具有高品质因数的Lamb波传感器的制造方法
【专利摘要】本案涉及一种具有高品质因数的Lamb波传感器，包括：衬底层，其具有薄膜层和腐蚀槽；薄膜层所对应的区域为传感区，薄膜层以外的衬底层上所对应的区域为非传感区；压电层，其设置在衬底层上的远离腐蚀槽的一侧；叉指电极，其设置在压电层表面，包括有输入端和输出端；反射栅，其设置在压电层表面，并位于非传感区内；其中，反射栅被设置在叉指电极的两侧，且位于Lamb波的运动路径上。本案通过在薄膜以外的区域添加反射栅结构，并设计反射栅和IDT的线条之间的间距，实现了Lamb波传感器品质因数的有效增益；在保证理想幅频和相频特性的基础上，达到Lamb波传感器品质因数增益的目的，从而有效降低传感器测试的检测限。
【专利说明】
具有高品质因数的Lamb波传感器
技术领域
[0001]本发明涉及一种Lamb波传感器，特别涉及一种具有高品质因数的Lamb波传感器。
【背景技术】
[0002]传感器的品质因数(Q值)用来表征器件声波能量的损失，Q值越大代表传感器插入损耗越小，相应的器件测试的信噪比越大，从而有效降低传感器测试的检测限，因此品质因数的增益一直是传感器优化设计的重点方向。
[0003]Lamb波传感器作为薄膜压电传感器的一种，相比常规石英晶体微天平(QCM)和表面声波传感器(SAW)两类器件能获取更低的检测限，同时该传感器由于电极和样品测试区域位于薄膜的两侧，便于进行液体样品的测试，可广泛应用于生物制药、食品质量、水质安全等多个领域。目前，延迟线型Lamb波传感器应用最广泛，主要原因在于薄膜声速的大小可通过薄膜的厚度和叉指电极(IDT)的参数决定，但是该类Lamb波传感器的薄膜声波遇到侧面“±裔壁”时，即腐蚀槽的侧壁，能量损耗部分被吸收，其余部分则以声表面波的形式在侧墙壁的表面传播，导致了器件的Q值一定程度的降低。
[0004]SAW谐振器理论表明，叉指电极所激发的声表面波，入射到以一定周期放置的反射栅时，满足布拉格谐振频率的入射波和反射波相干叠加，然后在输出IDT中得到相应的窄带输出波形，这种添加反射栅的方法可理解为代表一种能量的增强方式，可有效提高器件谐振区域的Q值。目前涉及Lamb波传感器测试的文献中有涉及采用反射栅和IDT—起置于薄膜区域内的方法，该种方法试图通过薄膜区域的谐振方式实现品质因数的增益。但是该方法有两个主要缺点:I)薄膜区域发生谐振时反射栅和叉指电极同时振动，会影响IDT传输信号的稳定反射，尤其反射栅作为非传感区域一同振动，不利于能量的有效增强;2)相同面积的薄膜区域，反射栅与IDT同时覆盖相比IDT单独覆盖，势必出现IDT的数量变少或者线条尺寸变细的现象，而IDT的数量变少会导致信号的谐振强度变弱，线条尺寸变细则加大了器件制作工艺的难度。
【发明内容】
[0005]针对现有技术存在的不足，本案提出一种具有高品质因数的Lamb波传感器，其通过在薄膜以外的区域添加反射栅结构，反射栅边界条件得到限制实现IDT传输信号稳定的反射过程，并设计反射栅和IDT的线条之间的间距，实现Lamb波传感器品质因数的有效增益。
[0006]为实现上述目的，本案通过以下技术方案实现:
[0007]—种具有高品质因数的Lamb波传感器，其包括:
[0008]衬底层，其具有一个经刻蚀后形成的薄膜层，被刻蚀的区域形成一个腐蚀槽;薄膜层所对应的区域为传感区，薄膜层以外的衬底层上所对应的区域为非传感区；
[0009]压电层，其设置在所述衬底层上的远离所述腐蚀槽的一侧；
[0010]叉指电极，其设置在所述压电层表面，并位于所述传感区内；所述叉指电极包括有输入端和输出端；
[0011]反射栅，其设置在所述压电层表面，并位于所述非传感区内；
[0012]其中，所述反射栅被设置在所述叉指电极的两侧，且位于Lamb波的运动路径上。
[0013]优选的是，所述的具有高品质因数的Lamb波传感器，其中，所述叉指电极的外沿距离所述反射栅的外沿的最小距离D = AX (n+1/2)，其中，λ为Lamb波的波长;η为整数，且η彡O。
[0014]优选的是，所述的具有高品质因数的Lamb波传感器，其中，所述压电层上还设置有地电极。
[0015]优选的是，所述的具有高品质因数的Lamb波传感器，其中，所述叉指电极为等宽叉指电极，且相邻叉指之间的间隙距离为λΧ 1/4，其中，λ为Lamb波的波长。
[0016]优选的是，所述的具有高品质因数的Lamb波传感器，其中，所述反射栅中每个栅与栅之间的间距<所述叉指电极的线条宽度。
[0017]优选的是，所述的具有高品质因数的Lamb波传感器，其中，所述反射栅中每个栅的宽度<所述叉指电极的线条宽度。
[0018]本发明的有益效果是:本案通过在薄膜以外的区域添加反射栅结构，并设计反射栅和IDT的线条之间的间距，实现了 Lamb波传感器品质因数的有效增益;在保证理想幅频和相频特性的基础上，达到Lamb波传感器品质因数增益的目的，从而有效降低传感器测试的检测限。
【附图说明】
[0019]图1为具有高品质因数的Lamb波传感器的截面图。
[0020]图2为具有高品质因数的Lamb波传感器的俯视图。
[0021 ]图3为一种带有假指的变迹IDT方式的Lamb波传感器的俯视图。
[0022]图4为一种单端谐振方式的IDT方式的Lamb波传感器的俯视图。
