模数目，从而简化弯板波传感器的操作和设计。

本发明的另一个特征是，弯板波传感器包括：有长度和宽度的弯板，和在弯板上的梳状图形。梳状图形可以包含一组驱动齿和一组读出齿。该组驱动齿和该组读出齿可以设置在弯板上。驱动齿可以跨越约50％的弯板长度，且读出齿可以跨越约50％的弯板长度。理想的是，梳状图形减少在弯板中激发的本征模数目，从而简化弯板波传感器的操作和设计。

本发明的另一个特征是制造弯板波传感器的方法，该方法包括以下步骤：在衬底上沉积蚀刻停止层；在蚀刻停止层上沉积薄膜层；在薄膜层上沉积压电层；在压电层上形成有驱动齿的梳状图形，驱动齿跨越压电层的整个长度；蚀刻空腔通过衬底，该空腔有基本平行的内壁；和去除空腔与薄膜层之间的部分蚀刻停止层，可以暴露部分的薄膜层。本发明制造弯板波传感器的方法还包括以下步骤：在压电层中蚀刻一个开孔，并在硅薄膜层上形成接地触点。

本发明的另一个特征是制造弯板波传感器的方法，该方法包括以下步骤：在衬底上沉积蚀刻停止层；在蚀刻停止层上沉积薄膜层；在薄膜层上沉积压电层；在压电层上形成梳状图形，梳状图形包含跨越在薄膜层整个长度上的驱动齿和读出齿；在压电层上形成与第一换能器空间隔开的第二换能器；蚀刻空腔通过衬底，该空腔有基本平行的内壁；去除空腔与薄膜层之间的部分蚀刻停止层，可以暴露部分的薄膜层；和在暴露的部分薄膜层上沉积吸收涂层。

本发明制造弯板波传感器的方法还可以包括以下步骤：在压电层中蚀刻一个开孔，和在硅薄膜层上形成接地触点。

附图说明

参照以下优选实施例的描述和附图，专业人员可以明白其他的目的，特征和优点，其中

图1是现有技术弯板波传感器的顶视图，它展示在约25％至40％的弯板上延伸的驱动梳和读出梳；

图2是图1所示传感器的本征模位移与驱动齿之间关系曲线；

图3A是图1所示波传感器的典型输出曲线；

图3B是图3A中所示峰值的不规则相位响应曲线；

图4是图1所示传感器的波传播方向侧视图；

图5是按照本发明一个实施例弯板波传感器的顶视图；

图6A是图5所示弯板波传感器的单个显著峰值曲线；

图6B是图6A所示峰值的不同相位响应曲线；

图7A是图5所示弯板波传感器输出各种幅度的几个显著峰值曲线；

图7B是图7A所示峰值的不同相位响应曲线；

图8是本发明弯板波传感器中各层的侧视图；

图9是本发明另一个实施例弯板波传感器的梳状图形顶视图；

图10是本发明另一个例子弯板波传感器的梳状图形顶视图；

图11A是本发明另一种设计弯板波传感器的梳状图形顶视图；

图11B是本发明另一种设计弯板波传感器的梳状图形顶视图；

图12是本发明另一种设计弯板波传感器的梳状图形顶视图；

图13是与按照本发明制造弯板波传感器的方法相关的主要步骤流程图

图14是与按照本发明一个实施例弯板波传感器电路相关的示意图；

图15A-15C是本发明几个例子弯板波传感器的输出曲线；

图16A-16F是本发明一个实施例弯板波传感器中三模频率响应的MATLAB^列表；

图17是本发明一个实施例弯板波传感器的相对本征频率曲线；和

图18是本发明弯板波传感器上正弦形负荷的静态板变形曲线。

具体实施方式

除了以下公开的优选实施例以外，本发明能够在其他的实施例或不同的方法中实现。因此，应当明白，本发明不局限于以下描述和附图中提出的结构细节和元件排列。

如在以上背景部分所讨论的，图1所示的现有技术弯板波传感器10包括：有驱动齿16和18的驱动梳14和有驱动齿22和24的驱动梳20。通常，驱动梳14和驱动梳20是在相反的极性下被驱动，例如，驱动梳14是在正极性下被驱动，而驱动梳20是在负极性下被驱动，它们对应于本征模的正峰值和负峰值。

如图1所示，驱动梳14和驱动梳20设置在约25％至40％的弯板38整个长度。由于驱动梳14和驱动梳20的有限长度范围，驱动齿16，18，22，和24的数目是受限的。如在以上背景部分所讨论的，若驱动齿的数目小于弯板38的本征模峰值数目，则可以激发多个本征模。

例如，图2表示图1所示弯板38中n＝20和n＝21(其中n＝模式数目≈1/2个正弦周期)的纵向本征模的模位移。如图2所示，相对于本征模峰值39和41的数目，驱动齿16，18，22和24的数目是受限的。其结果是，不仅n＝20个本征模与被激发的驱动齿16，18，22和24完全对应，而且还激发其他的本征模，如箭头43，45，49和51所示。增加的激发本征模数目产生一系列类似幅度的谐振峰，如图3A所示的峰值60，62，64和66，和图3B所示的不规则相位。其结果是增加现有技术弯板波传感器10中电子设计和操作的复杂性。

