多模式声波传感器的制作方法

专利名称：多模式声波传感器的制作方法
技术领域：
实施例总体上涉及传感器件及其组件。实施例还涉及表面生成的声
波，比如剪切水平表面声波(SH-SAW)、弯曲板波(FPW) 、 Love模 式、声板模式(APM)、剪切水平声板模式(SH-APM)以及体声波 (BAW)，其中包括厚度剪切模式、扭转模式、泛音模式以及弯曲模式 组件及其器件。实施例还涉及检测数据的无线发送。
背景技术：
声波传感器被利用在多种传感应用中，举例来说，比如温度和/或压 力传感器件和系统。声波器件已经被用于商业用途超过六十年。虽然电 信行业是声波器件的最大用户，但是所述声波器件也被用于化学蒸汽检
制。随着声』传播通过材料的表面或者在材料的表面^L传播，所述S播 路径的特性的任何改变都会影响所述波的速度和/或幅度。
可以通过测量所述传感器的频率或相位特性来监视声波特'性的改 变，并且随后可以把声波特性的改变与所测量的相应的物理量或化学量 相关。几乎所有的声波器件和传感器都利用压电晶体来生成声波。有三 种机制可以对声波传感器响应有所贡献，即质量负荷、粘弹性和声电效 应。化学制品的质量负荷改变这种传感器的频率、幅度以及相位和Q 值。大多数声波化学检测传感器例如依赖于所述传感器的质量敏感性以 及具有化学选择性的涂层，所述涂层吸收感兴趣的蒸汽，从而导致所述 声波传感器的质量负荷增大。
声波传感器的例子包括声波检测器件，所述声波检测器件被利用来 检测物质(比如化学制品)的存在或者环境条件(比如温度和压力)。 充当传感器的声学或声波(例如SAW/BAW)器件可以提供高度灵敏的 检测机制，这是由于其固有的高Q因数所导致的对表面负荷的高灵敏度 和低噪声。表面声波器件通常是利用放置在压电材料上的梳状叉指换能 器通过光刻技术来制造的。表面声波器件可以具有延迟线或谐振器配 置。体声波器件通常是利用真空电镀器制造的，比如由CHA、 Transat
或Saunder生产的真空电镀器。电极材料的选择以及电极的厚度由灯丝 温度和总加热时间来控制。通过对掩模的适当使用来限定电极的尺寸和形状。
表面声波谐振器(SAW-R)、表面声波延迟线(SAW-DL)、表面 横波(STW)、体声波(BAW)和声板模式(APM)都可以在各种传 感测量应用中被利用。声波传感器与常规传感器之间的其中 一个主要差 别在于，声波可以机械地存储能量。 一旦向这种传感器提供一定数量的 能量(例如通过RF)，该传感器就能够在没有任何有源部件的情况下 (例如没有电源或振荡器)操作一段时间。这一特征使得有可能在RF供 电的无源无线传感应用中实施声波。
许多传感应用要求测量多个参数。在这些类型的应用中通常采用多 个或多组传感器。每个传感器专用于特定的被测变量。在例如油质量传 感的应用中，许多因素(例如pH、 TAN、 TBN、粘性、微粒、润滑性、 温度、流量、压力、传导性、湿度等等)都可能会影响油的质量，因此， 例如在一个传感包装中配置十个单独的传感器是不切实际的。因此，有 利的将是提供能够检测多个参数的单个传感器。迄今为止，还没有令人 满意地实施用于检测多个参数的单个传感器。本发明的发明人相信，在系统的缺点。

发明内容
提供下面的概要是为了便于理解只有所公开的实施例才有的 一 些 创新的特征，并且下面的概要不打算作为全面的描述。可以通过把整个 说明书、权利要求书、附图和摘要作为整体来获得对所述实施例的各方 面的全面认识。
因此，本发明的一个方面是提供一种改进的传感器件。
本发明的另 一方面是提供一种改进的声波传感器件。
本发明的又一方面是提供一种无线无源多模式声波传感器。
现在可以按照在此所描述的那样实现上述各方面以及其他目的和 优点。公开了一种无线无源多模式声波传感器设备，其包括声波器件， 该声波器件包括压电基板以及作为该压电基板上的电极而形成的至少 一个叉指换能器。可以与该声波器件相关联地在该压电基板上配置多个 天线，其中所述多个天线当中的每个天线对无线发送到所述多个天线的 变化的询问信号做出响应，以便通过该压电基板上的至少 一个叉指换能 器激发多个频率模式，并且从而利用该声波器件无源地检测所传感的材 料的多个变化参数。


