集成有天線結構的聲表面波作用力傳感器的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種集成有天線結構的聲表面波作用力傳感器，壓電基底(1)為圓柱形結構，壓電基底(1)的一個端面上設有凹槽，叉指換能器IDT(4)和反射柵(5)位于凹槽之中；叉指換能器IDT(4)位于凹槽的中部，反射柵(5)分別位于叉指換能器IDT(4)的兩側，叉指換能器IDT(4)的兩端與電極面(2)相連，電極面(2)呈扇形并延伸到壓電基底(1)的端面邊緣，電極面(2)之間的壓電基底(1)端面上設置有天線圖形(3)。本實用新型將天線結構與SAW器件進行集成，使得SAW器件的信號可以直接通過天線發射出去，大大減小了器件的尺寸，拓展了SAW作用力傳感器的使用范圍，可以有效用于惡劣環境的作用力測量之中。
【專利說明】
集成有天線結構的聲表面波作用力傳感器
技術領域
[0001]本實用新型涉及一種聲表面波作用力傳感器，特別涉及一種集成有天線結構的聲表面波作用力傳感器。
【背景技術】
[0002]聲表面波(surface acoustic wave，SAW)是英國物理學家瑞利在19世紀80年代研究地震波的過程中偶爾發現的一種能量集中于地表面傳播的聲波。聲表面波是一種在固體淺表面傳播的彈性波，它存在若干模式，主要包括Rayleigh波、Love波、Lamb波、B2G波、漏剪切聲表面波以及快速聲表面波模式的準縱漏聲表面波等。
[0003]1965年，美國懷特和沃爾特默發表題為“一種新型聲表面波聲——電轉化器”的論文，取得了聲表面波技術的關鍵性突破，首次采用叉指換能器IDT激發SAW，加速了聲表面波技術的發展。SAW傳感器是電子技術與材料科學相結合的產物，它由SAW振蕩器、敏感的界面膜材料和振蕩電路組成，SAW傳感器的核心部件是SAW振蕩器，由壓電材料基片和沉積在基片上不同功能的叉指換能器所組成，有延遲線型(DL型)和諧振器型(R型)兩種。
[0004]SAW傳感器是繼陶瓷、半導體等傳感器的一支后起之秀。與傳統傳感器相比，它具有性能高、體積小、能承受極端工作條件(如高溫、強電磁輻射)等優點。此外，SAW傳感器可實現無源化，無須外部供電，這使得它比傳統的傳感器更能勝任無接觸測量，例如:高速轉子、快速移動物體以及密封物體內部等各種條件下的物理化學參數檢測。由于叉指換能器可與射頻輻射天線直接相連，達到收發射頻信號的目的，所以能直接完成無線應用，大大簡化了 SAW傳感器節點的結構。最簡單的SAW傳感器節點僅由聲表面波壓電編碼傳感單元芯片和直接相連的天線組成，成本低，適于推廣應用。
[0005]由于聲表面波聲速比電磁波光速低許多，聲表面波傳播4mm距離，即可延時一微秒左右。一微秒延遲時間，足以避免近距(〈100米)內射頻多次反射雜波的干擾，大大提高了有效回波的信噪比，有利于增加反射延遲型SAW傳感器的讀寫距離或減小讀寫器的射頻輻射功率。
[0006]SAW傳感器可工作于較寬的環境溫度范圍。采用常用的壓電晶體，器件最高工作溫度可大于200°C。采用特別的封裝，已證實能較長期工作在300°C環境中。若采用特種壓電材料，傳感器的工作溫度可更高。
[0007]聲表面波傳感器因其無源無線測量、體積小、靈敏度高、穩定性好、適應環境能力強等突出優點，已經成為了微傳感器設計的選擇之一。加之近年來IC技術和MEMS技術的快速發展，使制作聲表面波器件的成本也大大降低，加快了聲表面波傳感器從理論研究走向市場化的速度。對于SAW作用力傳感器而言，國內外的研究均是用于測量流體壓強，尤其在汽車輪胎壓力測量方面已經取得了顯著的成果。但是，目前SAW作用力傳感器的信號傳輸系統，必須依賴于與SAW器件想集成的IC電路技術，造成了其體積增大，無法應用于細小狹縫等極端環境之中。本實用新型針對此問題，基于MEMS工藝將天線結構與SAW器件進行集成，使得SAW器件的信號可以直接通過天線發射出去，大大減小了器件的尺寸，拓展了SAW作用力傳感器的使用用途。
【實用新型內容】
[0008]本實用新型的目的在于克服現有技術的不足，提供一種將天線結構與SAW器件進行集成，使得SAW器件的信號可以直接通過天線發射出去，大大減小了器件的尺寸，拓展了SAW作用力傳感器的使用用途，使SAW傳感器可以有效用于惡劣環境的作用力測量之中的集成有天線結構的聲表面波作用力傳感器。
[0009]本實用新型的目的是通過以下技術方案來實現的:集成有天線結構的聲表面波作用力傳感器，包括壓電基底、電極面、天線圖形、叉指換能器IDT和反射柵，壓電基底為圓柱形結構，壓電基底的一個端面上設有凹槽，叉指換能器IDT和反射柵位于凹槽之中，叉指換能器IDT位于凹槽的中部，反射柵分別位于叉指換能器IDT的兩側，叉指換能器IDT的兩端與電極面相連，電極面呈扇形并延伸到壓電基底的端面邊緣，電極面之間的壓電基底端面上設置有天線圖形。
