CN205647458U - 一种高灵敏度的双端对谐振式声表面波检测器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种双端对谐振式声表面波检测器，包括制作在基片(1)上的双端对谐振器，在基片(1)上设置有第二叉指换能器(3)，在第二叉指换能器(3)的两侧分别设置第一叉指换能器(2)和第三叉指换能器(4)，第二叉指换能器(3)和第一叉指换能器(2)形成第一间隔，第二叉指换能器(3)和第三叉指换能器(4)形成第二间隔；在第一叉指换能器(2)的另一侧设置有第一金属反射栅阵(5)，在第三叉指换能器(4)的另一侧设置有第二金属反射栅阵(6)；其中，第一间隔与第二间隔相等，且为上述叉指换能器的波长的0‑3.5倍。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种声表面波检测器，特别涉及一种用于传感器的高灵敏度的双端对谐振式声表面波检测器。
背景技术
声表面波(SAW)检测器作为声表面波振荡器的频率控制元件，其性能直接影响振荡器的频率稳定度。根据声表面波振荡器的频率稳定性原理，声表面波检测器的品质因子(Q值)及插入损耗大小直接影响到振荡器的短期频率稳定度，Q值越高、插入损耗越低，则振荡器的短期频率稳定度越高，而声表面波振荡器的频率稳定度直接影响SAW气体传感器的检测下限和敏感度。通常声表面波检测器的器件结构大致有两种，一种是SAW延迟线，另外一种是SAW谐振器。对于延迟线结构而言，容易提供较大的区域用于涂敷敏感膜，但是这种结构的器件损耗较大，间接影响振荡器的频率稳定度；SAW谐振器具有高品质因子和低损耗的特点，由它作为频控元件组成的振荡器容易起振，但谐振器很难提供敏感膜成膜所需要的区域，对于不需制作化学膜的传感终端，具有较大优势。本实用新型涉及的正是一种应用于不需制作化学膜的传感器的双端对谐振式结构声表面波检测器，以下简称双端对谐振器。
在双端对谐振器中，由于采用谐振结构，在换能器的两端放置反射栅阵，形成谐振腔，声波被限制在谐振腔中，双向损耗极小，因此可获得很低的插入损耗，有利于提高振荡器的频率稳定性。但是，现有技术为了增加谐振器 的敏感区域，将谐振器的叉指换能器之间的间距设置较宽(大于十个波长)，因此导致谐振腔较长，这样谐振腔中能量分布区域大，不够集中。在对微量待测物进行检测时，待测物主要分布在谐振器敏感区域的中心，而现有的长谐振腔的能量分布特点，使得能量不能集中在谐振器中心，导致中心区域的敏感度不够高，难以对微量待测物准确检测。
实用新型内容
本实用新型的目的在于，解决现有技术存在的上述问题。
为了实现上述目的，本实用新型实施例提供了一种双端对谐振式声表面波检测器，包括制作在基片上的的双端对谐振器，在基片上设置有第二叉指换能器，在第二叉指换能器的两侧分别设置第一叉指换能器和第三叉指换能器，第二叉指换能器和第一叉指换能器形成第一间隔，第二叉指换能器和第三叉指换能器形成第二间隔；在第一叉指换能器的另一侧设置有第一金属反射栅阵，在第三叉指换能器的另一侧设置有第二金属反射栅阵。
第一叉指换能器、第二叉指换能器和第三叉指换能器的同步频率相同。
第二叉指换能器和第一叉指换能器形成的第一间隔与第二叉指换能器和第三叉指换能器形成的第二间隔相等，且为第一叉指换能器的波长、第二叉指换能器的波长或第三叉指换能器的波长的0-3.5倍，其中，同步频率与波长的关系为：v＝λ×f，式中v为材料中的声速、f为同步频率以及λ为波长。
优选地，第一叉指换能器、第二叉指换能器、第三叉指换能器、第一金属反射栅阵、第二金属反射栅阵的金属化比相等，金属化比为0.1-0.6。
第一金属反射栅阵和第二叉指换能器形成第三间隔，第二金属反射栅阵与第三叉指换能器形成第四间隔；优选地，第一金属反射栅阵和第二叉指换能器形成的第三间隔与第二金属反射栅阵与第三叉指换能器形成的第四间隔相等，且为第一叉指换能器的波长、第二叉指换能器的波长或第三叉指换能器的波长的0.25-2.5倍。
优选地，基片为36° YX-LiTaO3基片、42° YX-LiTaO3基片、ST-X石英基片、64° YX-LiNbO3基片和41° YX-LiNbO3基片中的一种。
优选地，第一金属反射栅阵和第二金属反射栅阵的同步频率相同。
优选地，第一叉指换能器、第二叉指换能器或第三叉指换能器的同步频率是第一金属反射栅阵或第二金属反射栅阵的同步频率的0.95-1.05倍。
