具有高品質(zhì)因數(shù)的Lamb波傳感器的制造方法
【專利摘要】本案涉及一種具有高品質(zhì)因數(shù)的Lamb波傳感器，包括：襯底層，其具有薄膜層和腐蝕槽；薄膜層所對應(yīng)的區(qū)域為傳感區(qū)，薄膜層以外的襯底層上所對應(yīng)的區(qū)域為非傳感區(qū)；壓電層，其設(shè)置在襯底層上的遠離腐蝕槽的一側(cè)；叉指電極，其設(shè)置在壓電層表面，包括有輸入端和輸出端；反射柵，其設(shè)置在壓電層表面，并位于非傳感區(qū)內(nèi)；其中，反射柵被設(shè)置在叉指電極的兩側(cè)，且位于Lamb波的運動路徑上。本案通過在薄膜以外的區(qū)域添加反射柵結(jié)構(gòu)，并設(shè)計反射柵和IDT的線條之間的間距，實現(xiàn)了Lamb波傳感器品質(zhì)因數(shù)的有效增益；在保證理想幅頻和相頻特性的基礎(chǔ)上，達到Lamb波傳感器品質(zhì)因數(shù)增益的目的，從而有效降低傳感器測試的檢測限。
【專利說明】
具有高品質(zhì)因數(shù)的Lamb波傳感器
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及一種Lamb波傳感器，特別涉及一種具有高品質(zhì)因數(shù)的Lamb波傳感器。
【背景技術(shù)】
[0002]傳感器的品質(zhì)因數(shù)(Q值)用來表征器件聲波能量的損失，Q值越大代表傳感器插入損耗越小，相應(yīng)的器件測試的信噪比越大，從而有效降低傳感器測試的檢測限，因此品質(zhì)因數(shù)的增益一直是傳感器優(yōu)化設(shè)計的重點方向。
[0003]Lamb波傳感器作為薄膜壓電傳感器的一種，相比常規(guī)石英晶體微天平(QCM)和表面聲波傳感器(SAW)兩類器件能獲取更低的檢測限，同時該傳感器由于電極和樣品測試區(qū)域位于薄膜的兩側(cè)，便于進行液體樣品的測試，可廣泛應(yīng)用于生物制藥、食品質(zhì)量、水質(zhì)安全等多個領(lǐng)域。目前，延遲線型Lamb波傳感器應(yīng)用最廣泛，主要原因在于薄膜聲速的大小可通過薄膜的厚度和叉指電極(IDT)的參數(shù)決定，但是該類Lamb波傳感器的薄膜聲波遇到側(cè)面“±裔壁”時，即腐蝕槽的側(cè)壁，能量損耗部分被吸收，其余部分則以聲表面波的形式在側(cè)墻壁的表面?zhèn)鞑?，導致了器件的Q值一定程度的降低。
[0004]SAW諧振器理論表明，叉指電極所激發(fā)的聲表面波，入射到以一定周期放置的反射柵時，滿足布拉格諧振頻率的入射波和反射波相干疊加，然后在輸出IDT中得到相應(yīng)的窄帶輸出波形，這種添加反射柵的方法可理解為代表一種能量的增強方式，可有效提高器件諧振區(qū)域的Q值。目前涉及Lamb波傳感器測試的文獻中有涉及采用反射柵和IDT—起置于薄膜區(qū)域內(nèi)的方法，該種方法試圖通過薄膜區(qū)域的諧振方式實現(xiàn)品質(zhì)因數(shù)的增益。但是該方法有兩個主要缺點:I)薄膜區(qū)域發(fā)生諧振時反射柵和叉指電極同時振動，會影響IDT傳輸信號的穩(wěn)定反射，尤其反射柵作為非傳感區(qū)域一同振動，不利于能量的有效增強;2)相同面積的薄膜區(qū)域，反射柵與IDT同時覆蓋相比IDT單獨覆蓋，勢必出現(xiàn)IDT的數(shù)量變少或者線條尺寸變細的現(xiàn)象，而IDT的數(shù)量變少會導致信號的諧振強度變?nèi)酰€條尺寸變細則加大了器件制作工藝的難度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本案提出一種具有高品質(zhì)因數(shù)的Lamb波傳感器，其通過在薄膜以外的區(qū)域添加反射柵結(jié)構(gòu)，反射柵邊界條件得到限制實現(xiàn)IDT傳輸信號穩(wěn)定的反射過程，并設(shè)計反射柵和IDT的線條之間的間距，實現(xiàn)Lamb波傳感器品質(zhì)因數(shù)的有效增益。
[0006]為實現(xiàn)上述目的，本案通過以下技術(shù)方案實現(xiàn):
[0007]—種具有高品質(zhì)因數(shù)的Lamb波傳感器，其包括:
[0008]襯底層，其具有一個經(jīng)刻蝕后形成的薄膜層，被刻蝕的區(qū)域形成一個腐蝕槽;薄膜層所對應(yīng)的區(qū)域為傳感區(qū)，薄膜層以外的襯底層上所對應(yīng)的區(qū)域為非傳感區(qū)；
[0009]壓電層，其設(shè)置在所述襯底層上的遠離所述腐蝕槽的一側(cè)；
[0010]叉指電極，其設(shè)置在所述壓電層表面，并位于所述傳感區(qū)內(nèi)；所述叉指電極包括有輸入端和輸出端；
[0011]反射柵，其設(shè)置在所述壓電層表面，并位于所述非傳感區(qū)內(nèi)；
[0012]其中，所述反射柵被設(shè)置在所述叉指電極的兩側(cè)，且位于Lamb波的運動路徑上。
[0013]優(yōu)選的是，所述的具有高品質(zhì)因數(shù)的Lamb波傳感器，其中，所述叉指電極的外沿距離所述反射柵的外沿的最小距離D = AX (n+1/2)，其中，λ為Lamb波的波長;η為整數(shù)，且η彡O。
[0014]優(yōu)選的是，所述的具有高品質(zhì)因數(shù)的Lamb波傳感器，其中，所述壓電層上還設(shè)置有地電極。
[0015]優(yōu)選的是，所述的具有高品質(zhì)因數(shù)的Lamb波傳感器，其中，所述叉指電極為等寬叉指電極，且相鄰叉指之間的間隙距離為λΧ 1/4，其中，λ為Lamb波的波長。
[0016]優(yōu)選的是，所述的具有高品質(zhì)因數(shù)的Lamb波傳感器，其中，所述反射柵中每個柵與柵之間的間距<所述叉指電極的線條寬度。
[0017]優(yōu)選的是，所述的具有高品質(zhì)因數(shù)的Lamb波傳感器，其中，所述反射柵中每個柵的寬度<所述叉指電極的線條寬度。
[0018]本發(fā)明的有益效果是:本案通過在薄膜以外的區(qū)域添加反射柵結(jié)構(gòu)，并設(shè)計反射柵和IDT的線條之間的間距，實現(xiàn)了 Lamb波傳感器品質(zhì)因數(shù)的有效增益;在保證理想幅頻和相頻特性的基礎(chǔ)上，達到Lamb波傳感器品質(zhì)因數(shù)增益的目的，從而有效降低傳感器測試的檢測限。
【附圖說明】
[0019]圖1為具有高品質(zhì)因數(shù)的Lamb波傳感器的截面圖。
[0020]圖2為具有高品質(zhì)因數(shù)的Lamb波傳感器的俯視圖。
[0021 ]圖3為一種帶有假指的變跡IDT方式的Lamb波傳感器的俯視圖。
[0022]圖4為一種單端諧振方式的IDT方式的Lamb波傳感器的俯視圖。
[0023]圖5為一種叉指電極沿薄膜寬度方向進行覆蓋的Lamb波傳感器的俯視圖。
【具體實施方式】
[0024]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步的詳細說明，以令本領(lǐng)域技術(shù)人員參照說明書文字能夠據(jù)以實施。
[0025]如圖1和圖2所不，本案列出一實施例的具有尚品質(zhì)因數(shù)的Lamb波傳感器，其包括:
[0026]襯底層I，其具有一個經(jīng)刻蝕后形成的薄膜層2，被刻蝕的區(qū)域形成一個腐蝕槽3;薄膜層2所對應(yīng)的區(qū)域為傳感區(qū)10，薄膜層2以外的襯底層I上所對應(yīng)的區(qū)域為非傳感區(qū)11;
[0027]壓電層4，其設(shè)置在襯底層I上的遠離腐蝕槽3的一側(cè)；
[0028]叉指電極5，其設(shè)置在壓電層4表面，并位于傳感區(qū)10內(nèi)；叉指電極5包括有輸入端6和輸出端7;
[0029]反射柵8，其設(shè)置在壓電層4表面，并位于非傳感區(qū)11內(nèi)；
[0030]其中，反射柵8被設(shè)置在叉指電極5的兩側(cè)，且位于Lamb波的運動路徑上。
[0031 ] Lamb波傳感器是采用MEMS體硅工藝從硅片反面刻蝕去除大部分的硅襯底材料，以便在壓電振蕩堆的下表面形成空氣交界面，從而將聲波限制于壓電振蕩堆之內(nèi)。該器件通過硅基襯底背面進行干法或濕法刻蝕獲得薄膜層，該薄膜層區(qū)域硅基厚度通?？刂圃?-20微米的范圍，然后在硅基襯底上沉積壓電層和叉指電極，Lamb波傳感器的工作原理為:叉指電極輸入端獲取電信號后，在薄膜處壓電薄膜產(chǎn)生逆壓電效應(yīng)將電信號轉(zhuǎn)變?yōu)闄C械能進行傳播，后由壓電薄膜的正壓電效應(yīng)，機械能轉(zhuǎn)化為電能，并經(jīng)叉指電極輸出端引出電信號。