图1所示的现有技术传感器10还包括：有读出齿28，30的读出梳26和有读出齿34，36的读出梳32，它们通常是在与驱动梳14和20的弯板38相反端。如在以上背景部分所讨论的，现有技术弯板波传感器10依靠基于表面声波(SAW)的理论，其中波是从驱动梳14和20传播到读出梳26和32，如图4中箭头50所示，而把背反射当作干扰。然而，依靠SAW理论不能说明传感器10产生的多个小峰值，从而导致低的计算增益，且不能说明尖锐的相位下降。

与此对比，图5所示本发明的弯板波传感器70包括：有长度和宽度的弯板72，和在弯板72上的梳状图形74，其中驱动齿76设置在弯板72的整个长度上，可以减少在弯板72中激发的本征模数目。在一种设计中，梳状图形74是与弯板72的所有本征模对应。在一个优选实施例中，仅仅激发一个本征模。其结果是，弯板波传感器70输入单个显著峰值，例如，图6A所示的峰值80，它具有图6B所示的不同相位，或远远大于任何其他峰值的显著峰值，例如，图7A所示大于峰值84和86的峰值82，和图7B所示箭头89指出的不同相位。这与图3A和3B所示现有技术传感器产生的类似幅度峰值和不规则相位形成明显的对比。其结果是，可以大大简化图5所示弯板波传感器70的操作和设计。由于仅仅能够激发单个模，以下讨论的本发明闭环电路设计可以提高系统的稳定性，这是因为不可能从其他本征模(如图3A和3B所示)的模跳产生干扰导致错误的读数。

在按照本发明的一种设计中，传感器70还包括：设置在弯板72整个长度上的读出齿78。在一个实施例中，读出齿78和驱动齿76面向相反的方向。在这种设计中，读出齿78是与驱动齿76交叉。读出齿78通常是与弯板72中激发的本征模对应，可以检测驱动齿76产生的输出。

在本发明的一个例子中，梳状图形74是由铜制成。在其他的例子中，梳状图形74是由钛铂金(TiPtAu)，钛铂(TiPt)，铝，或任何已知材料或已知材料的组合制成。通常，梳状图形74的厚度约为0.1μm。并包含图5所示的引线焊接区(wire bond pad area)80和82。

弯板波传感器70通常是由图8所示的几个薄层构成。传感器70可以包括：基片衬底100，通常是380μm厚的硅衬底，和蚀刻停止层102，理想的是，它的厚度为1μm并由设置在基片衬底100上的二氧化硅(SiO₂)制成。理想的是，传感器70还可以包括：薄膜层104，它通常是由硅或类似材料制成，并设置在蚀刻停止层102和空腔106上。通常，还生长另一个硅层以形成薄膜层104。空腔106有基本平行的内壁并设置在基片衬底100和蚀刻停止层102内，从而暴露部分的薄膜层104。在一个例子中，厚度为0.5μm的压电层108设置在薄膜层104上。有驱动齿76和读出齿78的梳状图形74(如图5所示)设置在压电层108上。通常，薄膜层104是接地的(未画出)。理想的是，压电层108是由诸如亚硝酸铝，二氧化锌，和钛酸铅锆的材料制成。

在其他的设计中，基片衬底100是绝缘体上硅(SOI)晶片并包含焊接到蚀刻停止层102的硅上表面(例如，薄膜104)。理想的是，在压电层108中蚀刻一个开孔，可以形成与硅层(例如，薄膜104)的接地触点。在一个优选例子中，利用钛铂金或钛铂制成图5所示的梳状图形74，其中驱动齿76和读出齿78设置在压电层108的整个长度上，如图8所示。理想的是，梳状图形74还确定图5所示的引线焊接区80和82，和接地触点(未画出)。通常，驱动齿76和读出齿78的长度为300μm至2000μm，而驱动齿与读出齿之间的间隔约为25μm至50μm。

如上所述，弯板波传感器70中有独特设计的梳状图形74，其中驱动齿76设置在弯板72的整个长度上，它可以有效减少在弯板中激发的本征模数目，并输出单个显著的峰值，或远远大于传感器70输出任何其他峰的峰值。其结果是可以简化弯板波传感器70的操作和设计。

独特的梳状图形74可以采用几种形式，包括：交叉的驱动齿组和读出齿组，每组横跨约50％的弯板宽度(图9)，两组交叉的驱动齿和读出齿，其中每组交叉的驱动齿和读出齿跨越弯板的整个长度和50％的弯板宽度(图10)，两组交叉的驱动齿和读出齿，其中一组交叉的驱动齿和读出齿跨越约75％的弯板长度，而另一组跨越约25％的弯板长度(图11)，和独特的弯曲驱动齿组和读出齿组(图12)。专业人员还可以知道其他相当的实施例。

