雙敏感源聲表面波傳感器的制造方法
【專利摘要】一種雙敏感源的聲表面波傳感器，屬于電子功能材料與器件【技術領域】。該傳感器包括襯底基片，所述襯底基片為LGS襯底基片，襯底基片上設置有界面諧振器及AlN薄膜層，AlN薄膜層完全覆蓋界面諧振器，AlN薄膜層上設置有表面諧振器，且表面諧振器在豎直方向的投影與界面諧振器的豎直投影重合，所述界面諧振器與表面諧振器皆為聲表面波諧振器，聲表面波諧振器中的金屬薄膜電極的材質為耐高溫金屬。器件結構簡單，能夠同時對應力及溫度進行有效監測，由于材質為LGS、AlN及耐高溫金屬，因而可適用于高溫復雜環境，無源無線，穩定性強。本發明適用于對應力和溫度同時進行監測。
【專利說明】
【技術領域】
[0001] 本發明屬于電子功能材料與器件【技術領域】，涉及一種雙敏感源的聲表面波傳感 器，尤其是基于LGS與A1N相復合的、同時監測應力和溫度的雙敏感源的聲表面波傳感器。 雙敏感源聲表面波傳感器
【背景技術】
[0002] 聲表面波，泛指在彈性體自由表面產生并限制在表面或者界面附近傳播的各種模 式的波。基于聲表面波技術所制作的器件因其具有尺寸小、價格低廉、工藝簡單、性能優良 等特點，故在無線通信系統中得到廣泛的應用。聲表面波傳感器中利用聲表面波器件作為 換能或傳感元件，通過傳感器感知外界因素如溫度、壓力、氣氛、化學環境、加速度等的變 化，換能器將之轉變為電學信號的變化，從而達到監測的目的。聲表面波傳感器具有高精 度、高敏感度、可靠性高、動態響應快、無源無線等特點，因此被廣泛應用于汽車、能源、航空 航天等領域。聲表面波諧振器一般由一個叉指換能器（interdigital transducer，IDT)以 及位于叉指換能器兩側的反射柵陣組成。IDT由若干金屬薄膜電極構成，這些薄膜電極相 互交叉布置，形狀如雙手手指交叉平放狀，故取名為叉指電極。叉指換能器的周期即為聲表 面波傳播周期。則諧振器的諧振頻率為f= υ/λ，其中λ為聲波傳播周期長度，一般為 4倍叉指寬度；ν為聲表面傳播速度。
[0003] LGS(Langasite，娃酸鎵鑭）是一種壓電單晶材料，其機電稱合系數高達0· 4%，溫 度穩定性良好，工作溫度較高，能在l〇〇〇°C的環境下正常工作。AIN (Aluminum nitride， 氮化鋁）是一種壓電薄膜材料，一般采用中頻或者射頻濺射技術生長，具有高熱導率、高硬 度、高熔點、高化學穩定性、熱膨脹系數低等特點，且其在所有無機非鐵電的壓電材料中，擁 有最高的聲表面波傳播速度，因此，A1N被廣泛應用于制作高頻的聲表面波器件。
[0004] 目前常見的聲表面波傳感器通常只能針對單一的敏感源進行監測傳感即單敏感 源的聲表面波傳感器，其具體結構為在LGS襯底基片上設置有設置有聲表面波諧振器及 A1N薄膜層，A1N薄膜層完全覆蓋聲表面波諧振器。然而，若需要對多個參量進行監測，則需 要多個不同的傳感器同時進行測量，這樣增加了系統設計的復雜程度與難度，因為無法在 相同位置同時對多個參量進行測量。而對多個尤其是兩個敏感源進行監測傳感的應用，對 復雜、惡劣環境中運作的機械零件的疲勞程度監測中尤為重要，如：渦輪機轉軸的監測、飛 機發動機葉片的監測等。因此亟需一種能夠同時監測兩個敏感源的聲表面波傳感器。
【發明內容】
[0005] 為了克服現有聲表面波傳感器只能對單一的敏感源進行監測傳感的局限性，本發 明提供一種雙敏感源的聲表面波傳感器。
[0006] 本發明解決其技術問題所采用的技術方案是：雙敏感源的聲表面波傳感器，包括 襯底基片，所述襯底基片為LGS襯底基片，襯底基片上設置有界面諧振器及A1N薄膜層，A1N 薄膜層完全覆蓋界面諧振器，A1N薄膜層上設置有表面諧振器，且表面諧振器在堅直方向的 投影與界面諧振器的堅直投影重合，所述界面諧振器與表面諧振器皆為聲表面波諧振器， 聲表面波諧振器中的金屬薄膜電極的材質為耐高溫金屬。
[0007] 具體的，所述界面諧振器與表面諧振器相同。
[0008] 具體的，耐高溫金屬為金或鉬。
[0009] 進一步的，所述A1N薄膜層的厚度大于1個SAW波長。
[0010] 本發明的有益效果是：本發明的結構相較于現有技術的聲表面波傳感器而言，器 件結構簡單，能夠同時對應力及溫度進行有效監測，由于材質為LGS、A1N及耐高溫金屬1， 因而可適用于高溫復雜環境，無源無線，穩定性強。本發明適用于聲表面波傳感器。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0011] 圖1是本發明中雙敏感源的聲表面波傳感器的結構示意圖；