在附图中，相同的附图标记在各单独视图中指代完全相同的或功能 上类似的元件，所述附图被结合在说明书中并且形成说明书的 一部分， 其进一步说明了各实施例，并且与详细描述一起用来解释在此所公开的
实施例。
图1说明可以根据一个实施例实施的叉指表面波器件的透视图2说明根据一个实施例的沿着图1所示的叉指表面波器件的线 A-A的横截面图3说明可以根据一个或多个实施例实施的叉指表面波器件的透视
图4说明根据一个实施例的沿着图3所示的叉指表面波器件的线
A-A的横截面图5说明根据 一 个优选实施例的可以存在于传感器中的多个模式；
图6说明一个描绘了根据一个实施例的SC切型晶体的基频和三阶
泛音温度特性的曲线图，所述SC切型晶体可以被适配成用于温度补偿
应用；
图7 说明根据一个优选实施例的可以被适配成与声波器件相关联地使用的有线双模式振荡器；以及
图8说明可以根据 一 个优选实施例实施的无线无源多模式声波传感 系统的方框图。
具体实施例方式
在这些非限制性实例中所讨论的特定值和配置可以被改变，并且仅 仅被引用来说明至少 一 个实施例，而不打算限制其范围。
图1说明声波器件100的透视图，其可以根据一个实施例来实施。 声波器件100通常包括在压电基板104上形成的一个或多个叉指换能器 (IDT) 106。该声波器件100可以在传感器芯片的情况下被实施。根据 设计考虑，叉指换能器106可以被配置成电极的形式。
例的一种类型的声波器件。可以认识到，可以根据在此所描述的实施例
利用多种其他的类型(例如SH-SAW、 BAW、 APM、 SH-APM、 FPW、 SH-SAW-DL、 SH-SAW-R等等)。另外，声波器件100可以被实施成多 种形状和尺寸。
图2说明根据本发明一个实施例的沿着图1所示的声波器件100的 线A-A的横截面图。压电基板104可以由多种基板材料形成，举例来说， 比如石英、铌酸锂(LiNb03)、钽酸锂(LiTa03) 、 Li2B407、 GaP04、 兰克赛(La3Ga5Si014) 、 ZnO以及/或者外延生长的氮化物(比如Al、 Ga或Ln),这里举出几个例子。叉指换能器106可以由通常被分为三 组的材料形成。首先，叉指换能器106可以由金属组材料(例如Al、 Pt、 Au、 Rh、 Ir、 Cu、 Ti、 W、 Cr或Ni)形成。其次，叉指换能器106可 以由合金形成，比如NiCr或CuAl。第三，叉指换能器106可以由金属-非金属混合物(例如基于TiN、 CoSi2或WC的陶瓷电极)形成。
涂层102不需要覆盖压电基板104的整个平面表面，而是可以仅仅 覆盖其一部分，这取决于设计约束。涂层102可以充当引导层，其在此 关于图5被更详细地示出。选择性涂层102可以覆盖叉指换能器106以 及压电基板104的整个平面表面。由于声波器件100充当一个多模式传 感器件，因此其受激发的多个模式通常占用相同容积的压电材料。多模 式激发允许把温度改变效果与压力改变效果分开。该多模式响应可以由 多个模式等式来表示，可以求解所述等式以便分离由于温度和压力所导 至丈的响应。
图3说明可以根据一个实施例实施的声波器件300的透视图。在图 3-4中描绘的配置类似于在图1-2中示出的配置，只是添加了天线308, 该天线被连接到无线激发组件301并且被布置在其上(即在图4中示 出)。声波器件300通常包括在压电基板304上形成的叉指换能器306。
因此，声波器件300可以充当叉指表面波器件，特别是利用掠面体 波技术的叉指表面波器件。叉指换能器306可以被配置成电极的形式。 涂层302可以被选择成使得将被测量的特定物种由该涂层302吸收，从 而改变声波器件300的声学特性。可以利用各种选择性涂层来实施涂层 302。
