一種高靈敏度的聲表面波加速度傳感器的制造方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及聲學技術中聲表面波加速度傳感器（以下簡稱SAW加速度傳感器），尤 其涉及一種高靈敏度的懸臂梁結構聲表面波加速度傳感器。
【背景技術】
[0002] 基于聲表面波技術的加速度傳感器相對于其他類型如壓阻式加速度傳感器、電容 式加速度傳感器而言具有高靈敏度、制作成本低、抗振動能力好、使用壽命長、環境適應性 強以及良好的穩定性和與可靠性等特點。SAW加速度傳感器結構形式很多，推拉式、套筒式 和懸臂梁式是三種常見的結構設計。其中，推拉式結構雖然結構可靠但加工難度很大，套筒 式結構難以兼顧最小敏感兩和最大量程的要求，而懸臂梁式結構簡單易于加工，且具有較 高的加速度靈敏度（文獻1 :劉駿躍，聲表面波慣性器件傳感檢測技術研宄，西安，西北工業 大學，2006)。
[0003] 作為例子，波蘭華沙軍事科技學院Filipiak教授最先開展了此類傳感器研 宄，對其響應機理、器件結構設計等做了很多工作（文獻2:JerzyFilipiak,Cezary Kopycki:Surfaceacousticwavesforthedetectionofsmallvibrations,Sensors andActuators,Vol. 76, 1999,pp:318-322)。懸臂梁式SAW加速度傳感器基本原理如圖I 所示，主要由制作于壓電基片22表面的SAW器件23和24、作為懸臂梁的壓電基片22、支撐 壓電基片22的基座21以及質量振子25構成。懸臂梁自由端的質量振子25由于受到振動 或者旋轉引起的慣性力或者哥氏力作用時，振動引起懸臂梁沿施力方向產生一個位移，也 就是使得懸臂梁發生彎曲變形，從而改變諧振器兩個叉指換能器間距離以及梁表面應力分 布，由此導致聲傳播時延發生變化。變化的時延導致諧振器電信號的相位變化，相位變化的 頻率與梁的諧振頻率相同，而且相位變化的幅度與梁的振動幅度成正比。通過測量相位變 化，測量梁的諧振頻率以及振動強度。當被測振動頻率遠低于加速度計的固有頻率時，則外 部加速度的變化與被測加速度成正比。然而，Filipiak教授的模型應用于目前高精度加速 度測量仍然存在很多問題，例如：
[0004] 在該文章中提出的懸臂梁尺寸，其固有頻率為22Hz。雖然較低的固有頻率可以提 高傳感器靈敏度，但加速度傳感器大部分應用于測量0-30Hz頻率范圍的振動，以22Hz為固 有頻率的懸臂梁在使用過程中，很容易斷裂導致測量結果失真，使用壽命變短。同時，當振 動頻率變化但加速度值不變時，傳感器的響應不一致。因而要先計算振動頻率，才能根據傳 感器響應推算加速度值的大小。給加速度測量工作增大了很多難度。
[0005] 此外，該文章提到的懸臂梁尺寸為：長65mm、寬3. 5mm、厚0? 45mm，尺寸過大，在實 際應用中不利于安裝。
[0006] 最后，該文章結構的靈敏度8. 5kHz/g，即Ig的加速度變化對應響應頻率變化為 8. 5kHz。在實際應用中，該檢測靈敏度仍舊不夠高，不能滿足實際應用的需要。
【發明內容】
[0007] 本發明的目的旨在解決現有技術中SAW加速度傳感器所存在靈敏度不高的問題， 從而提供一種具有尺寸小、固有頻率高、檢測靈敏度高和良好的溫度穩定性的聲表面波加 速度傳感器。
[0008] 為實現上述目的，本發明提供了一種高靈敏度的聲表面波加速度傳感器。該傳感 器包括壓電基片、質量振子和基座，所述基座和質量振子上均設有凹槽，所述壓電基片的固 定端粘于所述基座上的凹槽內，所述壓電基片的自由端粘于所述質量振子的凹槽內；所述 壓電基片固定端的上表面從左至右依次置有第一雙端諧振器和第二雙端諧振器，第一雙端 諧振器完全置于由所述基座支撐的壓電基片上，第二雙端諧振器的1/2區域置于由所述基 座支撐的壓電基片上，第二雙端諧振器另外的1/2區域置于懸空的壓電基片上，以使第二 雙端諧振器中心區域置于壓電基片受應力最大的位置，提高加速度傳感器的靈敏度。
[0009] 優選地，所述壓電基片為懸臂梁長13毫米，寬2毫米，厚0. 3毫米的懸臂梁結構壓 電基片。
[0010] 進一步優選地，所述懸臂梁結構壓電基片的材料為繞X軸從Z軸向Y軸旋轉 42. 75°的石英。
[0011] 優選地，所述質量振子質量為0.9克。
[0012] 優選地，所述第一雙端諧振器左側端設有第一吸聲膠，第一雙端諧振器與第二雙 端諧振器之間設有第二吸聲膠，第二雙端諧振器右側端設有第三吸聲膠，用于消除叉指換 能器產生的聲表面波的邊緣反射，以減小聲表面波加速度傳感器的邊緣反射引起的時域噪 聲。
