一种声表面波谐振器及其制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种声表面波谐振器及其制作方法，包括一个叉指换能器、设置于叉指换能器两侧的反射栅以及谐振空腔；所述谐振空腔位于叉指换能器与反射栅之间，或者位于叉指换能器的中部。本发明的双模SAW谐振器的结构在根本上有异于传统的双模，即两个单模设计放在一个芯片上的SAW谐振器的设计，本发明是一个设计，而不是在一个芯片上的两个独立的设计，因此，本发明的谐振器不容易受到制造过程中差异的影响，同时芯片尺寸是传统的两个单模谐振器设计的50％左右，因此芯片成本更低。本发明的单端口双模SAW谐振器作为差分测量方式的无线无源传感器有广泛的应用，如温度传感器，压力传感器，加速度/振动传感器，应变传感器等等。
【专利说明】一种声表面波谐振器及其制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种声表面波谐振器，特别涉及一种声表面波谐振器及其制作方法。
【背景技术】
[0002] 无线传感器技术在对移动物体的检测、以及在危险环境，如高温，高电磁辐射等场 景中的测量应用中具有很大的应用前景。基于声表面波（SAW)的传感器是完全无源的（无 电池），在许多应用中具有很高的可靠性。当声表面波传感器与无线回波读写器配合时，无 线信息传输范围可以达到5米。
[0003] 通过测量单端口 SAW谐振器谐振频率的变化，延迟线滤波器中心频率的变化，差 分延迟线或反射延迟线时间延迟的变化，我们即能够测量出的温度变化。例如，对温度测量 的精度要求一般的情况下，一个SAW温度传感器通常采用一个单端口单模谐振器。这种方 式简单，成本低，对于单个射频读写器同时进行多点监控比较适合。现有技术中，有两种不 同的单端口单模SAW谐振器的设计：同步和反同步。在同步的SAW谐振器的设计中，反射 栅电极形成了中央的IDT电极的周期性的扩展，S卩，A KEF等于AIDT，腔体长度Lc是（2n+l) AIDT/2,其中η是一个整数。比如说明书附图1是一个同步模式的单端口单模的SAW谐振 器的S11频率响应的一个例子。虽然反同步模式是存在的（位于439. 1MHz)，但与同步模式 (435.6MHz)相比是非常弱的。然而，在反同步单端口 SAW谐振器的设计中，中心腔不再是 (2n+l)AIDT/2,并且换能器电极的周期和反射栅的周期一般来讲是不同的，S卩A kef# Aidt。 说明书附图2是一个单端口单模反同步的SAW谐振器S11的频率响应的一个例子。虽然同 步模式是存在的（位于430. 1MHz)，但与反同步模式（434. 2MHz)相比是非常弱的。
[0004] 使用单端口单模谐振器进行温度或其它物理量的测量有下列缺点：（1)由于制造 过程中的差异，每个传感器都需要进行校准；（2)由于器件老化和环境的变化，测量前需要 对每个传感器进行校准；（3)测量易受传感器器件老化的影响；（4)测量易受传感器和RF 读取器之间的距离的影响；（5)测量易受该环境中传感器头和射频读写器之间的电磁波干 扰。
[0005] 由于上述问题，使用单个单端口单模SAW谐振器从事温度测量或任何其他物理量 测量的运营成本是比较高的。当对测量的精度有更高的要求时，要采用差分测量方式，即在 一个设计上有两个单模谐振器。它通常是将物理上的两个单模SAW谐振器放在单个芯片 上，电气上并行地连接，并气密地封装在一个单一的金属或陶瓷封装内。在现有技术中，差 分温度测量的SAW传感器都是使用两个单端口单模谐振器：（1)两个谐振器位于在同一压 电衬底表面，二者传播方向相同但谐振频率不同；或者（2)两个谐振器位于在同一压电衬 底表面，二者传播方向不同（两个不平行的声波轨道），它们的谐振频率可以相同也可以不 同。由于这两种方式都是一个芯片上的两个独立的设计，因此，它容易受到制造过程中差异 的影响，同时芯片尺寸较大，成本高。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是解决现有技术存在的问题，提供一种测量稳定准确，芯片尺寸小， 成本低的声表面波谐振器的制造方法，根据该方法可以得到单端口却能同时支持两个强度 相等的谐振模式的声表面波谐振器。