优选地，第一叉指换能器、第二叉指换能器、第三叉指换能器、第一金属反射栅阵和第二金属反射栅阵不加权。
上述声表面波检测器的频率响应曲线中两个纵向模式的能量幅度差距＞10dB，Q值＞2000，插入损耗＜6dB。
本实用新型实施例提供的双端对谐振式声表面波检测器缩短了叉指换能器之间的间距，优化了叉指换能器和金属反射栅阵的金属化比，缩短了谐振腔，使谐振器的能量更加集中，提高了声表面波检测器的检测灵敏度。
附图说明
图1为本实用新型实施例提供的三换能器结构双端对谐振器的结构示意图。
图2为本实用新型实施例提供的三换能器结构双端对谐振器的频率响应曲线。
图3为已有的三换能器结构双端对谐振器的频率响应曲线。
图4为本实用新型实施例提供的三换能器结构双端对谐振器和已有的三换能器结构双端对谐振器的测试响应结果，测试样品为甲基磷酸二甲酯(DMMP)。
具体实施方式
下面通过附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。应理解为该实施例仅仅是用于更详细具体地说明，但并不意于限制本实用新型的保护范围。
图1为本实用新型实施例提供的三换能器结构双端对谐振器的结构示意图。如图1所示，本实施例的双端对谐振式声表面波检测器，包括制作在基片1上的三换能器结构双端对谐振器。该三换能器结构双端对谐振器由一块ST-X石英片作为基片1(Euler角为(0°，132.75°，0°))，并在基片1上平行设置常规的第一叉指换能器2、第二叉指换能器3和第三叉指换能器4，和在基片1上设置两个金属反射栅阵(第一金属反射栅阵5和第二金属反射栅阵6)。第一金属反射栅阵5设置在第一叉指换能器2外侧，并与第一叉指换能器2平行；第二金属反射栅阵6设置在第三叉指换能器4外侧，并与第三叉指换能器4平行。
第一叉指换能器2、第二叉指换能器3、第三叉指换能器4、第一金属反射栅阵5和第二金属反射栅阵6均不加权。
第一叉指换能器2、第二叉指换能器3和第三叉指换能器4的同步频率相等，2个金属反射栅阵同步频率也是相等，叉指换能器的同步频率是金属反射栅阵同步频率的0.95-1.05倍(在该范围之内均可以，同步频率f与波长λ的 关系为：v＝λ×f，v为材料中的声速)。
第一叉指换能器2与第二叉指换能器3之间的间距，即第一间隔7，和第二叉指换能器3和第三叉指换能器4之间的间距，即第二间隔8，相等，且是所述第一叉指换能器2的波长、所述第二叉指换能器3的波长或所述第三叉指换能器4的波长的0-3.5倍(在该范围之内均可以)。
第一金属反射栅阵5与第一叉指换能器2的之间的间距，即第三间隔9，与第二金属反射栅阵6与第三叉指换能器4之间的间距，即第四间隔10相等，且是所述第一叉指换能器2的波长、所述第二叉指换能器3的波长或所述第三叉指换能器4的波长的0.25-2.5倍(在该范围之内均可以)。
因为金属化比直接影响指条的反射系数，换能器之间的间距可以改变两个纵向模式之间的频率差距，所以在具体的实际操作中，应根据基片材料及实际需要，选择合适的金属化比和上述两同步频率的倍数，以及相邻叉指换能器之间的间距和反射栅阵与其相邻叉指换能器之间的间距，以优化谐振器性能。
在本实施例中，为了提高检测器中心区域的灵敏度以及器件Q值，获得低损耗，以及实现两模式之间尽可能大的频率间距和幅度差距，这样需要缩短谐振腔，而且指条需具有较大的反射系数，故其3个叉指换能器和2个金属反射栅阵均采用0.3的金属化比。叉指换能器的同步频率是反射栅阵同步频率的1.003倍，相邻叉指换能器之间的间距相等，即第一间隔7和第二间隔8相等，且为换能器波长的1.5倍。第一反射栅阵5与其相邻的第一叉指换能器2之间的间距和第二反射栅阵6与其相邻的第三叉指换能器4之间的间距相等，为换能器波长的1.25倍。
图2为本实用新型实施例提供的三换能器结构双端对谐振器的频率响 应曲线。
如图2所示，本实施例提供的三换能器结构双端对谐振器的中心频率为512.6MHz，插入损耗为3.8dB，Q值为2092。
图4为本实用新型实施例提供的三换能器结构双端对谐振器和已有的三换能器结构双端对谐振器的测试响应结果。
本实用新型实施例提供的三换能器结构双端对谐振器和已有的三换能器结构双端对谐振器检测同一待测物，该待测物为甲基磷酸二甲酯(DMMP)。检测结果如图4所示，可见本实用新型实施例提供的三换能器结构双端对谐振器的检测灵敏度明显高于已有的三换能器结构双端对谐振器。