[0013] 優選地，所述第一雙端諧振器中從左至右依次置有第一短路柵反射器、第一叉指 換能器、第二叉指換能器和第二短路柵反射器，所述第二雙端諧振器中從左至右依次設有 第三短路柵反射器、第三叉指換能器、第四叉指換能器和第四短路柵反射器。
[0014] 優選地，所述第一雙端諧振器中第一短路柵反射器與第一叉指換能器的間距和 第二叉指換能器與第二短路柵反射器的間距均為1/4X^所述第二雙端諧振器中第三短 路柵反射器與第三叉指換能器的間距和第四叉指換能器與第四短路柵反射器的間距均為 1/4Ax，Ax為沿聲波傳播方向的聲波波長。
[0015] 優選地，所述第一、第二、第三、第四叉指換能器各包括至少2個第一叉指電極對， 所述第一叉指電極對包括2個寬度為1/4Xx，間距為1/4Ax的第一電極，其中X沿聲波 傳播方向的聲波波長。
[0016] 優選地，所述第一、第二、第三、第四短路柵反射器各包括至少2個寬度為1/4AX， 間距為1/4Ax的第二電極，其中Ax為沿聲波傳播方向的聲波波長。
[0017] 優選地，所述第一、第二、第三、第四叉指換能器的電極采用鋁材料，鋁電極膜厚為 1%~1.5%AX，Ax為沿聲波傳播方向的聲波波長。
[0018] 本發明采用了一種懸臂梁結構的ST石英壓電基片，通過重新布置其上的第一雙 端諧振器和第二雙端諧振器在懸臂梁結構壓電基片上的具體位置，調整懸臂梁的長度寬度 厚度及其質量振子的質量來實現一種尺寸小且靈敏度高的聲表面波加速度傳感器。將第一 雙端諧振器和第二雙端諧振器布置在相鄰位置可以更好的抵消溫度效應帶來的影響。第二 雙端諧振器中心區域（即兩個叉指換能器之間的空余區域）置于懸臂梁應力最大點，最大 程度上提高了SAW加速度傳感器的靈敏度。大幅提高質量振子的質量使得懸臂梁長度縮小 為原本的五分之一，更將靈敏度提升為原來的三倍。
【附圖說明】
[0019] 圖1為現有技術的聲表面波加速度傳感器的結構示意圖；
[0020] 圖2a為本發明實施例提供的聲表面波加速度傳感器的俯視結構示意圖；
[0021] 圖2b為本發明實施例提供的聲表面波加速度傳感器的側視結構示意圖；
[0022] 圖2c為本發明實施例提供的聲表面波加速度傳感器懸臂梁參數示意圖；
[0023] 圖3a是本發明實施例提供的聲表面波加速度傳感器中的叉指換能器的結構示意 圖；
[0024] 圖3b是本發明實施例提供的聲表面波加速度傳感器中的短路柵反射器的結構示 意圖；
[0025]圖4是本發明實施例提供的聲表面波加速度傳感器的外部加速度變化與器件頻 率差值變化的實際測試結果。
[0026] 圖面說明如下：
[0027] 1.作為懸臂梁的ST石英壓電基片；
[0028] 2.凹形聚酰亞胺基座；
[0029] 21.現有技術的金屬基座；
[0030] 22.現有技術的ST石英懸臂梁；
[0031] 23.現有技術的第一雙端諧振器；
[0032]24.現有技術的第二雙端諧振器；
[0033]25.現有技術的質量振子
[0034]3.懸臂梁自由端的質量振子；
[0035] 4?第一雙端諧振器；
[0036]41.第一雙端諧振器4的第一叉指換能器；
[0037]41'.第一雙端諧振器4的第二叉指換能器；
[0038]411.叉指換能器的第一叉指電極對；
[0039]42?第一雙端諧振器4的第一短路柵反射器；
[0040] 42'?第一雙端諧振器4的第二短路柵反射器；
[0041] 422.短路柵反射器的第二電極；
[0042]5?第二雙端諧振器；
[0043] 51.第二雙端諧振器5的第三叉指換能器；
[0044] 51' .第二雙端諧振器5的第四叉指換能器；
[0045]52.第二雙端諧振器5的第三短路柵反射器；
[0046]52'.第二雙端諧振器5的第四短路柵反射器；
[0047]61?第一吸聲膠；
[0048]62.第二吸聲膠；
[0049] 63.第三吸聲膠；
【具體實施方式】
[0050] 為了更全面的理解本發明及其優點，下面通過附圖和實施例，對本發明的技術方 案做進一步的詳細描述。
[0051] 如圖2a_2c所示，本發明實施例的高靈敏度加速度傳感器包括：壓電基片1、基座2 和質量振子3。基座2和質量振子3上均設有凹槽，壓電基片1的固定端粘于基座2上的凹 槽內，壓電基片1的自由端粘于質量振子3的凹槽內。壓電基片1固定端的上表面從左至 右依次置有第一雙端諧振器和第二雙端