声学特性的改变可以被检测到，并且可以被利用来识别或检测由涂
层302吸收和/或吸附的物质或物种。因此，可以通过无线装置来激发涂 层302,以便实施表面声学模型。因此，天线308和无线激发组件310 可以被利用来激发多个模式，从而允许把温度改变效果与压力改变效果 分开。这种激发可以产生声波器件300的多种其他模式。
图4说明根据本发明一个实施例的沿着图3所示的声波器件300的 线A-A的横截面图。因此，天线308在图4中被显示为布置在涂层302 之上并且连接到无线激发组件310，该无线激发组件可以被形成在涂层 302的区域内。与图2的配置类似，压电基板304可以由多种基板材料 形成，举例来说，比如石英、铌酸锂(LiNb03)、钽酸锂(LiTa03)、 Li2B407、 GaP04、兰克赛(La3Ga5SiOM ) 、 ZnO以及/或者外延生长的氮 化物(比如A1、 Ga或Ln),这里举出几个例子。
叉指换能器306可以由通常被分为三组的材料形成。首先，叉指换 能器106可以由金属组材料(例如A1、 Pt、 Au、 Rh、 Ir、 Cu、 Ti、 W、 Cr或Ni)形成。其次，叉指换能器106可以由合金形成，比如NiCr或 CuAl。第三，叉指换能器306可以由金属-非金属混合物(例如基于TiN、 CoSi2或WC的陶瓷电极)形成。因此，由叉指换能器形成的电极可以 包括由以下各种类型的材料组的至少其中之一形成的材料金属，合 金，或者金属-非金属混合物。
图5说明可以存在于这里描述的无线传感器中的多个模式500。如 图5中所示，示例模式500可以包括一个或多个厚度模式，其中包括基 频502、三阶泛音504、五阶泛音605模式。在图5中还示出了伸展模 式508以及面剪切模式510和长度-宽度夹具模式512。可以认识到，这 些模式当中的一种或多种可以被适配成才艮据一个或多个实施例来使 用。
图6说明一个描绘了根据一个实施例的SC切型晶体的基频和三阶 泛音温度特性的曲线图600，所述SC切型晶体可以被适配成用于温度 补偿应用。注意，在图5-6中，完全相同的或类似的部件或元件可以总 体上由完全相同的附图标记表示。因此，曲线图600描绘了两条曲线， 其中一条曲线描绘表示三阶泛音频率模式504的数据，另一条曲线描绘 表示基频模式502的数据。注意，在此使用的术语"频率模式，，和"模 式"可以被互换地使用，以便指代相同的现象。曲线图600绘制出表示频率上的频率改变(y轴608 )与温度改变(x轴610)的关系的数据的 曲线。因此，基于曲线图600中表示的数据，可以利用多个模式来实现 频率补偿应用。
图7说明根据一个优选实施例的可以被适配成与声波器件100或 300相关联地使用的有线双模式振荡器700。注意，在图1-8中，完全相 同的或类似的部件或元件可以总体上用完全相同的附图标记来表示。因 此，可以与图7中所示的振荡器700相关联地使用声波器件100或300。 该双模式振荡器700总体上包括声波器件100、 300，其可以发送信号 701到晶体管708，该晶体管的输入端被连接到放大器704的输入端和 放大器706的输入端。
来自放大器704的输出被馈送到阻抗710。来自放大器706的输出 被馈送到阻抗712。来自晶体管708的输出被连接到阻抗710和阻抗 712。来自放大器704和阻抗710的输出713被馈送到倍频器714，而来 自阻抗712和放大器706的输出715被馈送到混频器716。
图8说明可以根据一个优选实施例实施的无线无源多模式声波传感 系统800的方框图。 一般来说，系统800结合了对声波器件100或300 的使用。读取器单元806可以把激发信号804发送到与声波器件100、 300相关联并且与其连接的多个天线802和803。注意，读取器单元806 还可以包括一个或多个子单元，如图8中所标识的。例如，读取器单元 806可以包括RF (射频)发送器/接收器组件、DSP (数字信号处理器) 和PC (个人计算机)。在一些实施例中，读取器单元806可以被实施 为雷达器件或雷达单元，这取决于设计考虑。