图9所示的梳状图形74′包括：在弯板72整个长度上设置的第一组驱动齿120和第二组驱动齿124。梳状图形74′还可以包括：在弯板72整个长度上设置的第一组读出齿128和第二组读出齿130，并可用于读出第一组驱动齿120和第二组驱动齿124提供的输出。在一个例子中，第一组驱动齿120是在负极性下驱动，而第二组驱动齿124是在正极性下驱动，它们对应于弯板72的负本征模峰值和正本征模峰值，并有助于减少被激发的本征模。类似地，第一组读出齿128是在正极性下驱动，而第二组读出齿130是在负极性下驱动。第一组驱动齿120和第二组驱动齿124可以面向相反的方向，并互相之间交叉。类似地，第一组读出齿128和第二组读出齿130面向相反的方向，并互相之间交叉。在这种设计中，第一组驱动齿120是与第二组驱动齿124交叉，它们共同设置在弯板72的整个长度上，并横跨约50％的弯板72宽度。类似地，第一组读出齿128是与第二组读出齿130交叉，它们共同设置在弯板72的整个长度上，并横跨其余50％宽度的弯板72。梳状图形74′的设计不但减少被激发的本征模数目，而且还有助于减少传感器70′输出的峰值数目。

在本发明的另一个例子中，以上描述的梳状图形74′设计改变成第一组驱动齿与第一组读出齿交叉，如图10所示。梳状图形74″包括：与第一组读出齿132交叉的第一组驱动齿131。交叉的驱动齿组131和读出齿组132设置在弯板72的整个长度和50％的弯板72宽度上。梳状图形74″还包括：与第二组读出齿136交叉的第二组驱动齿134，类似地，它们跨越弯板72的整个长度和50％的弯板72宽度。通常，驱动齿组(例如，131和134)和读出齿组(例如，132和136)是在相反的极性下被驱动。类似于图9中的以上设计，这种设计不但减少被激发的本征模数目，而且还减少传感器70产生的峰值数目。

在另一种设计中，图11A所示的梳状图形74包括：第一组驱动齿150和第二组驱动齿152。第一组驱动齿150跨越约75％的弯板72长度，而第二组驱动齿152跨越约25％的弯板72长度。梳状图形74还可以包括：第一组读出齿154，它跨越约75％的弯板72长度，并与第一组驱动齿150交叉。梳状图形74还可以包括：第二组读出齿156，它跨越约25％的弯板72长度，并与第二组驱动齿152交叉。这种设计也减少弯板72中被激发的本征模数目。

在一个实施例中，图11B所示的梳状图形74iv可以包括：在弯板72上设置的驱动齿170和读出齿172。驱动齿170跨越约50％的弯板72长度，如箭头174所示，且读出齿172跨越约50％的弯板72长度，如箭头176所示。类似地，梳状图形74iv减少在弯板72中激发的本征模数目。

在另一种设计中，梳状图形74iv可以包括：包含驱动齿170和驱动齿171的驱动齿组173。驱动齿组173跨越约50％的弯板72长度，如箭头174所指出的。梳状图形74iv还包括：包含读出齿172和读出齿177的读出齿组175。读出齿组175跨越约50％的弯板72长度，如箭头176所指出的。这种设计也减少在弯板72中激发的本征模数目。虽然如图11B所示，驱动齿组173包含与驱动齿171交叉的驱动齿170，且读出齿组175包含与读出齿177交叉的读出齿172，这不是对本发明的必要限制，因为驱动齿(例如，驱动齿170或171)也可以与读出齿(例如，读出齿172或177)交叉。

在按照本发明的另一种设计中，图12所示的梳状图形74v包括：第一组驱动齿160和第二组驱动齿162，它们设置在跨越约50％的弯板74长度。第一组驱动齿160和第二组驱动齿162在一端约横跨弯板74的整个宽度，并弯曲向下到弯板74的中心164。梳状图形74v的独特设计有助于减少在弯板72中激发的本征模数目，而且还有助于减少传感器70输出的峰值数目。梳状图形74v还可以包括：与第二组读出齿168交叉的第一组读出齿166，其结构类似于以上描述的第一组驱动齿160和第二组驱动齿162。

本发明制造弯板波传感器70的方法包括以下步骤：在图13的步骤200，在衬底100上沉积图8所示的蚀刻停止层102；在图13的步骤202，在蚀刻停止层102上沉积图8所示的薄膜层104(例如，生长另一层硅)；在图13的步骤204，在薄膜层104上沉积图8所示的压电层108；在图13的步骤206，在压电层108上制成图8(和图5，和图9-11)所示的梳状图形74，其中驱动齿76跨越压电层108的整个长度或其部分长度；和在图13的步骤208，蚀刻图8所示的空腔106通过空腔106与薄膜层104之间的衬底100，可以暴露部分的薄膜层104。在其他的例子中，采用绝缘体上硅(SOI)晶片，它包含已经粘接在一起的氧化层(例如，蚀刻停止层102)和硅薄膜层(例如，薄膜层104)。

如上所述，本发明健壮的弯板波传感器包括：几个独特结构的梳状图形，它设置在弯板的整个长度上，并可以减少在弯板中激发的本征模数目，从而简化弯板波传感器的操作和设计。驱动齿跨越弯板整个长度的独特梳状图形能够使梳状图形与弯板的本征模对应。其结果是，弯板波传感器70能够产生单个显著的峰值，或远远大于其他峰的峰值，并提供较高的稳定性，改进的性能，和简化弯板波传感器的设计。

