多反射声波器件的制作方法

专利名称：多反射声波器件的制作方法
技术领域：
本申请一般涉及声波器件，并且特别地涉及允许在较大的温度变化和扰动阻尼(perturbation dampening)之中工作的压电器件。
背景技术：
声波器件已经被广泛地使用在如频率参考谐振器、延迟线和传感器的技术中。最早的声波器件结构是平行板谐振器，它由具有基本平坦且平行的抛光表面的压电材料板构成，所述表面的一个或者两个都承载着一个或更多个导电电极。当电压信号被施加在电极之间时，应力场引起晶体的弹性形变(应变场)。晶体的形变改变了晶体内电荷的分布，并且，存在净电荷流(电流)。
更先进的声波器件利用表面声波、表面横波或声平板模式(acoustic plate mode)。那些器件一般被公知为SAW器件或声平板模式器件。简而言之，这些器件包括位于非压电衬底上面的压电材料衬底(例如石英或铌酸锂)，或者是压电材料薄膜(例如氧化锌或硫化镉)。衬底具有至少一个被高度抛光过的有源压电表面区域。为了将输入电能转换为衬底内的声能，并将声能重新转换为电输出信号的输入和输出换能器被形成在该表面上。输入和输出换能器经常包括叉指换能器，每一个叉指换能器均包括多个在电气上分别耦合到输入信号和输出测量设备的叉指电极指(electrode finger)。这样的换能器被公知为IDT(叉指换能器)，并且一般通过在有源区域上以所需的形状沉积例如铝或金的导电材料薄膜来形成。电势被耦合到输入换能器，并在压电衬底中引起机械应力。作为结果的应变沿着衬底的表面传播到输出换能器，由此，它们被转换为输出电信号。波可以沿着晶体的表面传播(表面模式)，或者通过晶体结构的整体来传播(波导模式)。
当设计声波器件时，人们必须考虑电极的大小、数量、质量、形状和连接模式，因为那些参数显著地影响器件的性能。电极设计的影响在技术上是公知的。但是，为了简洁，这些规范将涉及在机电上(electromechanically)不显著的(insignificant)电极结构，意味着在包含机电上不显著的电极的短路换能器下传播的声波，由于来自换能器区域之外的标称表面条件的周期性扰动所致，将不经历显著的进入逆向传播波的反射耦合。和上面所描述的在机电上不显著的电极结构相反的自然是在机电上显著的(significant)电极结构，它意味着这样的反射耦合将被生成并被增强。
不显著的电极一般被设计成具有为提供足够的导电性和附着连接线的能力的电极尺寸所要求的最小厚度(质量)。但是，当工作频率增加时，生成机械上不显著的电极变得更加困难，因为尺寸相对于频率来讲以相反的方式降低。此外，在例如铌酸锂的具有高压电耦合的压电材料中，机械上不显著的电极在电气上(因而机电上)是显著的。但是，人们知道，将多于一个的串行电极连接到同一极性的方法在局部上抵消了所产生的机电反射，因此使得电极即使在更高的频率或在高耦合的材料中实际上也是机电上不显著的。
很清楚，晶体中声波的传播在本质上是机械的，改变晶体工作的环境改变了晶体的性能，并且结果就是压电器件所呈现的电气特征也改变了。因此，例如温度，和/或晶体在其中悬浮的介质改变晶体响应。因此，将被驱动的晶体暴露到与流体或者聚合物材料接触将衰减(dampen)晶体中波的传播，并改变器件的特性响应。这种改变可以被用来测量流体的某些特性，或者可能是气体传感中的聚合物薄膜的副作用，或者是为测量所述流体的其他性质时流体的副作用。以这种方式生成了灵敏的传感器。还可以使得传感器对特定物质有响应。例如，这可以通过将聚合物薄膜放在传感器上来进行。例如，如果聚合物对特定气体或者生物制剂灵敏，则聚合物特性会改变，并且由此它对晶体中的机械扰动有影响。在授予Baer等的美国专利No.5,283,037、授予Martin等的美国专利No.5,235,235和授予Andle等的美国专利No.6,033,852b中教导了这种传感器的实施例。