[0032]現(xiàn)有的Lamb波傳感器的薄膜聲波遇到側(cè)面“墻壁”時，能量損耗部分被吸收，其余部分則以聲表面波的形式在側(cè)墻壁的表面?zhèn)鞑?，導致了器件的Q值一定程度的降低。SAW諧振器理論表明，叉指電極IDT所激發(fā)的聲表面波，入射到以一定周期放置的反射柵時，滿足布拉格諧振頻率的入射波和反射波相干疊加，然后在輸出IDT中得到相應(yīng)的窄帶輸出波形，這種添加反射柵的方法可理解為代表一種能量的“回收”方式，可有效提高器件諧振區(qū)域的Q值。因此，為了獲取較為理想的幅頻和相頻曲線，在上述實施例中，叉指電極5的外沿距離反射柵8的外沿的最小距離D = XX (n+1/2)，其中，λ為Lamb波的波長;η為整數(shù)，且η彡O。
[0033]在上述實施例中，壓電層4上還優(yōu)選設(shè)置有地電極9。地電極9通常是沉積壓電層之前沉積的一層金屬薄膜，如鋁、鎢、鉑、鉬等，通過壓電層和上電極IDT的圖形化實現(xiàn)該電極能夠引出，相比無地電極可獲取更高的機電耦合系數(shù)。
[0034]在上述實施例中，叉指電極5優(yōu)選為等寬叉指電極，且相鄰叉指之間的間隙距離為λ X I/4，其中，λ為Lamb波的波長。
[0035]在上述實施例中，反射柵8中每個柵與柵之間的間距< 叉指電極5的線條寬度。
[0036]在上述實施例中，反射柵8中每個柵的寬度<叉指電極5的線條寬度。
[0037]本案所用的叉指電極5并不局限于圖2所示的情形，它還可以是圖3-5所示出的情形。圖3為帶有假指的變跡IDT方式，可用于減少因IDT 二階效應(yīng)中波陣面的畸變所導致的器件性能下降的影響。圖4為一種單端諧振方式的IDT方式，叉指電極覆蓋整個傳感區(qū)域。圖5中叉指電極沿薄膜寬度方向進行覆蓋薄膜。
[0038]盡管本發(fā)明的實施方案已公開如上，但其并不僅僅限于說明書和實施方式中所列運用，它完全可以被適用于各種適合本發(fā)明的領(lǐng)域，對于熟悉本領(lǐng)域的人員而言，可容易地實現(xiàn)另外的修改，因此在不背離權(quán)利要求及等同范圍所限定的一般概念下，本發(fā)明并不限于特定的細節(jié)和這里示出與描述的圖例。
【主權(quán)項】
1.一種具有高品質(zhì)因數(shù)的Lamb波傳感器，其特征在于，包括: 襯底層，其具有一個經(jīng)刻蝕后形成的薄膜層，被刻蝕的區(qū)域形成一個腐蝕槽;薄膜層所對應(yīng)的區(qū)域為傳感區(qū)，薄膜層以外的襯底層上所對應(yīng)的區(qū)域為非傳感區(qū)； 壓電層，其設(shè)置在所述襯底層上的遠離所述腐蝕槽的一側(cè)； 叉指電極，其設(shè)置在所述壓電層表面，并位于所述傳感區(qū)內(nèi)；所述叉指電極包括有輸入端和輸出端； 反射柵，其設(shè)置在所述壓電層表面，并位于所述非傳感區(qū)內(nèi)； 其中，所述反射柵被設(shè)置在所述叉指電極的兩側(cè)，且位于Lamb波的運動路徑上。2.如權(quán)利要求1所述的具有高品質(zhì)因數(shù)的Lamb波傳感器，其特征在于，所述叉指電極的外沿距離所述反射柵的外沿的最小距離D = AX (n+1/2)，其中，λ為Lamb波的波長;η為整數(shù)，且 η^Ο。3.如權(quán)利要求1所述的具有高品質(zhì)因數(shù)的Lamb波傳感器，其特征在于，所述壓電層上還設(shè)置有地電極。4.如權(quán)利要求1所述的具有高品質(zhì)因數(shù)的Lamb波傳感器，其特征在于，所述叉指電極為等寬叉指電極，且相鄰叉指之間的間隙距離為λΧ 1/4，其中，λ為Lamb波的波長。5.如權(quán)利要求1所述的具有高品質(zhì)因數(shù)的Lamb波傳感器，其特征在于，所述反射柵中每個柵與柵之間的間距<所述叉指電極的線條寬度。6.如權(quán)利要求1所述的具有高品質(zhì)因數(shù)的Lamb波傳感器，其特征在于，所述反射柵中每個柵的寬度<所述叉指電極的線條寬度。
【文檔編號】G01N29/00GK106053595SQ201610316204
【公開日】2016年10月26日
【申請日】2016年5月13日
【發(fā)明人】周連群, 李傳宇, 郭振, 姚佳, 張威, 孔慧
【申請人】中國科學院蘇州生物醫(yī)學工程技術(shù)研究所, 蘇州國科芯感醫(yī)療科技有限公司