如在背景部分中所描述的，图1的现有技术传感器1利用在弯板相反两端上的驱动齿14，20和读出齿26，32。现有技术传感器1依靠基于模拟表面声波(SAW)的理论，其中波是从驱动齿14和20传播到读出齿26和32，如图4所示，而把背反射当作干扰。

本发明者明白，这种SAW模拟对于大多数弯板波传感器是不正确的。具体地说，利用简单的边缘条件设计，例如，图14和图9-11所示的弯板，其性能实际上类似于谐振板。以下公式(1)至公式(14)的分析是基于把图14中弯板302作为薄板模型。比较产品性能和计算弯板302的本征频率指出，薄板模型对于谐振板302和传感器300以及图5和图9-11所示的传感器70是有效的。以下的公式(16)和(17)是在简单的薄板模型上考虑到弯板302厚度的附加模式。

如图14所示，包含弯板302的弯板波传感器300的驱动电压基准为零，并加中心接地的电压到变压器304上，在一个电极上加+V_D，而在另一个电极上加-V_D。变压器304的输入端连接到接地触点306和V_D。输出端是中心抽头，因此，其他两端是+V_D和-V_D。在本发明的另一个例子中，利用驱动电路作为输出，可以采用单端操作，例如，专业人员熟知的Pierce振荡器或串联振荡器。驱动对是由两个电极构成，例如，在+V_D和-V_D的电极或驱动梳350和352。读出对可以由两个电极或读出梳构成，例如，电极或读出梳354和356，它们通常连接到两个差分放大器的输入端，例如，差分放大器355和357。在一种设计中，所有的电极，例如，电极或电梳350，352，354和356沉积在弯板302的压电层顶部(未画出)。类似于以上讨论图8中弯板70的设计。图14中的硅酮层309通常与接地触点306连接。

以下说明本征模与弯板电压之间的关系。以下公式(1)的推导是在Weinberg et al的“Modeling Flexural Plate Wave Device”中公开，Journal of Microelectro Mechanical Systems，Vol.9，(September2000)，合并在此供参考。以下的公式是基于沿图14中z方向的薄梁振动。在任何位置的位移是由以下的公式给出：

 每个机械模的运动方程是：

 其中

它在简单支持下等于sin(λ_nx)， ${\mathrm{\λ}}_n=\frac{2n+1}{2L}\mathrm{\π}$ 等于内置边缘的本征值，和λ＝nπ是简单支持边缘的本征值。此外，其中n是正整数，它等于长度为L的半波长数目，m_p是每单位长度的质量，b是每单位长度的阻尼，A_n是第n个激发模的运动幅度，L是弯板长度，和f_n(t)是第n个模的激励函数。

对于简单和内置支持，角谐振频率与波数λ之间的关系是：

${\mathrm{\ω}}_n=\sqrt{\frac{D}{m}}{\mathrm{\λ}}_n^2---\left(3\right)$

其中D是刚度。

假设模形状是由以下公式给出：

我们还假设销接梁(pinned beam)的＝0。由于模的数目很大，销接梁和内置梁(built-in beam)的差别很小。我们还假设梁是由这样的力密度驱动，它的一次谐波是：

$w(x,t)=w_a\sin (\frac{2\mathrm{\πx}}{P}-\mathrm{\θ})\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)---\left(5\right)$

其中 $w_a=-\frac{2\sqrt{2}}{\mathrm{\π}}{\left(\frac{\mathrm{m\π}}{{\mathrm{\λ}}_t}\right)}^2{M}_P{V}_D,$ M_P是电极上所加每伏特的压电力矩幅度，V_D是驱动齿352上所加的电压，θ是梳状叉指与基准之间夹角，λt是换能器长度，它等于mP/2，P是梳间距，和m是换能器中梳的数目或L为单位的半正弦形数目。

利用公式(2)，(4)和(5)，模激励函数是由以下公式确定：

其中梳是从x₀开始和在x₀+λ_t结束。根据公式(6)可以确定γ_n，它确定模式力与输入电压之间的关系：

公式(7)应用于梳状电极和读出电极，例如，有驱动齿350，352和读出齿354，356的梳状图形350(或图5和图9-11所示的任何设计)。积分的范围是换能器的长度λ_t，如图11所示，这是由于梳施加的力。在简单的支持下，＝0。γ的单位m/V且γ正比于1/λ_n ⁴。当梳与模对应时，θ等于0，而激励函数是：

$f_n\left(t\right)=w_a\sin \left(\mathrm{\ωt}\right)\frac{{\mathrm{\λ}}_t}{\mathrm{\λ}}\{\frac{\sin \left[(\frac{{\mathrm{\λ}}_{t}n}{\mathrm{\λ}}-m)\mathrm{\π}\right]}{(\frac{{\mathrm{\λ}}_{t}n}{\mathrm{\λ}}-m)\mathrm{\π}}-\frac{\sin \left[(\frac{{\mathrm{\λ}}_{t}n}{\mathrm{\λ}}+m)\mathrm{\π}\right]}{(\frac{{\mathrm{\λ}}_{t}n}{\mathrm{\λ}}+m)\mathrm{\π}}\}---\left(18\right)$