[0012] 圖2是本發明中雙敏感源的聲表面波傳感器的制備方法流程示意圖；
[0013] 其中，1為表面諧振器，2為界面諧振器，3為LGS襯底基片，4為A1N薄膜層。
【具體實施方式】
[0014] 下面結合附圖，詳細描述本發明的技術方案。
[0015] 如圖1所示，本發明的雙敏感源的聲表面波傳感器，包括LGS襯底基片3，其上設置 有界面諧振器2及A1N薄膜層4, A1N薄膜層4完全覆蓋界面諧振器2, A1N薄膜層4上設置 有表面諧振器1，且表面諧振器1在堅直方向的投影與界面諧振器2的堅直投影重合，所述 界面諧振器1與表面諧振器1皆為相同的聲表面波諧振器，聲表面波諧振器中的金屬薄膜 電極的材質為金。
[0016] A1N薄膜與LGS襯底基片具有不同的聲表面波傳播特性，因此其對應力和溫度的 響應不同。所述A1N薄膜層4的厚度大于1個SAW波長，以保證位于A1N薄膜表面的表面 諧振器1由于膜厚的原因，幾乎不受位于A1N薄膜下層的界面諧振器2的影響，其諧振頻率 為A = νΑ1Ν/ λ ( uA1N為聲表面波在A1N薄膜中的傳播速度）。而位于LGS襯底基片與A1N 薄膜之間的界面諧振器2,會分別在兩種材料中激勵聲波，而后這兩個聲波會產生耦合，形 成一個類似于聲表面波傳播模式的聲波，這種聲波的聲速介于LGS與A1N兩種材料中聲表 面波的波速之間，并被限制于LGS與A1N接觸面附近傳播。從而產生出與表面A1N不同諧 振頻率的諧振，諧振頻率為f 2 = v_pling/ λ。而與f2在收到外界應力或者溫度變化時， 會以不同的規律發生變化，通過監測分析這兩種變化，得到動態響應，從而計算出應力與溫 度的變化值，達到同時探測雙物理參量的目的。
[0017] 對本聲表面波傳感器施加應力變量和溫度變量，界面諧振器2與表面諧振器1的 頻率發生漂移。設表面諧振器1對溫度及應力的響應系數為，界面諧振器2對溫度及 應力的
[0018] 響應系數為a2、b2，溫度變量為S，應力變量為T，則兩個頻率的變化可以表示為：
[0019] Δ fx = a^+b^,
[0020] Δ f2 = a2T+b2S
[0021] 而％、％、131、132、八&、八4可以通過測量得到，因此，可以通過計算得出溫度與應 力的變化。
[0022] 金（Au)為耐高溫材料，因此本發明中的傳感器可適用于復雜高溫環境中。
[0023] 如圖2所示，本發明中的雙敏感源的聲表面波傳感器的制備方法，包括以下步驟：
[0024] A.在LGS襯底基片上鍍一層金，在金層上旋涂光刻膠，經過圖形化曝光處理之后， 形成作為界面諧振器的聲表面波諧振器，其包括一個叉指換能器及兩側的反射柵陣組成， 叉指換能器的電極材料為金；
[0025] B.在LGS襯底基片上濺射沉積厚度大于1個SAW波長的A1N薄膜，且使得A1N薄 膜完全覆蓋界面諧振器；
[0026] C.在A1N薄膜上表面鍍一層金，在其表面旋涂光刻膠，在界面諧振器投影到A1N薄 膜上表面的位置設置圖形，經過曝光處理之后，形成聲表面波諧振器并去掉多余部分制造 成表面諧振器，即使得表面諧振器在堅直方向的投影與界面諧振器的堅直投影重合。
【權利要求】
1. 雙敏感源的聲表面波傳感器，包括襯底基片，其特征在于，所述襯底基片為LGS襯底 基片，襯底基片上設置有界面諧振器及A1N薄膜層，A1N薄膜層完全覆蓋界面諧振器，A1N 薄膜層上設置有表面諧振器，且表面諧振器在堅直方向的投影與界面諧振器的堅直投影重 合，所述界面諧振器與表面諧振器皆為聲表面波諧振器，聲表面波諧振器中的金屬薄膜電 極的材質為耐高溫金屬。
2. 如權利要求1所述的雙敏感源的聲表面波傳感器，其特征在于，所述界面諧振器與 表面諧振器相同。
3. 如權利要求1所述的雙敏感源的聲表面波傳感器，其特征在于，耐高溫金屬為金或 鉬。
4. 根據權利要求1至3中任意一項所述的雙敏感源的聲表面波傳感器，其特征在于，所 述A1N薄膜層的厚度大于1個SAW波長。
【文檔編號】G01L1/25GK104101451SQ201410339943
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2014年7月17日 優先權日:2014年7月17日
【發明者】劉興釗, 舒琳, 彭斌, 張萬里, 王瑜, 李川 申請人:電子科技大學