[0007] 实现本发明目的的技术方案是一种声表面波谐振器的制造方法，包括一个叉指换 能器、设置于叉指换能器两侧的反射栅以及谐振空腔；所述谐振空腔位于叉指换能器与反 射栅之间，或者位于叉指换能器的中部；
[0008] 步骤为：步骤一：以单端口反同步模式声表面波谐振器为制作基础，叉指换能器 电极的周期a idt与反射栅电极的周期Akef之间的关系为aidt# akef;
[0009] 步骤二：增加叉指换能器的电极数量NIDT，直至出现同步谐振高峰；
[0010] 步骤三：调整谐振空腔的宽度d，直至出现反同步谐振高峰；
[0011] 步骤四：微调叉指换能器⑴的电极数量NIDT，反射栅⑵的电极数量NKEF，以及叉 指换能器（1)电极的周期A IDT与反射栅（2)电极的周期AKEF之比AIDT/AKEF，直至同步谐 振高峰的强度与反同步谐振高峰强度相等。
[0012] 所述步骤二中：〇. 5〈NIDT| Γ |〈〇. 6, I Γ I为叉指换能器每个电极的反射系数。
[0013] 下面详细阐述本发明的设计思路：在前述【背景技术】中已经介绍了在谐振器中一般 只有一个主导模式，即同步或反同步模式。其相反的模式是不需要的同时还会降低谐振器 的性能。本发明的这两个模式（包括同步和反同步）是相配对和共存的，并存有相同的强 度，以形成一个单端口双模的SAW谐振器，它的关键是使用外部腔并使IDT与反射栅电极的 周期不同（A KEF尹AIDT)来支持反同步模式，使用中央的IDT来支持同步模式，为了使用中 央的IDT来支持同步模式，则采用增加 IDT电极的数目的方式。
[0014] 采用上述技术方案后，本发明具有以下的有益的效果：本发明的双模SAW谐振器 的结构在根本上有异于传统的双模，即两个单模设计放在一个芯片上的SAW谐振器的设 计，本发明是一个设计，而不是在一个芯片上的两个独立的设计，因此，本发明的谐振器不 容易受到制造过程中差异的影响，同时芯片尺寸是传统的两个单模谐振器设计的50%左 右，因此芯片成本更低。本发明的单端口双模SAW谐振器作为差分测量方式的无线无源传 感器有广泛的应用，如温度传感器，压力传感器，加速度/振动传感器，应变传感器等等。
【专利附图】
【附图说明】
[0015] 为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附图，对 本发明作进一步详细的说明，其中
[0016] 图1为单端口同步模式的SAW谐振器的S11频率响应图。
[0017] 图2为单端口反同步模式的SAW谐振器的S11频率响应图。
[0018] 图3为IDT具有119个电极的单端口 SAW谐振器的S11模拟结果，由图可见它仅 显示了反同步模式。
[0019] 图4为带外部腔的单端口双模SAW谐振器。
[0020] 图5为带中心腔的单端口双模SAW谐振器。
[0021] 图6为IDT具有219个电极的单端口双模SAW谐振器的S11模拟结果，它显示出 同步与反同步双模式。
[0022] 图7为基于128 ° Y-X铌酸锂的单端口双模SAW谐振器的S11实测结果。
[0023] 图8为基于128 ° Y-X铌酸锂的单端口双模SAW谐振器的差分温度测量结果。
【具体实施方式】
[0024] (实施例1)