[0010]具體地，所述的壓電基底采用單晶石英壓電基底或多層基底，叉指換能器IDT由相互交叉的指條電極組成，反射柵由致密排列的相連指條組成，天線圖形為環形相互交叉形式。
[0011]進一步地，所述的電極面、天線圖形和反射柵均為對稱結構。
[0012]本實用新型的有益效果是:叉指換能器IDT和反射柵圖形通過光刻工藝形成于壓電基底端面的凹槽表面，組成一種周邊固支圓膜片結構，當作用力作用于壓電基底表面時，壓電基底的材料常數發生變化，造成了傳播于壓電基底表面的SAW寫真情況的改變，即諧振器的中心頻率發生偏移，而這種頻率偏移會通過與之相連的天線發射出去;將天線結構與SAW器件進行集成，使得SAW器件的信號可以直接通過天線發射出去，大大減小了器件的尺寸，拓展了 SAW作用力傳感器的使用范圍，也使得SAW傳感器可以有效應用于惡劣環境的作用力測量之中。
【附圖說明】
[0013]圖1為本實用新型的傳感器結構示意圖；
[0014]圖2為本實用新型的傳感器俯視結構圖；
[0015]圖3為本實用新型的叉指換能器IDT和反射柵尺寸圖；
[0016]圖4為本實用新型的傳感器的力敏結構模型圖；
[0017]附圖標記說明:1_壓電基底，2-電極面，3-天線圖形，4-叉指換能器IDT，5_反射柵。
【具體實施方式】
[0018]下面結合附圖進一步說明本實用新型的技術方案，但本實用新型所保護的內容不局限于以下所述。
[0019]如圖1、圖2所示，集成有天線結構的聲表面波作用力傳感器，包括壓電基底1、電極面2、天線圖形3、叉指換能器IDT4和反射柵5，壓電基底I為圓柱形結構，壓電基底I的一個端面上設有凹槽，叉指換能器IDT4和反射柵5位于凹槽之中，叉指換能器IDT4位于凹槽的中部，反射柵5分別位于叉指換能器IDT4的兩側，叉指換能器IDT4的兩端與電極面2相連，電極面2呈扇形并延伸到壓電基底I的端面邊緣，電極面2之間的壓電基底I端面上設置有天線圖形3。
[0020]具體地，所述的壓電基底I采用單晶石英壓電基底或多層基底，叉指換能器IDT4由相互交叉的指條電極組成，反射柵5由致密排列的相連指條組成，天線圖形3為環形相互交叉形式。
[0021]進一步地，所述的電極面2、天線圖形3和反射柵5均為對稱結構。
[0022]如圖3所示，其中指條和間隙等尺寸參數需根據諧振器的中心頻率來進行確定。與叉指換能器IDT4兩側相連的是對稱分布的電極面2和外圍的天線圖形3，其中天線圖形3設計為環形相互交叉形式，可以將電磁信號發射出去，與外圍電路進行通訊。
[0023]本實用新型的聲表面波作用力傳感器的工作原理為:如圖1所示，凹槽通過MEMS刻蝕工藝成形，叉指換能器IDT4和反射柵5圖形通過光刻工藝形成于凹槽表面，組成一種周邊固支圓膜片結構，如圖4所示，當作用力作用于壓電基底I表面時，由于壓電基底I的材料常數會發生變化，造成了傳播于壓電基底I表面的SAW寫真情況的改變，即諧振器的中心頻率發生偏移，而這種頻率偏移會通過與之相連的天線發射出去。這種集成度高的SAW器件大大縮小了 SAW器件結構，可以有效用于惡劣環境的作用力測量之中。
[0024]本領域的普通技術人員將會意識到，這里所述的實施例是為了幫助讀者理解本實用新型的原理，應被理解為本實用新型的保護范圍并不局限于這樣的特別陳述和實施例。本領域的普通技術人員可以根據本實用新型公開的這些技術啟示做出各種不脫離本實用新型實質的其它各種具體變形和組合，這些變形和組合仍然在本實用新型的保護范圍內。
【主權項】
1.集成有天線結構的聲表面波作用力傳感器，其特征在于，包括壓電基底(I)、電極面(2)、天線圖形(3)、叉指換能器IDT(4)和反射柵(5)，壓電基底(I)為圓柱形結構，壓電基底(I)的一個端面上設有凹槽，叉指換能器IDT(4)和反射柵(5)位于凹槽之中；叉指換能器IDT(4)位于凹槽的中部，反射柵(5)分別位于叉指換能器IDT(4)的兩側，叉指換能器IDT(4)的兩端與電極面(2)相連，電極面(2)呈扇形并延伸到壓電基底(I)的端面邊緣，電極面(2)之間的壓電基底(I)端面上設置有天線圖形(3)。2.根據權利要求1所述的聲表面波作用力傳感器，其特征在于，所述的壓電基底(I)采用單晶石英壓電基底或多層基底。3.根據權利要求1所述的聲表面波作用力傳感器，其特征在于，所述的叉指換能器IDT(4)由相互交叉的指條電極組成。4.根據權利要求1所述的聲表面波作用力傳感器，其特征在于，所述的反射柵(5)由致密排列的相連指條組成。5.根據權利要求1所述的聲表面波作用力傳感器，其特征在于，所述的天線圖形(3)為環形相互交叉形式。6.根據權利要求1所述的聲表面波作用力傳感器，其特征在于，所述的電極面(2)、天線圖形(3)和反射柵(5)均為對稱結構。
【文檔編號】G01L1/25GK205488485SQ201620233385
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年3月24日
【發明人】張凱
【申請人】成都燈島科技有限公司