声表面波应变传感器及其制备方法
阅读说明：本技术 声表面波应变传感器及其制备方法 (Surface acoustic wave strain sensor and preparation method thereof ) 是由 谭秋林 杨子锋 闫夏雯 张磊 熊继军 于 2021-03-21 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种声表面波应变传感器及其制备方法,其中声表面波应变传感器包括基底,基底包括第一表面和与所述第一表面相对的第二表面,所述第一表面上的有源区内形成有叉指换能器以及分别位于所述叉指换能器两侧的第一反射栅和第二反射栅,第二表面对应所述有源区的位置形成有至少一个凹槽。本发明的传感器结构能提高声表面波应变的检测灵敏度。(The invention discloses a surface acoustic wave strain sensor and a preparation method thereof, wherein the surface acoustic wave strain sensor comprises a substrate, the substrate comprises a first surface and a second surface opposite to the first surface, an interdigital transducer, a first reflection grating and a second reflection grating are respectively positioned on two sides of the interdigital transducer and formed in an active area on the first surface, and at least one groove is formed in the second surface corresponding to the active area. The sensor structure can improve the sensitivity of detecting the strain of the surface acoustic wave.)
技术领域
本发明涉及声表面波器件技术领域，尤其涉及一种声表面波应变传感器及其制备方法。
背景技术
航空航天飞行器的发动机通常工作在高温、高旋、高冲击等恶劣的环境中，耐高温、高压和高冲击的应变传感器对发动机内部各构件的健康状态的监测及寿命分析具有十分重要的意义。
声表面波应变传感器是通过基底的压电效应进行电-声能量转换和信号传递的。通过采用具有较高熔点(1470℃)的硅酸镓镧晶体作为基底，并利用硅酸镓镧晶体从室温到熔点无相变的特点，使得制成的声表面波应变传感器更适合高温下的传感监控而广泛应用于航空航天飞行器的发动机中。另外硅酸镓镧晶体的机电耦合系数比石英大2-3倍，声表面波速更低，适合器件的小型化。
传统的声表面波应变传感器通常采用与待测构件通过粘合剂直接粘接的方法获得待测构件的应变信息，由于粘合剂位于声表面波应变传感器和待测构件之间，在应变传递的过程中，不可避免地会产生迟滞效应，从而降低声表面波应变传感器的灵敏度。
发明内容
本发明提供一种声表面波应变传感器及其制备方法，用以克服上述现有技术中存在的技术问题，减少迟滞效应，以提高声表面波应变传感器的灵敏度。
本发明提供的一种声表面波应变传感器，其特征在于，包括基底，所述基底包括第一表面和与所述第一表面相对的第二表面，所述第一表面上的有源区内形成有叉指换能器以及分别位于所述叉指换能器两侧的第一反射栅和第二反射栅，所述第二表面对应所述有源区的位置形成有至少一个凹槽。
本发明还提供的一种声表面波应变传感器的制备方法，其特征在于，包括：
步骤一、在基底的未抛光一侧对应有源区的位置形成第一掩膜；
步骤二、通过所述第一掩膜刻蚀所述基底形成至少一个凹槽；
步骤三、在所述基底的抛光一侧的有源区形成叉指换能器及分别位于所述叉指换能器两侧的第一反射栅和第二反射栅。