[0023]图5为一种叉指电极沿薄膜宽度方向进行覆盖的Lamb波传感器的俯视图。
【具体实施方式】
[0024]下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施。
[0025]如图1和图2所不，本案列出一实施例的具有尚品质因数的Lamb波传感器，其包括:
[0026]衬底层I，其具有一个经刻蚀后形成的薄膜层2，被刻蚀的区域形成一个腐蚀槽3;薄膜层2所对应的区域为传感区10，薄膜层2以外的衬底层I上所对应的区域为非传感区11;
[0027]压电层4，其设置在衬底层I上的远离腐蚀槽3的一侧；
[0028]叉指电极5，其设置在压电层4表面，并位于传感区10内；叉指电极5包括有输入端6和输出端7;
[0029]反射栅8，其设置在压电层4表面，并位于非传感区11内；
[0030]其中，反射栅8被设置在叉指电极5的两侧，且位于Lamb波的运动路径上。
[0031 ] Lamb波传感器是采用MEMS体硅工艺从硅片反面刻蚀去除大部分的硅衬底材料，以便在压电振荡堆的下表面形成空气交界面，从而将声波限制于压电振荡堆之内。该器件通过硅基衬底背面进行干法或湿法刻蚀获得薄膜层，该薄膜层区域硅基厚度通常控制在2-20微米的范围，然后在硅基衬底上沉积压电层和叉指电极，Lamb波传感器的工作原理为:叉指电极输入端获取电信号后，在薄膜处压电薄膜产生逆压电效应将电信号转变为机械能进行传播，后由压电薄膜的正压电效应，机械能转化为电能，并经叉指电极输出端引出电信号。
[0032]现有的Lamb波传感器的薄膜声波遇到侧面“墙壁”时，能量损耗部分被吸收，其余部分则以声表面波的形式在侧墙壁的表面传播，导致了器件的Q值一定程度的降低。SAW谐振器理论表明，叉指电极IDT所激发的声表面波，入射到以一定周期放置的反射栅时，满足布拉格谐振频率的入射波和反射波相干叠加，然后在输出IDT中得到相应的窄带输出波形，这种添加反射栅的方法可理解为代表一种能量的“回收”方式，可有效提高器件谐振区域的Q值。因此，为了获取较为理想的幅频和相频曲线，在上述实施例中，叉指电极5的外沿距离反射栅8的外沿的最小距离D = XX (n+1/2)，其中，λ为Lamb波的波长;η为整数，且η彡O。
[0033]在上述实施例中，压电层4上还优选设置有地电极9。地电极9通常是沉积压电层之前沉积的一层金属薄膜，如铝、钨、铂、钼等，通过压电层和上电极IDT的图形化实现该电极能够引出，相比无地电极可获取更高的机电耦合系数。
[0034]在上述实施例中，叉指电极5优选为等宽叉指电极，且相邻叉指之间的间隙距离为λ X I/4，其中，λ为Lamb波的波长。
[0035]在上述实施例中，反射栅8中每个栅与栅之间的间距< 叉指电极5的线条宽度。
[0036]在上述实施例中，反射栅8中每个栅的宽度<叉指电极5的线条宽度。
[0037]本案所用的叉指电极5并不局限于图2所示的情形，它还可以是图3-5所示出的情形。图3为带有假指的变迹IDT方式，可用于减少因IDT 二阶效应中波阵面的畸变所导致的器件性能下降的影响。图4为一种单端谐振方式的IDT方式，叉指电极覆盖整个传感区域。图5中叉指电极沿薄膜宽度方向进行覆盖薄膜。
[0038]尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里示出与描述的图例。
【主权项】
1.一种具有高品质因数的Lamb波传感器，其特征在于，包括: 衬底层，其具有一个经刻蚀后形成的薄膜层，被刻蚀的区域形成一个腐蚀槽;薄膜层所对应的区域为传感区，薄膜层以外的衬底层上所对应的区域为非传感区； 压电层，其设置在所述衬底层上的远离所述腐蚀槽的一侧； 叉指电极，其设置在所述压电层表面，并位于所述传感区内；所述叉指电极包括有输入端和输出端； 反射栅，其设置在所述压电层表面，并位于所述非传感区内； 其中，所述反射栅被设置在所述叉指电极的两侧，且位于Lamb波的运动路径上。2.如权利要求1所述的具有高品质因数的Lamb波传感器，其特征在于，所述叉指电极的外沿距离所述反射栅的外沿的最小距离D = AX (n+1/2)，其中，λ为Lamb波的波长;η为整数，且 η^Ο。3.如权利要求1所述的具有高品质因数的Lamb波传感器，其特征在于，所述压电层上还设置有地电极。4.如权利要求1所述的具有高品质因数的Lamb波传感器，其特征在于，所述叉指电极为等宽叉指电极，且相邻叉指之间的间隙距离为λΧ 1/4，其中，λ为Lamb波的波长。5.如权利要求1所述的具有高品质因数的Lamb波传感器，其特征在于，所述反射栅中每个栅与栅之间的间距<所述叉指电极的线条宽度。6.如权利要求1所述的具有高品质因数的Lamb波传感器，其特征在于，所述反射栅中每个栅的宽度<所述叉指电极的线条宽度。
【文档编号】G01N29/00GK106053595SQ201610316204
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年5月13日
【发明人】周连群, 李传宇, 郭振, 姚佳, 张威, 孔慧
【申请人】中国科学院苏州生物医学工程技术研究所, 苏州国科芯感医疗科技有限公司