天线802例如可以被用来接收激发基频模式502的信号，而天线803 可以被用来接收激发三阶泛音频率模式504的信号，这取决于设计考 虑。重要的是注意到，虽然图8说明专用于特定频率模式(比如三阶泛 音频率模式504和基频模式502 )的天线，但是还可以相应地实施多种 其他类型的频率模式。
可以用与读取器单元806相关联的询问电子装置(IE)来控制不同 的激发模式，这是通过提供具有不同频率和/或功率级的一个或多个输入 信号804。例如， 一些激发模式可能具有更高的阻抗，并且可能需要激 发更高的功率级，因此需要图7中所示的电子装置。在一些情况下，声 波传感器件100、 300可以被优化或者配置成使得可以更容易地激发某
些预定模式同时抑制其他模式。这可以通过多种方式来实现，例如包括 选择适当的设计参数，比如电极厚度、IDT孔径、(多个)叉指换能器 的指宽度和/或间隔、所使用的压电材料、基板材料的切角、(多个)叉 指换能器相对于压电材料中的晶面的取向等等。
多种声学模式可以在压电半空间中传播，其中包括体波和表面波。
例如，在叉指表面(SAW)器件设计中，基板材料和晶体取向可以被选 择成使得唯一能够被激发的表面波是Rayleigh波。然而，也总是存在其 他激发模式。
所述多个声学模式例如包括表面声波(SAW)模式、剪切水平表面 声波(SH-SAW)模式、伪表面声波(PSAW)模式以及漏表面声波 (LSAW)模式。所述多个频率模式还可以包括以下模式类型当中的一个 或多个弯曲板模式(FPM)、声板剪切水平声板模式(SH-APM)、 幅度板模式(APM)、厚度剪切模式(TSM)、体声波(BAW)模式、 横波模式、掠面模式、表面横波模式、谐波模式以及泛音模式。注意， 可以通过所述声波器件来激发所述多个频率模式，以便允许把温度改变 效果与物理和化学被测变量改变效果分开，所述物理和化学被测变量包 括压力、扭矩、粘性、密度、腐蚀性、传导性、pH、流量、润滑性、浊 度、湿度、微粒浓度、总碱值、以及总酸值。
在一种无线配置中，比如图8中所示的系统800的配置，才艮据一个 优选实施例，可以通过利用读取器单元806进行询问来激发多个模式。 多模式激发允许把温度改变效果与压力改变效果分开。注意，在图8中 示出的特定例子中，所述三阶泛音通常大约是基频泛音的频率的三倍。 因此，天线803的长度例如可以是基频模式天线802的长度的1/3、 2/3、 4/3或8/3,这取决于设计考虑。
图1-8总体上说明利用多模式压电器件的传感器设计。因此，利用 一个传感器来获得多个参数。多模式激发允许把一个参数与另 一个参数 (或其他参数)分开。所述多模式响应可以由多个等式来表示，可以求 解所述等式以便分离由于不同的被测变量所导致的响应。在一些情况 下，可以把询问电子装置(例如参见读取器单元806 )适配成激发声波 器件100、 300中的多个模式。这例如可以通过把适当的输入或功率信 号发送到声波器件100、 300来实现。在一些情况下，表面声波(SAW) 模式、剪切水平表面声波(SH-SAW)模式、伪表面声波(PSAW)模式以及漏表面声波(LSAW)模式可以是最容易激发的模式类型，但是 如在此所指出的那样，也可以激发其他模式类型。
将会认识到，可以把上面公开的以及其他特征和功能的变型或其替 换方案按照期望组合到许多其他不同系统或应用中。此外，可以由本领 域技术人员随后做出当前在此未预见到或未预期到的各种替换方案、修 改、变型或改进，其也打算被后面的权利要求书所包括。
权利要求