理想的传感器将具有窄的带宽、高的Q因子以及响应于被测量参数的定义明确的性能变化。它将呈现宽的动态范围、高的能量效率(既是为了效率的目的，也是为了限制因其固有问题对高放大的要求)，并且在较宽范围的周围环境的变化中可预见地工作。无疑地，贯穿测量范围，传感器必须具有唯一的、可测量的变化，所述测量范围一般应该尽可能地宽。
将交流电压信号馈入声波器件的输入换能器将导致晶体中周期性的形变，并且，所产生的声波当入射在输出换能器上时，将导致进入换能器的负载阻抗的净电流效应。使用低阻抗电流测量设备，在输出换能器处有可能测量输入电压信号被延迟和衰减的重现。在理想的器件中，导入声波器件的信号将仅仅横越器件一次。但是，因为换能器和它们相应的电路并非理想的，所以在输出换能器中产生的电流除非被输送到短路负载，否则将导致输入信号的再生，这将导致该信号在输入换能器处的再生，并无限进行下去。这种反射现象妨碍了例如声波延迟线的器件的设计，然而例如谐振器的其他器件则对其加以利用。
如图1中示意性地绘出的典型声波延迟线100包括压电衬底105、输入换能器110和输出换能器130，输入换能器110和输出换能器130被沉积(deposited)在衬底上，并被相对较长的无源传播路径120分隔。因为输出换能器中的信号被延迟了周期性形变在晶体中传播所花费的时间，所以形成了延迟线。理想的延迟线将呈现宽的带宽和最小的反射，优选仅仅在输入和输出换能器之间单次通过，以获得对这种器件所期望的有限脉冲响应。因此，为了最小化纹波和反射，设计标准要求使得延迟线利用期望的电气耦合效率所需要的最少数量的电极，并使得电极尽可能地小巧、轻便以及在电气上不显著，以便最小化它们的反射效果。
本领域的常识还要求，非常低的纹波是延迟线的重要设计目标。例如，在Mathews所著的本领域畅销图书“表面波滤波器，设计结构和使用(Surface Wave Filters，DesignConstruction，and Use)”中(153页，Wiley Interscience出版，John Wiley&Sons，美国纽约)中，期望低于0.5dB。本领域的其他权威也指明了该规定的设计目标，这要求使用在机电上不显著的电极。大量的电极，或者使用在机电上不显著的电极导致了三次通过回波以及本领域熟练技术人员认为不受欢迎的另一问题“在给定换能器内的反射”(见Matthews的书156页第3行)。因此，当前的技术发展水平教导在铌酸锂上具有少至10个电极或者在石英上具有少至100个电极，则反射是显著的。被接受的设计实践要求把电极甚至减少到那些数量以下，以达到适当耦合和减小电极的机电显著性所要求的绝对最小值。
为了在相位相干电路中使用延迟线时进一步减少纹波和再生效应，一般实践要求输入和输出阻抗与它们相应的电气电路之间的不匹配，即使没有阻尼效应，这也将导致输入和输出之间大约20dB的插入损耗。通过使用单向换能器，已经教导了其他的降低再生效应的方法，经常通过插入反射器来实施单向换能器，反射器一般由金属电极栅或者在压电衬底上开出的狭缝栅来制成，所述单向换能器被设计成和被再生的信号有180度相移，从而将其抵消。使用双向换能器的相位相干延迟线受困于低效率，它限制了传感器应用所需的可用动态范围。单向换能器依赖于机械反射和电气再生的临界平衡，这很难随着电气参数和传感器应用所需的插入损耗动态范围的变化来维持。这部分地是因为所涉及的可变机械阻尼的结果，可变机械阻尼既改变了在反射和再生之间所需的平衡点，也改变了平衡再生可用的反射量。
从上面的讨论可以看出，如果在声波器件中作为延迟线工作的纹波可以被器件结构而非连接到它的外部电路控制，则该器件将更加适于传感器应用。