图15A-15C表示相位θ等于0，π/4，和π/2时的模型幅度响应f_n(t)/[w_asin(ωt)]，其中换能器的长度为0.00125米，图14所示弯板的长度为0.005米，和m等于50，得到50μm的间距。当本征模的波长与梳间距匹配时，可以实现弯板波传感器300的最大激励。

按照本发明，驱动长度，例如，有驱动齿352的梳状图形300长度(或图5和图9-11所示的任何设计)设置在弯板302的整个长度上，沿x方向仅仅激发一个模，使响应变成简单的二级系统，从而产生图6A所示的单个显著峰值。此外，通过改变梳长度和齿宽度，可以修整压电弯曲作为y的函数，它可以产生谐波，因此，不激发y方向的正弦形谐波。

在公式(8)中，每单位长度的力w(x，t)是用它的一次谐波表示。公式(6)中的模激励函数f_n(t)主要包含 的分母项；因此，w(x，t)的高级次谐波有较大的m值，而对公式(8)的影响很小。

梁模耦合到输出中利用应变转换成图14所示弯板302上的电荷。我们假设弯板302接地，则每单位长度的表面电荷是由以下公式确定：

Q_x＝d₃₁Ybε_p(1+v_P)              (9)

其中d₃₁是压电常数，它联系z方向电场和x方向应变，Y是压电材料的杨氏模量，v_P是泊松比，和b是薄膜的宽度。

利用公式(1)和(4)，在压电材料中心区的峰值x应变与模式幅度的关系是：

其中Δz_m是压电材料中心区与力矩输入的弯板中性轴之间距离，和R是该位置的曲率半径。

利用在电极(例如，图14所示的梳状图形350和352)上的积分公式(9)，可以计算总的电荷。由于公式(10)中有正弦函数，这个积分类似于傅里叶变换，因此，研究板分布的一次谐波是容易的：

$Q=\underset{\mathrm{electrodes}}{\∫}{Q}_x\mathrm{dx}\≈\frac{2\sqrt{2}}{\mathrm{\π}}\underset{x_0}{\overset{x_0+{\mathrm{\λ}}_t}{\∫}}{Q}_x\sin (\frac{\mathrm{m\πx}}{{\mathrm{\λ}}_t}-\mathrm{\θ})\mathrm{dx}---\left(11\right)$

把公式(9)和(10)代入到公式(11)中，读出电极或驱动电极(例如，驱动齿350，352或读出齿354，356)上的总电荷是：

$Q=\underset{n}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\α}}_n{A}_n---\left(12\right)$

其中模式幅度与电荷之间的耦合是由以下公式给出：

括号中的积分等同于计算公式(7)中模式力的积分。α_n的单位是Coul/m，而α_n正比于λ_n ²。

把压电薄膜模型代入到有以下其他电路元件的集总参数中。例如，压电梳对349通常包含两个电极350和352，和接地面306。对于单模，联系模位移和电荷与电极电压和模式力的静态方程是：

$\left[\begin{array}{ccc}1& 0& -\frac{{\mathrm{\α}}_n}{2}\\ 0& 1& \frac{{\mathrm{\α}}_n}{2}\\ 0& 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{Q}_{D1}\\ Q_{D2}\\ A_n\end{array}\right]=\left[\begin{array}{ccc}C+C_{12}& -C_{12}& 0\\ -C_{12}& C+C_{12}& 0\\ \frac{{\mathrm{\γ}}_n}{2}& -\frac{{\mathrm{\γ}}_n}{2}& \frac{1}{k_n}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{V}_{D1}\\ V_{D2}\\ f_n\end{array}\right]---\left(14\right)$

其中C是一个板与地之间的电容，C₁₂是正电极与负电极之间的电容，α_n和λ_n是公式(7)和公式(13)中确定的压电耦合系数，k_n是模刚度，D₁是正驱动电极，例如，驱动齿350，和D₂是负驱动电极352。α_n和γ_n的负符号指出负电极是从正电极位移180度。负梳上所加的电压是正电极所加电压的负值：

V_D＝V_D1＝-V_D2                        (15)

假设公式(14)中的耦合很小，则弯板上所加的电压和电流仍然是由公式(9)至(13)描述。公式(14)得到的结果是Q_D2＝-Q_D1，它与图14中的电路图一致。Q_D1是上述电流I₂的积分。对称性和差分读出确定：

Q＝Q_D1-Q_D2                      (16)

公式(16)可以简化成：

$\left[\begin{array}{cc}1& -{\mathrm{\α}}_n\\ 0& 1\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}Q\\ A_n\end{array}\right]=\left[\begin{array}{cc}2(C+2C_{12})& 0\\ {\mathrm{\γ}}_n& \frac{1}{k_n}\end{array}\right]\left[\begin{array}{c}{V}_D\\ f_n\end{array}\right]---\left(17\right)$