1、一种多模式声波传感器设备，包括无线询问单元，其包括发送器和接收器；声波器件，其包括压电基板和所述压电基板上的至少一个电极；以及与所述声波器件相关联地被配置在所述压电基板上的多个天线，其中，所述多个天线当中的每个天线对从所述无线询问单元无线发送到所述多个天线的变化的询问信号做出响应，以便通过所述压电基板上的至少一个叉指换能器激发多个频率模式，并且从而利用所述声波器件无源地检测所传感的材料的多个变化参数。
2、 权利要求1所述的设备，其中，被无线发送到所述多个天线的 所述变化的询问信号包括至少 一个输入信号。
3、 权利要求1所述的设备，其中，被无线发送到所述多个天线的 所述变化的询问信号是为了激发所述多个频率模式，其中包括以下频率 模式类型的至少其中之一表面声波(SAW)模式、剪切水平表面声波 (SH-SAW )模式、伪表面声波(PSAW )模式、以及漏表面声波(LSAW )模式。
4、 权利要求3所述的设备，其中，所述多个频率模式还包括以下 频率模式类型的至少其中之一弯曲板波(FPW)、声板剪切水平声板 模式(SH-APM)、幅度板模式(APM)、厚度剪切模式(TSM)、体 声波(BAW)模式、横波模式、掠面模式、表面横波模式、谐波模式以 及泛音模式。
5、 权利要求l所述的设备，其中，所述声波器件被配置成抑制所述 多个频率模式当中的至少一些预定频率模式，同时允许通过所述声波器件激发所述多个频率模式当中的其他频率模式。
6、 权利要求l所述的设备，其中，通过所述声波器件激发所述多个频率模式允许把温度改变效果与压力改变效果分开。
7、 一种多模式声波传感器设备，包括声波器件，其包括压电基板和所述压电基板上的至少一个电极；以及与所述声波传感器相关联的多个振荡器，其中，所述多个振荡器当 中的每个振荡器对至少一个信号做出响应以便通过所述声波器件激发多个频率模式，从而使得每一个所述振荡器通过有线连接向所述声波器 件发送激发信号，并且其中所述声波器件被配置成抑制所述多个频率模 式当中的至少一些预定频率模式，同时允许通过所述声波传感器器件激 发所述多个频率模式当中的其他频率模式。
8、 权利要求7所述的设备，其中，每一个所述振荡器通过有线连 接向所述声波器件发送至少一个信号以便激发所述多个频率模式，其中包括以下频率模式类型的至少其中之一表面声波(SAW)模式、剪切 水平表面声波(SH-SAW)模式、伪表面声波(PSAW)模式、以及漏 表面声波(LSAW)模式。
9、 权利要求8所述的设备，其中，所述多个频率模式还包括以下 频率模式类型的至少其中之一弯曲板模式(FPM)、声板剪切水平声 板模式(SH-APM)、幅度板模式(APM)、厚度剪切模式(TSM)、 体声波(BAW)模式、横波模式、掠面模式、表面横波模式、谐波模式 以及泛音模式。
10、 一种多模式声波传感器方法，包括以下步骤 提供无线询问单元，其包括发送器和接收器；形成声波器件，其包括压电基板和作为电极形成在所述压电基板上 的至少一个叉指换能器；并且与所述声波器件相关联地在所述压电基板上配置多个天线，其中， 所述多个天线当中的每个天线对从所述无线询问单元无线发送到所述 多个天线的变化的询问信号做出响应，以便通过所述压电基板上的至少 一个叉指换能器激发多个频率模式，并且从而利用所述声波器件无源地 检观'J所传感的材料的多个变化参数。
全文摘要
一种多模式声波传感器设备包括声波器件，该声波器件包括压电基板和该基板上的至少一个电极。当这种传感器被用在无线配置中时，可以与该声波器件相关联地在该基板上配置多个天线，其中所述多个天线当中的每个天线对无线发送到所述多个天线的变化的询问信号做出响应，以便通过该基板上的至少一个叉指换能器激发多个频率模式，并且从而利用所述声波器件无源地检测所传感的材料的多个变化参数。
文档编号G01L9/00GK101198853SQ200680021422
公开日2008年6月11日 申请日期2006年2月1日 优先权日2005年4月14日
发明者A·拉曼, J·Z·T·刘, M·L·罗德斯 申请人:霍尼韦尔国际公司