谐振器代表另一种常见的声波器件类型。谐振器一般被使用在振荡器电路以及类似的电路中，作为振荡器反馈环路的定时元件。因此，在谐振器中期望的电气特性要求非常陡峭的频带和非常高的Q，以实现高效耦合。如图2中所示，典型的声波谐振器包括压电晶体，具有相对较短、较少电极数，沉积在晶体上的输入和输出换能器200和210。相对较短的谐振腔220被插入换能器之间。为了吸收大多数声波，但增强处于谐振器频率的声波的反射，大面积的机电上显著的反射栅230和240被加到谐振腔的侧面，起到调谐信号反射镜的作用。被俘获在这些调谐栅反射器之间的声波通过反射之间的长传播路径而被倍增地反射，并且，回波产生了高Q因子的谐振。虽然大多数反射没有相干地相加，但是在一个或更多个相干反射的频率处将生成驻波，相干反射的频率取决于栅与波长的关系。输入换能器驱动驻波，并且输出换能器检测该驻波。因此，谐振器显现高的能量效率(无限脉冲响应所致的高Q因子)和非常窄的谐振尖峰型带宽。应该注意，某些谐振器设计要求单个换能器，某些要求在反射栅内混合换能器(授予Shreve的No.4,144,507美国专利)，但是，谐振器通常的性能和工作原理仍然相同。
谐振器中所呈现的高Q因子对于传感器应用是非常令人期望的。但是，当阻尼被施加到常规谐振器时，例如通过将其暴露于液体或在其上沉积(deposit)薄膜，则信号在其能够被反射回换能器足够多次数之前快速地衰减了。因此，当被涂敷或悬浮在其他流体中时，阻尼将自由空气中的高Q因子谐振器变为非常低Q因子的器件。因为谐振器在来自外部影响的阻尼下退化得非常快，所以它在具有相当大声波阻尼的传感器应用中的用处有限。
此外，用聚合物薄膜等给谐振器加负载显著地提高了谐振器通常较低的插入损耗，即使以较轻的阻尼，也经常从大约7dB增加到大约20dB。无疑这导致传感器应用的可用动态范围减少。甚至对于声品质因数相对较高的二氧化硅或氮化硅钝化薄膜也观察到了这种效应。
因此，存在着对呈现窄带宽且提供高能量效率而没有现有结构所显现的严重退化的声波传感器结构的需求，这种需求是明确的并且是迄今未能满足的。本发明旨在提供这样的器件。

发明内容
本发明的基础是以预定并且新颖的方式使用多个局部反射，以获取窄带宽、高效率的器件，该器件能够忍受阻尼效应，同时保持可用的Q因子和插入损耗，从而提供具有期望特性的传感器。因此，以简化的通用术语，本发明的优选实施方案提供了长输入换能器和长输出换能器，两者都具有在机电上显著的电极，被置于基本上周期性的反射栅上，或被集成在基本上周期性的反射栅内。反射栅的范围定义了器件的有源区域。换能器覆盖了大部分有源区域，并且，在最佳实施方案中，短延迟栅被置于换能器之间，而不形成局限声波能量的特定谐振腔。它是反射栅的集成部分，一般通过在其上沉积电极来形成。
当讨论本发明时，应该注意，术语晶体表达了宽泛的含义，它延伸到压电晶体以及呈现压电或铁电特性的任何材料(例如陶瓷或聚合物)。人们认识到，压电或铁电材料通常被层叠在其他的非压电材料上，并且，术语压电或晶体也延伸到这些材料。其他的技术术语，例如谐振腔，应该被给予它们在本领域中合理和习惯的含义。
这样，提供了一种多反射声波器件，包括具有至少一层均匀厚度压电物质的衬底，所述衬底具有至少一个基本平坦的能够产生、传导，和检测声波的表面。在所述平坦表面上沉积反射栅，所述反射栅具有沿着其纵轴的长度，所述长度定义了有源区域的纵向范围，其中，所述有源区域被所述反射栅的元件覆盖了其纵向尺寸的至少60％，所述元件被基本上周期性的间隔隔开，所述间隔与所述声波的波长相当。输入换能器和输出换能器，每一个均被集成进所述反射栅，并包括多个在机电上显著的叉指电极。输入换能器适于引起声波，所述声波具有频率和波矢，并被所述表面传导，或在所述表面之间传导，以便基本上垂直于所述电极传播。传播路径被插在所述输入和输出换能器之间。反射栅被构造成在压电物质中被引起的正向和逆向传播的声波之间生成机电上显著的反射耦合。栅的反射率通常被规定为 其中，κ代表非归一化反射耦合(以1/米为单位)，并被针对换能器的基本空间频率成分归一，并且，KT=2πλ.]]>按定义，反射栅具有非零值的反射率，并被进一步定义为具有最小反射率值。
优选地，反射栅或其一部分包括多个基本上上周期性地重复的子群。作为一种选择，子群被独立地加权。或者，反射栅中的大多数电极中的每一个均提供至少0.1％的反射率。换能器可以是单向的或双向的。