本发明提供的声表面波应变传感器及其制备方法中，由于在基底第二表面对应有源区的位置形成了至少一个凹槽的结构，不仅使得传感器有源区上的电极之间产生更大的形变，而且使得有源区上由叉指换能器及反射栅构成的声表面波应变传感器与待测构件之间粘胶面积减少，从而减少了迟滞效应，进而提高声表面波应变传感器的灵敏度，相比同样厚度谐振区的传感器均提高了传感器的灵敏度；而且通过设置多个矩形贯通窗口用于分散基片受力，减少器件损坏；以硅酸镓镧为基底材料，具有优异的耐高温性能；本发明结构简单合理，体积小，易加工，有利于提高高温恶劣环境下对待测构件应变的测量灵敏度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种声表面波应变传感器的结构示意图；
图2为本发明实施例中具有多个凹槽的声表面波应变传感器与待测构件一起发生形变的示意图；
图3为本发明实施例中的声表面波应变传感器的俯视图；
图4为本发明实施例提供的一种声表面波应变传感器制备方法的流程图；
图5为在基底的未抛光面制备单个凹槽的流程示意图；
图6为在基底的未抛光面制备多个凹槽的流程示意图；
图7为在具有单个凹槽的基底的抛光面上制备叉指换能器和反射栅的流程示意图；
图8为在具有多个凹槽的基底的抛光面上制备叉指换能器和反射栅的流程示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例中传感器基底采用硅酸镓镧晶片，传感器采用湿法腐蚀、光刻工艺制备，首先在晶片的未抛光一侧采用光刻法形成掩膜，然后湿法腐蚀工艺刻蚀前后贯通的矩形凹槽，最后在晶片抛光的一侧采用磁控溅射方法形成叉指换能器和反射栅。为使本发明的技术方案更加清楚，以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
图1为本发明实施例提供的一种声表面波应变传感器的结构示意图，图2为本发明实施例中具有多个凹槽的声表面波应变传感器与待测构件一起发生形变的示意图，图3为本发明实施例中的声表面波应变传感器的俯视图，如图1至图3所示，该声表面波应变传感器100包括基底10，基底包括第一表面102和与第一表面102相对的第二表面101，第一表面102上的有源区(未示出)内形成有叉指换能器20以及分别位于叉指换能器20两侧的第一反射栅30和第二反射栅30，第二表面101对应有源区的位置形成有至少一个凹槽40。
本发明图1和图3中的叉指换能器20、第一反射栅30和第二反射栅30为检测应变的电极个数及间距仅是示意表示，不同图中并不完全一一对应，本发明对此也不做限定，L是金属电极长度，H是金属电极高度。本发明中传感器选择硅酸镓镧为基底材料，其具有优异的耐高温性能。具体为压电基底为1cm*1cm*0.05cm的硅酸镓镧(LGS)基底，所用硅酸镓镧的切向为(0°，138.5°，27°)，该切向与其他切向相比对应变比较灵敏。基于声表面波器件设计规范及加工工艺精度要求，本发明实施例中，叉指换能器20、第一反射栅30和第二反射栅30的电极长度为2000μm，电极宽度为4μm，电极高度为170nm。
如图2所示，传感器100上的电极未示出，当对待测构件200施加向下的载荷时，在弯曲力矩的作用下中间层210内侧材料受剪切应力压缩而变短，中间层外侧材料受剪切应力拉伸而变长，该处的中间层210指的是受外力作用下没有发生形变的层。假设与中间层相距为y处的材料在弯曲形变后的长度由C1C2变为C11C22根据弹塑性形变原理，其应变为y为弧C11C22上任一指定点到中间层的距离，K＝1/R为中间层曲率。由上述应变公式可知，在曲率固定情况下，应变传感器上任一指定点y’距离中间层的距离越远，发生的形变越大，对应的应变值越大。与传统的通过减薄晶片与待测构件直接粘结相比，本方法通过减薄传感器的中心谐振区，使得传感器表面与待测构件的中间层距离增大，产生的形变也更大，基片表面的形变引起电极间距、声波传播速度变化等也会变大，即声表面波(SAW)的谐振频率会由于形变增大而产生更大的偏移量，从而提高传感器的灵敏度。与具有同样厚度谐振区的传感器相比，本发明的传感器由于在与待测构件200贴合的基底表面101上设置有凹槽40，使得基底设置电极的表面距离待测构件更远，形变更大，产生的偏移量也更大，从而灵敏度也更高，而且在符合传感器的尺寸限制下，具有同样厚度的谐振区的传感器，凹槽深度越大，灵敏度越高。而且通过设置凹槽，本发明实施例中通过减少贴合待测构件与传感器基底之间胶的使用，减少应变从待测构件传递到传感器之间由于迟滞效应带来的损失，有利于提升声表面波应变传感器的灵敏度。
