一种温度自补偿、宽量程的柔性无线无源声表面波压强传感器的制作方法

本发明属于微纳传感器领域，特别涉及一种温度自补偿、宽量程的柔性无线无源声表面波压强传感器。

背景技术：

声表面波(surfaceacousticwave,saw)器件是微机电系统的重要组成部分，通过在压电材料上沉积图形化的叉指换能器制备而成。根据逆压电效应，在叉指换能器两端施加的交变电场会引起压电材料的弹性形变，从而产生沿着压电材料表面传播的声波。得益于其尺寸小、高谐振频率、高机电耦合系数、高品质因素、无线无源传感等优势，声表面波器件在移动通信、微纳传感器、微流控等领域具有广泛应用，特别是在滤波器市场，声表面波器件占据着很大份额。

声表波器件的一个重要应用是传感，环境因素的变化会在声波传播路径造成扰动，从而引起声表面波器件谐振频率或相位等参量的偏移。根据这个原理，声表面波器件可用于传感诸如温度、湿度、气体、压强等物理量。大量研究报道证明，声表面波传感器具有灵敏度高、质轻、价格低、尺寸小、可无线无源传感等特点，在学术界和工业界引起广泛兴趣，并已取得一系列产业化应用。

得益于材料科学和薄膜技术的不断进步，声表面波传感器正朝着柔性化发展，并成为柔性电子的重要分支。与传统的基于硬性衬底(如石英、铌酸锂、钽酸锂)的声表面波传感器相比，柔性声表面波传感器通常采用在柔性衬底上溅射压电薄膜的双层结构，具有可形变、可延展、量程宽、灵敏度高、质量轻等明显优势。

在柔性声表面波传感器研究方面，浙江大学做出了很多开创性的工作。2014年3月，浙江大学在journalofmicromechanicsandmicroengineering上报道了基于zno/pi结构的紫外传感器，该传感器具有柔性好、精度高、价格低等优势。2014年5月，浙江大学在appliedphysicsletters上提出基于zno/pet结构的柔性saw应变传感器，该传感器具有双谐振模式和±2500με的宽应变量程。2014年8月浙江大学开发出基于超薄玻璃的柔性saw应变传感器，并发表在journalofmicromechanicsandmicroengineering上，该传感器兼具柔性和透明，在柔性可穿戴电子方面具有巨大应用潜力。2018年3月浙江大学于appliedphysicsletters上报道了基于铌酸锂单晶薄膜的柔性saw应变传感器，首次提出单层结构的柔性saw应变传感器，实现了更宽的应变量程(±3500με)和更好的性能稳定性，这得益于单晶铌酸锂相对多晶压电薄膜(如zno)更均匀的表面和规则有序的晶格排列。

压强传感是声表面波传感器的一个重要应用，可用于胎压、汽轮机内压等压强的检测。传统的基于硅或碳化硅的压强传感器尽管有宽量程、耐高温等优点，但是精度低，且需要外接电源，限制了其在特殊场合的应用。现有的声表面波压强传感器虽然具有微型化、可无线无源传感等优点，但是它们通常基于体压电材料(如石英、铌酸锂、钽酸锂)，或在硬性衬底(如si、soi)沉积压电薄膜制备而成，可形变程度低，因此限制了传感器的量程。已报道的压强传感范围通常低于2mpa，不能适应高压环境。如果将柔性saw器件用作压强传感，将增大传感器的量程。值得一提的是，柔性声表面波器件通常具有多个谐振模式，这一特性将有助于温度补偿和多参数传感。

技术实现要素：

鉴于上述，本发明提供了一种温度自补偿、宽量程的柔性无线无源声表面波压强传感器。该柔性无线无源声表面波压强传感器以铌酸锂单晶压电薄膜作为压电层，使得其具有宽量程，能够检测0～4mpa范围内的压强，还具有温度自补偿功能，有利于提高柔性无线无源声表面波压强传感器的精度。

本发明提供的技术方案为：

一种温度自补偿、宽量程的柔性无线无源声表面波压强传感器，包括：

作为压电层的铌酸锂单晶压电薄膜；

形成在所述铌酸锂单晶压电薄膜上的声表面波传感单元，每个声表面波传感单元包括形成在所述铌酸锂单晶压电薄膜上的单端谐振器、与所述单端谐振器电气连接的微带天线；

覆盖在所述铌酸锂单晶压电薄膜上的密闭盖，所述密闭盖与所述铌酸锂单晶压电薄膜形成密闭腔体。

本发明采用由微细加工技术制备的单晶铌酸锂薄膜作为压电层，该单晶铌酸锂薄膜保留了与单晶压电体材料一致的优良性能，具有超薄且表面均匀性好的特点，相比多晶压电薄膜具有更好的压电性能。

优选地，采用微细加工技术制备所述铌酸锂单晶压电薄膜，所述微细加工技术为研磨、刻蚀减薄中的一种。采用微细加工技术加工铌酸锂单晶压电薄膜时，所述铌酸锂单晶压电薄膜的晶体切向需要满足条件：在侧向电场的激励下，所述晶体切向的铌酸锂单晶压电薄膜能够在厚度方向产生驻波。

铌酸锂单晶压电薄膜的厚度直接影响压强传感器的柔性，铌酸锂单晶压电薄膜的厚度越薄，压强传感器的柔性越强，所述铌酸锂单晶压电薄膜的厚度为30～100um。进一步地，所述铌酸锂单晶压电薄膜的厚度为30～50um。