作为一种选择，反射栅还包括被插在所述输入和输出换能器之间，基本上周期性的、在电气上无源的(inactive)反射结构。优选地，反射结构具有在25和150个所述周期性间隔之间的长度。在一个实施方案中，反射结构包括在所述压电物质中的褶皱。在另一个实施方案中，至少部分反射栅包括沉积在衬底上的金属电极。在另一个实施方案中，至少部分反射栅包括在所述衬底中开出的凹槽。生成反射栅的不同方法是技术选择的问题，并且可以构思其他实施方案或者实施方案的组合。
如果期望，反射栅具有至少一个周期性变化，以便在耦合到所述输入换能器的信号和在所述输出换能器中所引起的对应信号之间的相移中引入固定偏移。作为一种选择，至少部分所述反射栅包括沉积在所述衬底上的介电材料。
优选地，换能器具有大于或等于50个所述周期性间隔的长度，或者更优选地，大于200个间隔。同样优选地，至少输入换能器拥有具有标称设计中心频率的0.2％到2％之间宽度的阻带，并且基本上以设计频率为中心的频散曲线(dispersion curve)。频散曲线是在换能器下传播的波的空间频率κ和时域频率ω之间的关系。由于多反射效应所致，频散曲线偏离裸晶体(bare-crystal)的理想形状κ＝ω/ν，其中ν是恒定波速。频散曲线支持在ω0处的阻带，其中κ＝Kt，该阻带的宽度与反射率 成比例，以使归一化的阻带宽度Δω/ω0＝2κ/Kt。
优选实施方案还包括耦合在所述输入和输出换能器之间用于形成振荡器的放大电路。
在本发明的另一个方面中，提供了一种传感器。传感面与所述衬底以机械的方式联通。具有输出的振荡器电路被耦合到所述输入换能器；并且，具有输出和输入的传感电路被耦合到所述输出换能器。测量电路，用于测量从所述输出换能器导出的信号的至少一个参数。
优选地，测量电路包括用于检测所述振荡器的输出和所述传感电路的输出之间的差别的比较器，用于检测其间的差别，所述差别受到将所述传感面暴露给被传感(sensed)物质的影响。
优选地，来自所述输出换能器的输出被耦合到所述振荡器，用于提供反馈。更优选地，传感电路和振荡器被集成。
比较器可以测量相位差，在所述输入和输出换能器之间的功率吸收，优选利用温度补偿二极管检测器来检测所述功率吸收。比较器还测量振荡器的频率变化，振荡器的频率变化由被输入所述输入换能器并被从所述输出换能器输出的信号的延迟时间的变化所引起，由声平板器件的阻尼和/或硬化效应导致。比较器可以测量电压、电流、相位等的任意组合。
传感面可以在与带有栅的面相对的一面上，或者在同一个面上。传感面也可以适于以允许在所述衬底内被传播的信号衰减的方式暴露给液体或气体。在传感面上可以沉积中间层，中间层可以包括物质灵敏材料，所述材料在化学上被构造成响应于预定分子或分子群的存在而改变其至少一个物理性质。
在最优实施方案中，提供了一种耐受粘滞阻尼的传感器，包括如上面所描述的声波器件，所述传感器还包括以机械方式与压电衬底联通的传感面。具有耦合到所述输入换能器的振荡器电路。输入和输出换能器每一个均被耦合到高效率温度补偿二极管检测器。用于检测差别的比较器被耦合到该二极管检测器，用于检测其间的差别，所述差别受到将所述传感面暴露给传感物质的影响。


图1绘出了声波延迟线的简化图。
图2代表声波谐振器的简化图。
图3代表根据本发明的优选实施方案的声波器件的简化图。
图4绘出了利用根据本发明的声波器件的传感器的简化图。
图5代表利用本发明的优选实施方案的传感器的简化框图。
具体实施方案现在参考图3，提供对本发明的优选实施方案的描述，本发明的优选实施方案包括具有衬底350的结构，衬底350可以由几个层构造而成，或者可以由均匀材料制成。衬底的至少一层，或者全部衬底由具有基本上均匀的厚度的压电物质制成。压电物质具有至少一个基本上平坦的表面，其被构造成传导声波。优选的平坦表面是被抛光成具有这样的平面度的平坦表面，即所述平面度具有和预期波长相比不显著的变化。