在添加电路电阻器之后，Q是由公式(16)中的两个电流构成。公式(16)和(17)描述驱动电极和读出电极对。

电荷是在电极上求和的总电荷，而力是模式力，它是沿梁每单位长度的力。当模式周期与梳周期匹配时：

${\mathrm{\λ}}_n=\frac{\mathrm{n\π}}{\mathrm{\λ}}=\frac{\mathrm{m\π}}{{\mathrm{\λ}}_t}---\left(18\right)$

和梳与本征模对应[在公式7中θ等于φ]，压电公式(17)遵从以下互易性关系：

${\mathrm{\γ}}_n{k}_n=\frac{2{\mathrm{\α}}_n}{\mathrm{\λ}}---\left(19\right)$

互易性说明电压，模式力，每单位长度电荷和模式幅度之间的对称性。若本征模不与梳对应，则公式(19)不成立。

以上的结果组合成本发明的综合动态弯板波传感器，它联系激发电压与前置放大器的输出。为了清楚起见，在这个例子中仅包含三个模式。然而，这不是对本发明的必要限制，专业人员知道可以包含任意数目的模式，如图3A，3B，6A，6B，7A和7B所示。如上所述，电荷包括正极板和负极板。以下表示直接加到压电材料上的电压和力：

加到压电材料上的力可以描述为：

加到图14所示驱动梳350上的电压是：

V_D＝V-sQ_DR_D                   (22)

其中V＝电源所加的电压，而R_D是输入电阻。

假设输出前置放大器是虚拟接地，则读出电压是由以下公式给出：

$V_s=-s{Q}_s\frac{R_s}{2}---\left(23\right)$

其中R_S是读出电阻。公式(15)中Q定义的两个因素包括正电极和负电极。图16A-16C表示利用公式(20)至(23)得到频率响应的MATLAB^代码。

作为矩形板的一级近似，例如，图14所示的弯板302，沿x和y方向的本征模接近于J.Blevin从梁理论中所导出的本征模，见Formula for Natural Frequency and Mode Shape，Robert E.KriegerPublishing Co.，Malabar，FL(1979)。位移是x的正弦乘以y的正弦。对于内置或四个边缘上支持的各向同性或正交矩形板，本征频率(单位Hz)是由以下公式近似给出：

$f_{\mathrm{nm}}=\frac{\mathrm{\π}}{2}\sqrt{\frac{G{\left(n\right)}^4}{{\mathrm{\λ}}^4}+\frac{G{\left(m\right)}^4}{b^4}+\frac{2J\left(n\right)J\left(m\right)}{{\mathrm{\λ}}^2{b}^2}}\sqrt{\frac{{\mathrm{Yh}}^3}{{12m}_a(1-v^2)}}---\left(24\right)$

其中n是沿长度的模式数目，m是沿宽度的模式数目，λ是板的长度，在一个例子中，λ＝0.005米，b是板的宽度，例如，b＝0.001米，对于简单的支持，G(n)＝n，而对于所有的内置边缘，G(n)＝n+1/2，对于简单支持，J(n)＝n²，而对于所有的内置边缘，

$J\left(n\right)={(n+\frac{1}{2})}^2[1-\frac{2}{\mathrm{\π}(n+\frac{1}{2})}],$ Y是杨氏模量，h是板的厚度，和m_a＝每单位面积的质量。

对于简单支持的板，公式(24)变成：

$f_{\mathrm{nm}}=\frac{\mathrm{\π}}{2}\sqrt{\frac{{\mathrm{Yh}}^3}{12m_a(1-v^2)}}(\frac{n^2}{{\mathrm{\λ}}^2}+\frac{m^2}{b^2})---\left(25\right)$

在标称的情况下，图17表示相对于m＝0和简单支持的本征频率与m之间关系曲线，其中λ/b＝5。公式(24)和(25)说明m＝0的梁理论。内置本征频率高于简单支持情况的0.50％。在m＝1和n＝200的情况下，内置谐振频率大于m＝0简单梁情况的0.085％。这个m＝1频率接近于梁理论值，它是基本的工作频率。如图8所示，位移接近于m＝1模式形状。较高m的模式在沿y(短)方向有较多的本正弦形。在m＝2时，下一个谐振是在基本工作频率(m＝1)之上0.21％。对于直齿，激发是奇次谐波，且不应当被激发(除了加工偏差以外)。在内置情况下，m＝3谐振高于基模0.6％。虽然沿y方向的激发是正方形，但是沿固定x的响应大致是正弦形，如图18所示。在正方形电压驱动下，驱动的三次谐波是基模的1/3。图3A表示与现有技术传感器10相关的参差不齐，其中模式互相交叉。与此形成尖锐的对比，按照本发明，图5，9-11所示的弯板波传感器70和图14所示的传感器300包含独特的梳状图形，它是沿弯板的整个长度延伸，从而产生简单的显著峰值或远远大于任何其他峰的峰值，如图6A和6B所示，并有图7A和7B所示的不同相位。