铌酸锂单晶压电薄膜的表面粗糙度直接影响声表面波器件的品质因素，优选地，所述铌酸锂单晶压电薄膜的表面粗糙度小于1nm，。

所述柔性无线无源声表面波压强传感器采用谐振型结构，具有品质因素高的特点(2500以上)，所述单端谐振器包括叉指换能器和反射栅。

优选地，所述单端谐振器的电极材料为铝、金、钨、钼、铜、铬、钛中的至少一种，采用薄膜淀积技术制备得到，所述薄膜淀积技术为溅射镀膜、热蒸发镀膜、电子束镀膜、等离子体化学气相淀积中的一种。

优选地，所述单端谐振器的电极厚度为100～300nm。

具体地，所述密闭盖的材质为玻璃，通过硅刻蚀、玻璃刻蚀、陶瓷烧结中的一种制备得到。当密闭盖的制备方法为硅刻蚀或玻璃槽刻蚀时，密闭盖与铌酸锂单晶压电薄膜通过uv胶密封固定，使密闭腔体内的压强保持为一个大气压。当采用陶瓷烧结方法制备密闭盖时，密闭盖的材料为氧化铝、氧化锆中的一种，可应用于高温环境压强传感。

该密闭盖覆盖在声表面波传感单元的正面，构成气密性的腔体同时，也兼具防尘功能。

优选地，腔体深度为100～200um。

具体地，所述铌酸锂单晶压电薄膜的厚度为50um，所述单端谐振器的电极材料为金，厚度为120nm，所述密闭盖由玻璃制备，腔体深度为200um。

本发明采用空气腔结构，空气腔的内外压强差会造成压电层和叉指换能器的形变，从而引起传感器谐振频率的偏移，频率的变化量能够反映压强差的大小，这便是本发明检测压强的基本原理。得益于优良的可形变能力，本发明能在更高的压强下工作，具有宽量程的特点，从而适应更多的应用场景。

本发明提供的温度自补偿、宽量程的柔性无线无源声表面波压强传感器的传输特性频谱上两个谐振峰，双谐振模式的优势在于可以实现对压强与温度的同时传感和解耦，运用这个设计思想可以使本发明具备温度自补偿功能，增强传感器的精度。本发明具有无线无源传感的能力，能够实时、远距离地读取和存储目标参数，具备在恶劣环境下工作的能力。本发明具有柔性好、宽量程、精度高、微型化、可无线无源传感等特点，在可穿戴电子、环境监测等领域具有广阔的应用前景。

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做简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅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前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1是实施例提供的柔性无线无源声表面波压强传感器的结构示意图；

图2是实施例提供的声表面波传感单元的结构示意图；

图3是实施例提供的单端谐振器的结构示意图；

图4是实施例提供的柔性无线无源声表面波压强传感器的s参数特性曲线。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。

如图1所示，本实施例提供的柔性无线无源声表面波压强传感器包括铌酸锂单晶压电薄膜1、声表面波传感单元2和密闭盖3。铌酸锂单晶压电薄膜1作为压电层，声表面波传感单元2形成在铌酸锂单晶压电薄膜1上表面，密闭盖3密封在铌酸锂单晶压电薄膜1上，与铌酸锂单晶压电薄膜1形成密闭腔体。

如图2所示，声表面波传感单元2包括形成在铌酸锂单晶压电薄膜1上的单端谐振器2、与单端谐振器2电气连接的微带天线4。其中，单端谐振器2包括叉指换能器5和反射栅6，如图3所示。

具体地，铌酸锂单晶压电薄膜1采用研磨铌酸锂体压电材料的方式制备，厚度为50um，切向为128°y-x，在侧向电场的激励下，能够在厚度方向产生驻波。

单端谐振器2的电极材料为金，通过热蒸发镀膜工艺制备，厚度为120nm。单端谐振器2的品质因素高达3000，有利于声表面波器件的无线传输。

密闭盖3通过氟化氢湿法刻蚀玻璃的方法制备而成，腔体深度为200um。密闭盖3和铌酸锂单晶压电薄膜1通过uv胶密封固定，使腔体内的压强为一个大气压，同时兼具防尘功能。当密闭腔体外的压强改变时，腔体内外会形成压强差，在压强差下，铌酸锂单晶压电薄膜1和单端谐振器2会发生形变，从而引起柔性声表面波压强传感器产生频率偏移，频率信息通过微带天线4传播出去。

本实施例提供的柔性声表面波压强传感器的大小为2×2mm，可在0～4mpa的压强下工作。

图4为柔性声表面波压强传感器的散射特性曲线(s参数)，从图4可得，可以观察到两个明显的谐振峰，其模式分别为瑞利模式(rayleighmode)和厚度剪切模式(thicknessshearmode,tsm)。两个模式对压强和温度的灵敏度均不同。

温度自补偿方案：

设定rayleigh模式和tsm模式的压强灵敏度分别为α1和α2，温度灵敏度分别为β1和β2。如果一定温度下密闭腔外面的压强发生变化，会导致传感单元内外存在压强差，压强差下rayleigh模式和tsm模式的频率偏移可以表示为：

其中，p为外界压强，t为温度，δfr和δft分别为rayleigh模式和tsm模式的频率偏移。求解上述方程，可以得到：

因此，压强p和温度t可以同时被测量，也就是说本发明具备温度自补偿功能，有利于提高传感器的精度。

以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。