大的反射栅(310、320和330)被沉积在所述平坦表面上。在预期波长的某个容差内，它基本上是周期性的，所以它将延续声波的传播，同时保持与波同步。虽然反射栅基本上是周期性的，并且优选是相干的，但是它可以包含没有栅的区域，或者，可以引入其他的周期性上和相干性上的偏差，以产生期望的效果，例如相移的恒定偏移。通过与传播波长略微异相地分隔电极也可以导入相移。
反射栅的宽度定义了器件的有源区域，并且反射栅元件覆盖了有源区域长度的绝大部分。
反射栅包括叉指“电极”和“连接盘(land)”。它可以通过在压电表面上沉积金属电极、介电材料、导电材料或任何其他导致周期性扰动的材料而被构造，所述周期性扰动通过生成声波的反射来影响波的传播。或者，也可以通过在压电材料中开出狭缝来获得反射栅。例如金属或介电质的材料也可以被沉积在栅的连接盘和凹槽中，或栅的连接盘和凹槽上。那些方法及其等同物，包括其各种组合对本领域熟练技术人员将是清楚的。
栅中的电极可以被按基本上重复的子群形成，子群可以被个别地加权，或具有统一的权重，以增加信号在期望的频率耦合进入压电材料的效率，同时使得在非期望的频率的效率最小。用于加权这些子群的策略是本领域熟练技术人员公知的。
一般来说，至少大多数栅元件的几何形状被设计成在机电上是显著的，以便在正向和逆向传播的波之间生成机电上显著的反射耦合，所述波由在波矢量和频率之间的频散关系中导致所谓的“阻带”的器件所承载，优选使得阻带基本上以设计频率ω0为中心，并且阻带的宽度Δω被给定为Δωκ/ω＝2κ/Kt＝4πκ/λT，其中，ω代表频率，λ代表波长，并且Δω代表带宽。在优选实施方案中，机电上显著意指针对特定声波和固体承载结构，生成超过标称中心频率0.2％的阻带宽度的结构，其中，模式转换的实际考虑给阻带宽度放置了2％的上限。最终阻带宽度被指定，因为它是在器件的电气响应中很容易被观察到的控制特征，并且可以被独立于特定实施方式或数学定义的变化指定，数学定义的变化在定义电极或子群的反射率时差2π的倍数(by factors of2π)。0.2％到2％的阻带宽度和0.1％到1％的反射率 对应，或和0.6％到6％的“每波长反射率”(κλ)对应。因此，反射栅电极在电极附近，沿正向和逆向均生成了受控反射。
输入和输出换能器被集成在反射栅内。换能器在本质上是频散的，并且被构造成与波以这样的方式交互作用，即使所述波具有与针对晶体中给定频率的传播所预计的恒定速度(即无阻带)不同的速度。每一个换能器覆盖有源区域的较大面积，一般超过30％，并包括大量在机电上显著的电极。换能器带宽(无阻带效应)被设计成接近反射栅的阻带宽度(即其中栅空间间距导致与信号的相长(constructive)交互作用的带宽)。由于频散，对于同样大小的换能器，声波器件最终的通带可以被做成比无阻带的情况下窄2到10倍。
每一个在机电上显著的电极均导致晶体中的局部反射，局部反射沿着晶体传播一定距离，这导致临近电极在电气效率上的扰动。因此，被传播的信号实际上变得在反射之间的细微地分布的短传播路径上无限地反射，短传播路径与谐振器的反射器之间的长路径相反。因此，器件呈现了延迟线的有限脉冲响应和谐振器的无限脉冲响应之间的组合。此外，机械能量被沿着晶体更均匀地分布，因此，器件能够沿着被阻尼的表面转移更多能量，防止与谐振器相关联的严重退化。器件沿着表面还具有对扰动基本上均匀的灵敏度。
通过使用上述结构，当前的技术发展水平试图最小化的反射被有效地控制，并被用来提供对传播损耗的相对不灵敏性以及维持传感器的高Q要求。
为了获得期望的大馈送面积和反射特性，换能器之间的距离小于两个换能器中较长那个的长度，因此，换能器覆盖了大部分有源区域。在第一个和最后一个有源电极之间测量换能器长度，换能器长度包括电极和其间的间隔。优选实施方案使用基本上相同长度的换能器，并且每一个均覆盖有源晶体区域的大约三分之一或者更多。
