CN210037709U - 一种新型声表面波传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种新型声表面波传感器，包括压电基板，压电基板上部两侧分别设置有输入叉指式换能器和输出叉指式转化器，压电基板上设置有二氧化硅阵列，二氧化硅阵列位于输入叉指式换能器和输出叉指式转化器之间的感应区，二氧化硅阵列与感应区波传播方向垂直，二氧化硅阵列的长度与输入叉指式换能器和输出叉指式转化器相等，二氧化硅阵列包括等间距平行设置的二氧化硅单元，二氧化硅单元的形状为长方体形。本实用新型提供的一种新型声表面波传感器，能够减少表面波在传播过程中在垂直方向上的损耗，进而提升压电介质的应变产生电位移，改善声表面波传感器性能。

Description

一种新型声表面波传感器

技术领域

本实用新型涉及一种新型声表面波传感器，属于半导体传感器领域。

背景技术

声表面波器件可用于RF滤波器，模拟信号处理元件，相关器，陀螺仪和传感器的设计。基于声表面波原理的气体传感器提供了气体分析物的成本有效，无标记和直接检测手段。由于分析物的质量加载而在装置表面上发生的任何扰动产生波的频率或速度的变化，其可以使用诸如网络分析器的电子设备实时监测和测量。

声表面波(SAW)装置由交错电极组成，该交错电极称为在压电层或基板上光刻图案化的叉指式换能器(IDT)。由于反压电效应，向叉指式换能器施加时变电信号导致从叉指式换能器的任一侧发射表面波。产生的表面波的速度和模式取决于用作衬底的压电晶体的取向。声表面波的速度是电磁波的10^-5倍，并且它能够设计在低功率水平下在高频下工作的小波长紧凑装置。由于声表面波的能量局限于表面，与相同频率下传播的电磁波相比，它的衰减非常小。

但是，叉指式换能器发射表面波在传播过程中在垂直方向上会有损耗，会降低压电介质的应变产生电位移，最终影响声表面波传感器的性能。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是，克服现有技术的缺陷，提供一种能够减少表面波在传播过程中在垂直方向上的损耗，进而提升压电介质的应变产生电位移，改善声表面波传感器性能的新型声表面波传感器。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案为：

一种新型声表面波传感器，包括压电基板，所述压电基板上部两侧分别设置有输入叉指式换能器和输出叉指式转化器，所述压电基板上设置有二氧化硅阵列，所述二氧化硅阵列位于所述输入叉指式换能器和输出叉指式转化器之间的感应区，所述二氧化硅阵列与感应区波传播方向垂直，所述二氧化硅阵列的长度与所述输入叉指式换能器和输出叉指式转化器相等，所述二氧化硅阵列包括等间距平行设置的二氧化硅单元，所述二氧化硅单元的形状为长方体形。

两个相邻所述二氧化硅单元之间的间隔为3微米。

所述二氧化硅单元的高度为0.05微米至3.5微米。

所述二氧化硅单元的高度为1.1微米。

所述压电基板的材质为钽酸锂。

所述二氧化硅单元的个数为6个。

本实用新型的有益效果：本实用新型提供的一种新型声表面波传感器，在现有的声表面波传感器基础上，添加一层二氧化硅结构，成本低、加工工艺稳定，易于批量生产。二氧化硅阵列位于发射端和接收端叉指电极之间的感应区，增加协助钽酸锂产生的水平剪切波的振动，减少该波在传播过程中在垂直方向上的损耗，并利用其共振效应使得声表面波的传播时集中在表面，进而提升压电介质的应变产生电位移，进而改善声表面波传感器的性能。

附图说明

图1是本实用新型的一种新型声表面波传感器的结构示意图；

图2是本实用新型仿真时建立的工作平面示意图；

图3是本实用新型的3D仿真图；

图4～图6分别是3D仿真在5ns，10ns，15ns时的应力图；

图7是当二氧化硅阵列高度为0.5微米时的输入与输出电压；

图8是当二氧化硅阵列高度为0.5微米时的电位移；

图9是当二氧化硅阵列高度为1.1微米，1.55微米，1.95微米时的电位移对比；

图10是二氧化硅阵列高度从0.05微米到3.5微米时的电位移差对比图。

图中附图标记如下：1-压电基板；2-输入叉指式换能器；3-输出叉指式转化器；4-二氧化硅阵列；41-二氧化硅单元。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步描述，以下实施例仅用于更加清楚地说明本实用新型的技术方案，而不能以此来限制本实用新型的保护范围。

如图1所示，本实用新型提供一种新型声表面波传感器，包括压电基板1，压电基板1的材质为钽酸锂。压电基板1上部两侧分别设置有输入叉指式换能器2和输出叉指式转化器3，压电基板1上设置有二氧化硅阵列4，二氧化硅阵列4位于输入叉指式换能器2和输出叉指式转化器3之间的感应区，二氧化硅阵列4与感应区波传播方向垂直，二氧化硅阵列4的长度与输入叉指式换能器2和输出叉指式转化器3相等，二氧化硅阵列4包括等间距平行设置的二氧化硅单元41，二氧化硅单元41的个数为6个。二氧化硅单元41的形状为长方体形。