具体应用中，基底上的凹槽40可以为一个矩形贯通窗口，也可以为多个矩形贯通窗口。当为一个矩形贯通窗口时，根据上述传感器设计的参数，使整个谐振区的大小刚好和减薄的区域互相匹配，以达到传感器小型化的要求，矩形贯通窗口的尺寸可以设置为长为10mm，宽为6mm，高为0.25mm。单个贯通腔受力集中在腔中心，当给力时，腔发生形变，力越大形变会大，灵敏度会越高。但由于LGS为硬脆性材料，当力变大时，LGS材料容易断裂，若设计成多个贯通腔时，受力时，多个贯通腔会将力分散，更容易使基底发生形变，且不容易使LGS断裂，因此通过设置凹槽为多个矩形贯通窗口有助于分散受力，减少器件损坏。
本发明实施例由于在基底第二表面对应有源区的位置形成了至少一个凹槽的结构，不仅使得传感器有源区上的电极之间产生更大的形变，而且使得有源区上由叉指换能器及反射栅构成的声表面波应变传感器与待测构件之间粘胶面积减少，从而减少了迟滞效应，进而提高声表面波应变传感器的灵敏度，相比同样厚度的谐振区传感器均提高了传感器的灵敏度；而且通过设置多个矩形贯通窗口用于分散基片受力，减少器件损坏；以硅酸镓镧为基底材料，具有优异的耐高温性能；本发明结构简单合理，体积小，易加工，有利于提高高温恶劣环境下对待测构件应变的测量灵敏度。
图4为本发明实施例提供的一种声表面波应变传感器制备方法的流程图；图5为在基底的未抛光面制备单个凹槽的流程示意图；图6为在基底的未抛光面制备多个凹槽的流程示意图，图7为在具有单个凹槽的基底的抛光面上制备叉指换能器和反射栅的流程示意图，图8为在具有多个凹槽的基底的抛光面上制备叉指换能器和反射栅的流程示意图。如图4～8所示，本实施例的制备方法包括：
步骤401、在基底的未抛光一侧对应有源区的位置形成第一掩膜。
其中，第一掩膜用于在所述基底上形成一个矩形贯通窗口或多个矩形贯通窗口。
步骤402、通过所述第一掩膜刻蚀所述基底形成至少一个凹槽。
如图5和图6所示，在基底10的未抛光的一侧均匀涂覆光刻胶，进行光刻、显影，再通过湿法刻蚀形成至少有一个凹槽的基片10，即通过第一掩膜，采用体积比为1:1的硝酸和磷酸混合液在水浴加热80℃的环境下腐蚀基底10形成至少一个凹槽40。
步骤403、在所述基底的抛光一侧的有源区形成叉指换能器及分别位于所述叉指换能器两侧的第一反射栅和第二反射栅。
本步骤主要制备传感器的叉指换能器和反射栅，如图7和图8所示，首先采用光刻工艺在基底10的抛光一侧形成有源区掩膜；采用磁控溅射工艺在所述有源区掩膜上依次镀敷Ti粘附层202、Pt电极层201(图1所示)；采用半导体剥离工艺在所述有源区形成所述叉指换能器20、所述第一反射栅30和所述第二反射栅30。
通过上述方法制备的声表面波应变传感器通过将具有凹槽的一面贴服在待测构件上，通过引线将电极检测信号输出就能实现对待测构件的应变进行灵敏较高的检测。
实际应用中，一种基于硅酸镓镧的声表面波高温应变传感器，具体可以通过以下工艺步骤实现：
(1)首先将硅酸镓镧晶片分别在丙酮、无水乙醇、去离子水中分别超声清洗5分钟，直至晶片表面洁净无杂质，后用氮气吹干。
(2)用匀胶机在晶片的背面匀一层SU-8负胶，匀胶机转速500转/min，10s(10秒)，2500转/min,40s。
(3)前烘：将匀好胶的晶片放在烘台上，65℃，7min(7分钟)；95℃，37min。
(4)采用光刻工艺在前烘后的晶片一侧形成矩形贯通掩膜。
(5)后烘：将光刻后的晶片放在烘台上，65℃，5min；95℃，15min
(6)采用体积比为1:1的盐酸(50ml)和磷酸(50ml)混合液在水浴加热80℃的环境下腐蚀矩形贯通窗口4h。
(7)将腐蚀好的晶片取出洗净，在晶片另一侧匀一层正胶AZ6130，匀胶机转速500转/min，5s；3000转/min，30s，100℃加热台上烤60s。
(8)采用光刻工艺形成叉指换能器和反射栅掩膜。
(9)采用磁控溅射工艺镀20nmTi粘附层，150nmPt电极层。
(10)将溅射好的晶片放到丙酮溶液中，超声剥离，得到图形化电极层。
本发明的应变传感器通过在硅酸镓镧基片的一侧采用光刻工艺、湿法腐蚀制备至少一个凹槽结构，以提高声表面波应变传感器的灵敏度；在另一侧通过光刻工艺、磁控溅射方法形成传感器的叉指换能器和反射栅以检测待测构件的形变。本发明与现有技术相比，选择以硅酸镓镧为基底材料，具有优异的耐高温性能；传感器采用背部至少一个凹槽的结构，使用更少的胶，灵敏度更高。本发明结构简单合理，体积小，易加工，有利于提高高温恶劣环境下对待测构件应变的测量灵敏度。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。