在优选实施方案中，在输入和输出换能器之间插入了中间反射结构320，中间反射结构320最好在电气上是无源的(inactive)。中间反射结构还被集成进反射栅。中间反射结构优选包括接地的金属电极。这种接地的中间栅减少了输入和输出换能器之间的交叉电容，由此提高了器件的耦合质量。但是，中间结构不是器件必不可少的部分。
因此，在优选实施方案中，基本上所有的有源区域被输入换能器310、输出换能器330和可选的中间栅320的电极所覆盖。已知延迟线中的中间区域的传播路径在机械上是无源的(passive)并且电极的机电显著性被最小化，与其相反，在本发明中，绝大多数有源区域被机电上显著的电极覆盖，并且非驱动传播路径或者非常小(例如分数波长的相位偏移)，或者由于中间栅的电极而在机电上有源(多反射)。由于使得使用的电极在机电上显著，所以在每一个这种电极下生成了局部反射，并且，局部反射从输入到输出被相干相加，提供了所需要的高耦合效率。这个结构让换能器获得了与晶体的强耦合，因而获得了被提高的电气效率，并提供了所需要的宽工作范围。
虽然器件可以从有源区域横向扩展，但是被扩展的区域不被视为有源区域的一部分，因为它们不直接处于从输入到输出换能器引起的波的路径中。在优选实施方案中，这样的扩展区域被做成吸收性的，例如，通过用吸收材料来涂敷晶体的外围表面。在优选实施方案中，吸收材料作为有化学抵抗力的粘结材料被集成到器件封装中。
使用保护电极，即放置在换能器的外边缘上的少量短路电极，是公知的。这种电极被用来保持有源电极的电气性质的连续性。保护电极还可以被用来反射或吸收沿着和期望的信号传播方向相反的方向传播的残余波。本发明的优选实施方案使用这种电极。
局部反射增强了能量耦合效率。在电极下生成的信号是自传播的，并且在电极和晶体之间重复地反射，因此，器件提供了接近无阻尼谐振器的能量效率。由于实际上每一个电极均生成局部反射，所以生成了无穷多次的反射并生成无限脉冲响应器件。但是，连续反射所生成的能量效率，以及将功率馈送进换能器的较大区域也使得器件相对地对阻尼谐振器典型的Q因子的严重下降不灵敏，而没有招致插入损耗的过度增大。这是因为分布式局部反射之间较短的通过路径使得不需要的阻尼效应变小而发生的。
在输出换能器被注入的输入信号所引起的声应变和极化电荷改变所驱动的同时，在输出换能器中发生类似的局部反射，因此，波被包含在晶体的绝大多数区域上。
在最优选实施方案中，子群结构由简单的每周期两个电极的换能器构成，所述换能器具有大约0.5％的阻带宽度，位于温度稳定的衬底(例如石英)上。优选实施方案在输入和输出换能器的每一个中具有200个周期，在换能器之间具有100周期的栅，以及临近换能器的远离中心端的作为“保护电极”的约10个周期的反射栅。在这个实施方案中，Lcc/Lu＝1.5，(其中Lcc是换能器中心之间的距离，Lu是两个换能器中最长那个的等效均匀长度)，并且，阻带宽度和换能器带宽相等，而该结构的电气效率相对于任何其他子群结构(例如3电极或4电极子群，或者所谓的组类型单向换能器的“跳房子”(hopscotch)子群)被最小化。中间反射结构在其同步频率具有90％(-0.9dB)的反射比(reflectance)(整个周期性反射元件阵列导致的入射声波的总反射系数)，但是很容易传输接近上下阻带边缘的声信号。取决于衬底材料选择，压电耦合在一个阻带边缘相对于其他的被优先增强，并且，换能器产生和检测声波最为有效。在使用石英衬底的优选实施方案中，优先的效率位于下阻带边缘。换能器栅在同步频率具有99.5％(-0.04dB)的反射比，并且仍基本上在阻带边缘反射，帮助俘获声能量以及增强器件的总体电气效率，而不将声能量局限于离散的谐振腔。虽然上面描述了优选实施方案，但是应该注意，具有低至50或高达200的周期性间隔长度的换能器的实施方案也是可行的，同时保持在所需的标称中心频率的0.5％到2％的阻带范围内。还应该注意，阻带范围也是一个设计考虑，并且，本发明将在其他的阻带范围，例如0.2％-3％，良好工作。类似的，中间栅最好占据25到150个周期性间隔之间的范围，但是也可以在其他间隔工作。本领域熟练技术人员将认识到，像上面提到的那样精确选择范围和程度是技术选择的问题，并且可能需要针对例如成本、工作范围等的特定设计要求来调整。