新型声表面波传感器采用钽酸锂材料，产生的是水平剪切波，在其表面镀一层沿波传播方向垂直的二氧化硅阵列。通过二氧化硅阵列可以将水平剪切波集中在表面，减少传播过程中的损失。声表面波器件在工作过程中可以获得更大的位移变化，即可以检测出更大灵敏度的相位变化。

本实用新型性能仿真采用COMSOL软件，由于该器件的完整模型较大，由于从横向观察声表面波波形，波形并没有特别大的区别。为了便于减少计算量，并且保证仿真的准确度，可以用很薄的3D模型来仿真。声表面波器件的叉指式换能器的个数可以有很多，在模拟仿真时，可以对叉指式换能器设置边界条件，用少量叉指式换能器来代替多对叉指式换能器，使仿真得到进一步的化简，更加节约仿真时间，仿真效率也更高。

设计模拟仿真所提出的装置的3D几何结构是在压电基板上制造具有零厚度和3微米宽度的铝的无质量输入和输出叉指式换能器电极，其产生在x方向上传播的波长λ等于12微米的声表面波。输入叉指式换能器2和输出叉指式换能器3之间的中心间距是5λ。在输入和输出叉指式换能器之间形成间隔3微米，宽度3微米且长度与输入叉指式换能器2和输出叉指式换能器3长度相等的二氧化硅阵列4，二氧化硅单元41的高度为0.05微米至3.5微米。二氧化硅单元41的高度在0.05微米至3.5微米之间变化，目的是为了找出最佳高度，使性能得到最好，其性能的测试用其电位移的大小来进行。

如图2和图3所示，在CONSOL软件中建立该3D模型时，首先选择压电器件物理场，添加瞬态研究。然后在几何中建立工作平面，建立器件表面的2D表面，再通过拉伸操作，将该模型转化为3D。通过将二氧化硅阵列的高度参数变化设置来对不同高度下的性能进行分析。

本实用新型中一种新型声表面波传感器的仿真流程的具体步骤如下所示：

1、建立物理场与研究：选择COMSOL中压电器件物理场和瞬态研究。

2、建立平面几何模型：先建立模拟器件表面的工作平面。

3、建立三维几何模型：首先对钽酸锂基底进行拉伸操作为2.5个波长，在对二氧化硅阵列进行拉伸操作，设定其高度参数为H。

4、参数化扫描：将H的初始值设为0.05微米，停止值为2.5微米，步长为0.05微米，瞬态时间为0ns-40ns，步长为0.05ns。

5、模拟仿真：如图4到图6所示，经过长时间的运算，得出响应的应力，输入输出波形和电位移图。同时仿真器件在没有二氧化硅阵列时的响应。图7是当二氧化硅阵列高度为0.5微米时的输入与输出电压，图8是当二氧化硅阵列高度为0.5微米时的电位移，图9是当二氧化硅阵列高度为1.1微米，1.55微米，1.95微米时的电位移对比。

6、数据处理。如图10所示，对0.05微米到3.5微米之间的70组数据分别处理，并分别与无二氧化硅阵列时的位移进行对比，得出最佳高度的值为1.1微米，且高于没有设置二氧化硅序列的原本声表面波传感器的位移。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。

Claims (6)

1.一种新型声表面波传感器，其特征在于：包括压电基板(1)，所述压电基板(1)上部两侧分别设置有输入叉指式换能器(2)和输出叉指式转化器(3)，所述压电基板(1)上设置有二氧化硅阵列(4)，所述二氧化硅阵列(4)位于所述输入叉指式换能器(2)和输出叉指式转化器(3)之间的感应区，所述二氧化硅阵列(4)与感应区波传播方向垂直，所述二氧化硅阵列(4)的长度与所述输入叉指式换能器(2)和输出叉指式转化器(3)相等，所述二氧化硅阵列(4)包括等间距平行设置的二氧化硅单元(41)，所述二氧化硅单元(41)的形状为长方体形。

2.根据权利要求1所述的一种新型声表面波传感器，其特征在于：两个相邻所述二氧化硅单元(41)之间的间隔为3微米。

3.根据权利要求1所述的一种新型声表面波传感器，其特征在于：所述二氧化硅单元(41)的高度为0.05微米至3.5微米。

4.根据权利要求3所述的一种新型声表面波传感器，其特征在于：所述二氧化硅单元(41)的高度为1.1微米。

5.根据权利要求1所述的一种新型声表面波传感器，其特征在于：所述压电基板(1)的材质为钽酸锂。

6.根据权利要求1所述的一种新型声表面波传感器，其特征在于：所述二氧化硅单元(41)的个数为6个。

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