[0025] 本实施例的单端口双模SAW谐振器的设计在本质上是非同步的，通过设计IDT中 的谐振器，实现了双模（同步和反同步）SAW谐振器，而不是传统的单模（同步或反同步） 谐振器，由于IDT的电极数量比普通IDT电极数量多，因此在IDT上激励产生声表波并形成 同步谐振；同时，IDT的电极周期尹反射栅的电极周期，在IDT上形成反反同步谐振，于是就 产生了两个模。
[0026] 见图4和图5,本实施例的声表面波谐振器包括一个叉指换能器1、设置于叉指换 能器1两侧的反射栅2以及谐振空腔3 ;如图4所示，为带外部腔的单端口双模声表面波谐 振器，两个谐振空腔3分别位于叉指换能器1与反射栅2之间；如图5所示，为带内部腔的 单端口双模声表面波谐振器，谐振空腔3位于叉指换能器1的中部。叉指换能器1电极的 周期A IDT与反射栅2电极的周期AKEF之间的关系为AIDT尹AKEF，声表面波谐振器产生的 同步谐振高峰的强度与反同步谐振高峰强度相等。
[0027] 如图3和图6所示，在本发明中通常单端口双模SAW谐振器的IDT电极数量比单 端口单模的SAW谐振器的IDT电极数量更多。图3是单端口单模反同步SAW谐振器S11频 率响应的仿真结果。该单模SAW谐振器的外部腔长度是1. 5 ΛIDT，Λ KEF/ΛIDT是1. 0027, IDT 拥有119条电极，基片为ST向切割的石英。图6是一个单端双模SAW谐振器的Sll的频率 响应的仿真结果。从图6中可以明显看到，它的S11频率响应有两个谐振模式。这个单模 SAW谐振器的外部腔长是1. 5 ΛIDT，Λ KEF/ΛIDT为1. 0027,但是IDT电极的数量增加至219， 该压电基片仍然是ST-切割的石英。
[0028] 图7示出了基于128° YX铌酸锂衬底的一个单端口双模SAW谐振器所测得的S11 的频率响应。虽然尚未被优化，但它清楚地显示了 S11响应的两个模式。图8则示出了使 用基于128° YX铌酸锂的一个单端口双模SAW谐振器实测的温度结果。
[0029] 以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详 细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡 在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保 护范围之内。
【权利要求】
1. 一种声表面波谐振器的制造方法，其特征在于：包括一个叉指换能器（1)、设置于叉 指换能器（1)两侧的反射栅（2)以及谐振空腔（3);所述谐振空腔（3)位于叉指换能器（1) 与反射栅（2)之间，或者位于叉指换能器（1)的中部； 步骤为：步骤一：以单端口反同步模式声表面波谐振器为制作基础，叉指换能器（1)电 极的周期Aidt与反射栅（2)电极的周期Akef之间的关系为Aidt# Akef; 步骤二：增加叉指换能器（1)的电极数量Nidt，直至出现同步谐振高峰； 步骤三：调整谐振空腔（3)的宽度d，直至出现反同步谐振高峰； 步骤四：微调叉指换能器⑴的电极数量NIDT，反射栅⑵的电极数量NKEF，以及叉指换 能器⑴电极的周期AIDT与反射栅⑵电极的周期AKEF之比AIDT/A KEF，直至同步谐振高 峰的强度与反同步谐振高峰强度相等。
2. 根据权利要求1所述的一种声表面波谐振器的制造方法，其特征在于：所述步骤二 中：0. 5〈NIDT| Γ |〈〇. 6, | Γ |为叉指换能器（1)每个电极的反射系数。
3. -种声表面波谐振器，其特征在于：由权利要求1或2所述的方法得到。
【文档编号】H03H9/25GK104092446SQ201410364106
【公开日】2014年10月8日 申请日期:2014年7月28日 优先权日:2014年7月28日
【发明者】高翔 申请人:常州智梭传感科技有限公司