在实验中发现，延迟线一般的插入损耗在20dB的量级，而根据本发明构造的器件可以获得7.5dB量级的插入损耗(当然，随着被测量物质所导致的阻尼水平增加)。
所描述的结构非常适于测量粘度，或适于测量被测试环境中某种物质的存在。将输入换能器耦合到交流电压源将导致信号传播到输出换能器，交流电压源优选在射频(RF)范围。通过将与反射栅相对的传感面360经中间层340直接或间接地暴露给液体，引入了阻尼效应。阻尼效应导致波的几个变化，最有用的是相移和器件的插入损耗的变化。那些变化涉及流体粘度，因此可以被用于粘度测量。电路隔离于被测液体的事实实现了更多种类的测量以及增强的可靠性。但是对于某些器件，可以使用用于液体相位测量的钝化层将传感面360做在反射栅的同一侧上。多次局部反射导致的均匀能量分布允许宽广的粘度范围，在160MHz的样机中超过10,000厘泊(cP)的油，而招致小于20dB的总插入损耗。
通过在衬底之上沉积物质灵敏薄膜或层350，也可以直接或间接地提供对特定物质的测量。物质灵敏薄膜可以是聚合物薄膜或其他的在化学上被构造成捕获特定分子或分子群的材料。当俘获这样的分子时，薄膜的物理性质的变化(例如质量、刚性、粘度或导电性)导致了信号传播特性的变化，可以测量信号传播特性的变化来检测这些分子的存在。这种结构使得传感器很容易应用于通过使用酶、抗体、抗原或核酸分子作为涂层来检测即使是少量的生化物质。
因此，在其最优选的实施方案中，本发明在粘度计中被实施，其中，包含如上所述的多反射声波器件(AWD)的单个外壳被嵌入共发射极放大器的反馈环路，形成了振荡器。振荡器(以及自然所述的AWD)被针对160MHz设计。放大器具有18到20dB的峰值增益和20dBm的饱和功率(100mW)。无疑，可以使用其他已知的放大器。
使用温度稳定的高效率二极管检测器测量在RDL的输入和输出处的功率水平，如在2003年5月2日递交的美国专利申请No.10/429,151中所描述的那样。外壳还包含集成电路温度计和功率调节器。其他电路被放置在外壳中，以便如所知的那样获得电路稳定性和可操作性。
在优选实施方案中，RDL的衬底由Y-65°(Z+25°)切割的石英制成。使用几个预定的厚度与波长比中的一个提供了与单声平板模式(APM)的优先耦合。为了耐用和易于操作，当前实施方案使用0.5mm厚的石英。优选波长是24微米。这个组合提供了在空气中的低插入损耗、最小的温度依赖、在液体中低的压缩波生成，以及对粘滞流体的剪切波成分的负载的灵敏性。
图4绘出了最优选实施方案的简化剖面图。本实施方案使用单片压电衬底400，它利用每周期2电极的换能器410和430，具有1000埃到2000埃的铝金属厚度和50％±10％(相等的线和间隙)的标称金属化比率，在设计频率中，这提供了具有优化的耦合进入优选APM的在机电上显著的换能器结构。所述设计使用200个周期的电气有源换能器，在远离中心的末端具有10个周期的保护电极，以及插入换能器之间的100个周期的电气上无源的中间反射栅。这样的RDL在160.4MHz±0.25MHz的标称设计频率上在空气中呈现8dB±2dB的插入损耗，在空气和大约20,000厘泊(cP)的矿物油之间10dB范围的插入损耗依赖性。设计能提供至少5dB的相邻模式抑制。
在这个实施方案中，器件的传感面460与金属化表面相反放置。传感面被直接或间接地暴露给液体或气体450。传感面460可以携带物质灵敏材料薄膜460，用于检测感兴趣的特定物质的存在。
图5绘出了利用优选实施方案的传感器的框图。RDL 500被耦合到振荡器510，并作为其反馈环路的一部分工作。二极管检测器520和530检测RDL的输入和输出之间的功率差别。比较器电路550优选在传感器外壳以外，它检测输入和输出之间的差别。虽然优选实施方案检测插入损耗，但是比较器电路可以测量振荡器频率、相位、电压、电流等或其组合的差别。期望的特征是温度计540，它允许测量传感器的环境温度。为了提供抗噪声性，传感器还配备有在传感器外壳内的功率调节器。