虽然在一些附图中展示本发明的具体特征，但这只是为了方便描述，按照本发明每个特征与任何其他或所有特征进行组合。此外，在本申请中公开的任何实施例不应当当作唯一可能的实施例。专业人员明白，其他的实施例也是在以下权利要求书的范围内。

Claims (60)

1.一种弯板波传感器，包括：

有长度和宽度的弯板；和

在弯板上的梳状图形，其中驱动齿设置在弯板的整个长度上，可以减少在弯板中激发的本征模数目，从而简化弯板波传感器的操作和设计。

2.按照权利要求1的弯板波传感器，还包括：设置在弯板整个长度上的读出齿，读出齿是与驱动齿交叉。

3.按照权利要求2的弯板波传感器，其中读出齿面向一个方向，而驱动齿面向相反的方向。

4.按照权利要求1的弯板波传感器，其中梳状图形是与弯板的所有本征模对应，从而在弯板中激发一个本征模。

5.按照权利要求1的弯板波传感器，其中梳状图形允许传感器输出单个显著峰值，从而提高传感器的性能。

6.按照权利要求1的弯板波传感器，其中梳状图形减小传感器的传递函数成单个峰值，或远远大于任何其他峰的峰值。

7.按照权利要求1的弯板波传感器，其中驱动齿是与弯板中激发的本征模对应。

8.按照权利要求2的弯板波传感器，其中读出齿是与弯板中激发的本征模对应。

9.按照权利要求1的弯板波传感器，其中梳状图形可以建立与弯板压电性质相互作用的电场以激发运动。

10.按照权利要求1的弯板波传感器，其中梳状图形是由铜制成。

11.按照权利要求1的弯板波传感器，其中梳状图形是由选自以下的材料制成：铜，钛铂金(TiPtAu)金属，钛铂(TiPt)和铝。

12.按照权利要求1的弯板波传感器，其中梳状图形是由铝制成。

13.按照权利要求1的弯板波传感器，其中梳状图形的厚度约为0.1μm。

14.按照权利要求1的弯板波传感器，其中梳状图形包含引线焊接区和接地触点。

15.按照权利要求1的弯板波传感器，其中驱动齿是在弯板上。

16.按照权利要求2的弯板波传感器，其中读出齿是在弯板上。

17.按照权利要求1的弯板波传感器，其中驱动齿横跨弯板的整个宽度。

18.按照权利要求2的弯板波传感器，其中读出齿横跨弯板的整个宽度。

19.按照权利要求1的弯板波传感器，还包括：基片衬底，在所述基片衬底上设置的蚀刻停止层，在所述蚀刻停止层上设置的薄膜层，在所述基片衬底和所述蚀刻停止层中设置的空腔，从而暴露部分的所述薄膜层，所述空腔有基本平行的内壁，在所述薄膜层上设置的压电层，和在所述压电层上设置的所述梳状图形。