本实用新型实施例提供的双端对谐振式声表面波检测器缩短了叉指换能器之间的间距，优化了叉指换能器和金属反射栅阵的金属化比，缩短了谐振腔，使谐振器的能量更加集中，提高了声表面波检测器的检测灵敏度。
以上所述的具体实施方式，对本实用新型的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本实用新型的具体实施方式而已，并不用于限定本实用新型的保护范围，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种双端对谐振式声表面波检测器，包括制作在基片(1)上的双端对谐振器，其特征在于，在所述基片(1)上设置有第二叉指换能器(3)，在所述第二叉指换能器(3)的两侧分别设置第一叉指换能器(2)和第三叉指换能器(4)，所述第二叉指换能器(3)和所述第一叉指换能器(2)形成第一间隔，所述第二叉指换能器(3)和所述第三叉指换能器(4)形成第二间隔；在所述第一叉指换能器(2)的另一侧设置有第一金属反射栅阵(5)，在所述第三叉指换能器(4)的另一侧设置有第二金属反射栅阵(6)；其中，
所述第一叉指换能器(2)、所述第二叉指换能器(3)和所述第三叉指换能器(4)的同步频率相同；
所述第一间隔与所述第二间隔相等，且为所述第一叉指换能器(2)的波长、所述第二叉指换能器(3)的波长或所述第三叉指换能器(4)的波长的0-3.5倍，其中，所述同步频率与所述波长的关系为：v＝λ×f，式中v为材料中的声速、f为所述同步频率以及λ为所述波长。
2.根据权利要求1所述的声表面波检测器，其特征在于，所述第一叉指换能器(2)、所述第二叉指换能器(3)、所述第三叉指换能器(4)、所述第一金属反射栅阵(5)、所述第二金属反射栅阵(6)的金属化比相等，所述金属化比为0.1-0.6。
3.根据权利要求1所述的声表面波检测器，其特征在于，所述第一金属反射栅阵(5)和所述第二叉指换能器(3)形成第三间隔，所述第二金属反射栅阵(6)与所述第三叉指换能器(4)形成第四间隔；
所述第三间隔和所述第四间隔相等，且为所述第一叉指换能器(2)的 波长、所述第二叉指换能器(3)的波长或所述第三叉指换能器(4)的波长的0.25-2.5倍。
4.根据权利要求1所述的声表面波检测器，其特征在于，所述基片(1)为36°YX-LiTaO3基片、42°YX-LiTaO3基片、ST-X石英基片、64°YX-LiNbO3基片和41°YX-LiNbO3基片中的一种。
5.根据权利要求1所述的声表面波检测器，其特征在于，所述第一金属反射栅阵(5)和所述第二金属反射栅阵(6)的同步频率相同；
所述第一叉指换能器(2)、所述第二叉指换能器(3)或所述第三叉指换能器(4)的同步频率是所述第一金属反射栅阵(5)或所述第二金属反射栅阵(6)的同步频率的0.95-1.05倍。
6.根据权利要求1所述的声表面波检测器，其特征在于，所述第一叉指换能器(2)、所述第二叉指换能器(3)、所述第三叉指换能器(4)、所述第一金属反射栅阵(5)和所述第二金属反射栅阵(6)不加权。
7.根据权利要求1-6任意一项所述的声表面波检测器，其特征在于，所述声表面波检测器的频率响应曲线中两个纵向模式的能量幅度差距＞10dB，Q值＞2000，插入损耗＜6dB。
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN107040234A (zh) * | 2016-02-03 | 2017-08-11 | 中国科学院声学研究所 | 一种高灵敏度的双端对谐振式声表面波检测器 |
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2016
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| CN109194302A (zh) * | 2018-07-17 | 2019-01-11 | 中国科学院声学研究所 | 一种声表面波三换能器双端对谐振器 |
| CN109194302B (zh) * | 2018-07-17 | 2022-03-18 | 中国科学院声学研究所 | 一种声表面波三换能器双端对谐振器 |
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