阅读说明：本技术 一种新型声表面波传感器 (Novel surface acoustic wave sensor ) 是由 李卫 潘沛锋 姚铖昊 徐强 于 2019-09-24 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种新型声表面波传感器,采用钽酸锂材料制成声表面波传感器,产生水平剪切波；在声表面波传感器的压电基板上安装叉指式换能器电极,并在声表面波传感器表面镀一层与波传播方向垂直的二氧化硅脊阵列,所述叉指式换能器电极、二氧化硅脊阵列间隔设置。本发明利用了钽酸锂产生的水平剪切波的特点,利用在发射端和接收端叉指电极之间的感应区增加协助其振动的二氧化硅阵列,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在传播时集中在表面,减少垂直方向上传播的损耗,提升压电介质的应变产生电位移,进而改善其性能。(The invention discloses a novel surface acoustic wave sensor, which is characterized in that a lithium tantalate material is adopted to manufacture the surface acoustic wave sensor to generate horizontal shear waves; an interdigital transducer electrode is arranged on a piezoelectric substrate of the surface acoustic wave sensor, a layer of silicon dioxide ridge array perpendicular to the wave propagation direction is plated on the surface of the surface acoustic wave sensor, and the interdigital transducer electrode and the silicon dioxide ridge array are arranged at intervals. The invention utilizes the characteristics of horizontal shear waves generated by lithium tantalate, and utilizes the fact that the induction area between the interdigital electrodes of the transmitting end and the receiving end is added with the silicon dioxide array for assisting the vibration of the interdigital electrodes, so that the loss of the waves in the vertical direction in the transmission process is reduced, the resonance effect of the waves is utilized to enable surface acoustic waves to be concentrated on the surface in the transmission process, the transmission loss in the vertical direction is reduced, the strain of the piezoelectric medium is promoted to generate electric displacement, and the performance of the piezoelectric medium is improved.)

一种新型声表面波传感器

技术领域

本发明涉及声表面波传感器的结构设计。设计出的新型声表面波的结构，适用于绝大多数声表面波传感器中如气体传感器，生物传感器等，属于半导体传感器领域。

背景技术

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。

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。

发明内容

本发明利用了钽酸锂产生的水平剪切波的特点，利用在发射端和接收端叉指电极之间的感应区增加协助其振动的二氧化硅阵列，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在传播时集中在表面，减少垂直方向上传播的损耗，提升压电介质的应变产生电位移，进而改善其性能。

本发明的仿真采用以下技术方案。

一种新型声表面波传感器，采用钽酸锂材料制成声表面波传感器，产生水平剪切波；在声表面波传感器的压电基板上安装叉指式换能器电极，并在声表面波传感器表面镀一层与波传播方向垂直的二氧化硅脊阵列，所述叉指式换能器电极、二氧化硅脊阵列间隔设置。

进一步的，所述二氧化硅脊阵列由若干宽度3μm的二氧化硅条带按间隔3μm形成，所述二氧化硅条带与叉指式换能器电极等长度，高度为0.05μm～3.5μm。

进一步的，相邻叉指式换能器电极、二氧化硅脊阵列两者外侧边缘的间距为3μm。

进一步的，在压电基板上安装具有零厚度、3μm宽度的铝的无质量输入和输出叉指式换能器电极。

进一步的，所述叉指式换能器电极相邻之间的中心间距是5λ，λ为波长。

进一步的，该声表面波传感器产生波长λ＝12μm的声表面波。本发明基于新新型声表面波传感器特点在于：

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脊阵列。通过二氧化硅脊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。

本发明与现有技术相比较，具有以下突出的优点：

1、工艺流程简单，只需要在原有的基础上，添加一层二氧化硅结构。

2、性能在一定空间内有所提升。

3、成本低、加工工艺稳定，易于批量生产。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明仿真时建立的工作平面示意图。

图3是本发明的3D仿真图。

图4-图6是3D仿真在5ns，10ns，15ns时的应力图。

图7是当二氧化硅阵列为0.5微米时的输入与输出电压。

图8是当二氧化硅阵列为0.5微米时的电位移。

图9是当二氧化硅阵列为1.1微米，1.55微米，1.95微米时的电位移对比。

图10是二氧化硅阵列从0.05到3.5时的电位移差对比图，可以看出1.1微米时效果较好。

具体实施方式

实施例

图1是本发明的结构示意图，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。输入和输出叉指式换能器之间的中心间距是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微米且长度与的二氧化硅脊阵列相同，并且其高度在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。

对于声表面波器件的仿真采用COMSOL Multiphysics展开模拟仿真。COMSOL是一款功能强大的软件，在电子科学，机械等领域具有广泛的应用，可以进行多物理场的仿真，仿真结果十分准确，并且将仿真得到的数据用图像进行表示。

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。

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(如图2所示)，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，如图3所示。通过将二氧化硅脊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。

下面结合说明书附图对本发明作进一步的详细说明。

本节给出了新型声表面波传感器的仿真流程。采用COMSOL Multiphysics进行模拟仿真，其具体步骤如下所示：

(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，在对其中6个二氧化硅阵列进行拉伸操作，设定其参数为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。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。

(6)数据处理。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。

如图4-图6是3D仿真是在COMSOL中仿真器件运行时间为5ns，10ns，15ns时的应力图，从图中可以看出该器件的声表面波为水平剪切波，沿着纵向传播。

图7是当二氧化硅阵列为0.5微米时的输入与输出电压。

图8是当二氧化硅阵列为0.5微米时的电位移。由图7,8可以看出声表面波器件输出电压和位移在约12-13ns时增大。

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。可以看出不同高度下位移变化不相同。

图10是二氧化硅阵列高度从0.05到3.5时的电位移差对比图，可以看出1.1微米时效果较好。

本发明通过SiO₂脊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。本发明的声表面波传感器只需要在原有的基础上，镀一层二氧化硅结构就能达到更优的效果，操作简单，具有功耗低，性能稳定中得到提高、加工工艺稳定、易批量生产等优点。

在发明所披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明所揭露的技术范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求书的保护范围为准。

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