20.按照权利要求19的弯板波传感器，其中所述压电层是由选自以下的材料制成：亚硝酸铝，氧化锌和钛酸铅锆。

21.按照权利要求19的弯板波传感器，其中所述蚀刻停止层是由二氧化硅制成。

22.按照权利要求19的弯板波传感器，其中所述薄膜层是由硅制成。

23.按照权利要求19的弯板波传感器，其中所述基片衬底是由硅制成。

24.按照权利要求23的弯板波传感器，其中基片衬底包括绝缘体上硅(SOI)晶片。

25.按照权利要求24的弯板波传感器，其中绝缘体上硅晶片包含外延硅的上表面，用于形成粘接到蚀刻停止层的薄膜层。

26.按照权利要求25的弯板波传感器，其中压电换能器沉积在外延硅的上表面。

27.按照权利要求25的弯板波传感器，其中通过蚀刻开孔进入压电换能器，形成外延硅的接地触点。

28.按照权利要求27的弯板波传感器，其中梳状图形包括钛铂金(TiPtAu)金属，所述梳状图形包含叉指式金属电极，引线焊接区和接地触点。

29.按照权利要求24的弯板波传感器，其中所述基片衬底的厚度约为380μm。

30.按照权利要求25的弯板波传感器，其中所述上外延表面的厚度约为2μm。

31.按照权利要求25的弯板波传感器，其中所述SiO2层的厚度约为1μm。

32.按照权利要求28的弯板波传感器，其中所述梳状图形的厚度约为0.1μm。

33.按照权利要求1的弯板波传感器，其中驱动齿的长度约为300μm至2000μm，而驱动齿的间隔约为25μm至50μm。

34.按照权利要求1的弯板波传感器，其中读出齿的长度约为300μm至2000μm，而读出齿的间隔约为25μm至50μm。

35.一种弯板波传感器，包括：

有长度和宽度的弯板；和

在弯板上的梳状图形，其中驱动齿和读出齿设置在弯板的整个长度上，可以减少在弯板中激发的本征模数目，从而简化弯板波传感器的操作和设计。

36.一种弯板波传感器，包括：

有长度和宽度的弯板；和

在弯板上的梳状图形，其中第一组和第二组驱动齿设置在弯板的整个长度上，可以减少在弯板中激发的本征模数目，从而简化弯板波传感器的操作和设计。

37.按照权利要求36的弯板波传感器，还包括：在弯板整个长度上设置的第一组和第二组读出齿。

38.按照权利要求36的弯板波传感器，其中第一组和第二组驱动齿面向相反的方向。

39.按照权利要求36的弯板波传感器，其中第一组和第二组读出齿面向相反的方向。

40.按照权利要求38的弯板波传感器，其中第一组和第二组驱动齿是交叉的。

41.按照权利要求39的弯板波传感器，其中第一组和第二组读出齿是交叉的。

42.按照权利要求40的弯板波传感器，其中第一组和第二组交叉驱动齿横跨约50％的弯板宽度。

43.按照权利要求41的弯板波传感器，其中第一组和第二组交叉读出齿横跨约50％的弯板宽度。

44.按照权利要求36的弯板波传感器，其中第一组和第二组驱动齿面向相同的方向。

45.按照权利要求37的弯板波传感器，其中第一组和第二组读出齿面向相同的方向。

46.按照权利要求45的弯板波传感器，其中第一组驱动齿是与第一组读出齿交叉。

47.按照权利要求46的弯板波传感器，其中与第二组读出齿交叉的第一组驱动齿共同横跨约50％的弯板宽度。

48.按照权利要求45的弯板波传感器，其中第二组驱动齿是与第二组读出齿交叉。

49.按照权利要求48的弯板波传感器，其中与第一组读出齿交叉的第二组驱动齿共同横跨约50％的弯板宽度。

50.一种弯板波传感器，包括：

有长度和宽度的弯板；和

在弯板上的梳状图形，其中第一组和第二组驱动齿设置在弯板上，第一组驱动齿跨越约75％的弯板长度和第二组驱动齿跨越约25％的弯板长度，梳状图形可以减少在弯板中激发的本征模数目，从而简化弯板波传感器的操作和设计。

51.按照权利要求50的弯板波传感器，还包括：在弯板上设置的第一组和第二组读出齿，第一组读出齿跨越约75％的弯板长度和第二组读出齿跨越约25％的弯板长度，第一组和第二组读出齿是与第一组和第二组驱动齿交叉。

52.按照权利要求50的弯板波传感器，其中第一组和第二组驱动齿面向一个方向，而第一组和第二组读出齿面向相反的方向。

53.一种弯板波传感器，包括：

有长度，宽度，和中心的弯板；和

在弯板上的梳状图形，其中第一组和第二组驱动齿设置成跨越约50％的弯板长度，每个所述驱动齿组在一端横跨约弯板的整个宽度并大致在弯板中心弯曲向下到该板的中心，梳状图形可以减少在弯板中激发的本征模数目，从而简化弯板波传感器的操作和设计。

54.照权利要求53的弯板波传感器，还包括：在约50％的弯板长度上设置的第一组和第二组读出齿，每个所述读出齿组在一端横跨约弯板的整个宽度并大致在弯板中心弯曲向下该板的中心。

55.一种弯板波传感器，包括：

有长度和宽度的弯板；和

在弯板上的梳状图形，梳状图形包括驱动齿和读出齿，驱动齿和读出齿设置在弯板上，驱动齿跨越约50％的弯板长度，读出齿跨越约50％的弯板长度，梳状图形可以减少在弯板中激发的本征模数目，从而简化弯板波传感器的操作和设计。

56.一种弯板波传感器，包括：

有长度和宽度的弯板；和

在弯板上的梳状图形，梳状图形包括一组驱动齿和一组读出齿，该组驱动齿和该组读出齿设置在弯板上，该组驱动齿跨越约50％的弯板长度，该组读出齿跨越约50％的弯板长度，梳状图形可以减少在弯板中激发的本征模数目，从而简化弯板波传感器的操作和设计。

57.一种制造弯板波传感器的方法，该方法包括以下步骤：

在衬底上沉积蚀刻停止层；

在所述蚀刻停止层上沉积薄膜层；

在所述薄膜层上沉积压电层；

制成有驱动齿的梳状图形，驱动齿在所述压电层上跨越压电层的整个长度；

蚀刻空腔通过衬底，该空腔有基本平行的内壁；和

去除空腔与薄膜层之间的部分蚀刻停止层，以暴露部分的薄膜层。

58.按照权利要求57的方法，还包括步骤：在压电层中蚀刻一个孔，并在硅薄膜层上制成接地触点。

59.一种制造弯板波传感器的方法，该方法包括以下步骤：

在衬底上沉积蚀刻停止层；

在所述蚀刻停止层上沉积薄膜层；

在所述薄膜层上沉积压电层；

在所述压电层上制成梳状图形，所述梳状图形包括跨越薄膜层整个长度的驱动齿和读出齿；

在所述压电层上制成与所述第一换能器空间隔开的第二换能器；

蚀刻空腔通过衬底，该空腔有基本平行的内壁；

去除空腔与薄膜层之间的部分蚀刻停止层，以暴露部分的薄膜层；和

在暴露部分的薄膜层上沉积吸收涂层。

60.按照权利要求59的方法，还包括步骤：在压电层中蚀刻一个孔，并在硅薄膜层上制成接地触点。

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