虽然说明书一般性涉及压电物质，但是本领域熟练技术人员将清楚，这里所描述的原理对于铁电材料可以基本上类似地工作。因此，术语压电物质应该被当作与铁电材料等同，并且在权利要求书中的语言也应该被解释成涉及铁电材料。所述设计原理还可以被应用到由磁弹性、电致伸缩、载有电流的电极上的洛仑兹力激发的声波器件。此外，术语“晶体”应该被当作延伸到任何类型的铁电或压电材料、压电聚合物等，或者承载洛仑兹力换能器的无源固体支撑物。
特别地，使用由功率分配器和/或缓冲放大器构成的信号采样系统来提取RF信号用于频率计数，或使用混频器来获得关于AWD内的相移的数据在技术上也是公知的，并且应该被认为仅仅是比较器功能的形式。
应该理解，本发明不限于上面通过实施例已经描述的内容。虽然已经描述了当前被认为是本发明的优选实施方案的内容，但是，对于本领域熟练技术人员很清晰，不偏离本发明的范围或精神，可以做出各种其他的实施方案、变化和修改，并且因此，所申请的专利致力于覆盖所有落入本发明的真实精神和范围之内的这种变化和修改。
权利要求
1.一种多反射声波器件，包括衬底，所述衬底具有至少一层压电物质，所述至少一层压电物质至少具有能够传导声波的第一表面，并且至少具有和所述第一表面相对的第二表面；反射栅，所述反射栅被沉积在所述第一表面上，具有沿着其纵轴的长度，所述长度定义了机电有源区域的纵向范围，其中，所述有源区域在其纵向尺寸的至少60％上被所述反射栅的机电显著的元件所覆盖，所述元件被与所述声波的波长相称的基本上周期性的间隔所分隔；输入换能器和输出换能器，每一个换能器均被集成进所述反射栅，并且包括多个叉指电极；所述输入换能器适于引起声波；所述声波具有频率以及基本上垂直于所述电极并位于所述第一表面的平面内的波矢；其中，所述反射栅被构造成产生机电上显著的反射耦合，所述反射耦合在所述压电物质中被引起的正向和逆向传播的声波之间。
2.如权利要求1所述的多反射声波器件，其中，所述反射栅或其一部分包括多个基本上周期性重复的子群。
3.如权利要求2所述的多反射声波器件，其中，所述子群被独立地加权。
4.如权利要求1-3中的任何一个所述的多反射声波器件，其中，至少所述反射栅的元件的大部分中的每一个均提供了至少0.1％的反射率
5.如权利要求1-4中的任何一个所述的多反射声波器件，其中，所述反射栅还包括被插在所述输入和输出换能器之间基本上周期性的、电气上无源的反射结构。
6.如权利要求5所述的多反射声波器件，其中，所述反射结构具有在25个和150个所述周期性间隔之间的长度。
7.如权利要求5或6所述的多反射声波器件，其中，所述反射结构包括在所述压电物质中的褶皱。
8.如权利要求1-7中的任何一个所述的多反射声波器件，其中，所述反射栅具有至少一个周期性的变化，以便在耦合到所述输入换能器的信号和在所述输出换能器中引起的对应信号之间引起相移的偏移。
9.如权利要求1-8中的任何一个所述的多反射声波器件，其中，至少一部分所述反射栅包括沉积在所述衬底上的金属电极。
10.如权利要求1-9中的任何一个所述的多反射声波器件，其中，至少一部分所述反射栅包括沉积在所述衬底上的介电材料。
11.如权利要求1-10中的任何一个所述的多反射声波器件，其中，至少一部分所述反射栅包括在所述衬底中开出的凹槽。
12.如权利要求1-11中的任何一个所述的多反射声波器件，其中，所述输入换能器和/或所述输出换能器是双向换能器，具有与正向和逆向声波基本上对称地耦合。
13.如权利要求1-11中的任何一个所述的多反射声波器件，其中，所述输入换能器和/或所述输出换能器是单向换能器，具有与正向和逆向声波不对称地耦合。
14.如权利要求1-13中的任何一个所述的多反射声波器件，其中，所述输入换能器和/或所述输出换能器具有大于或等于50个所述周期性间隔的长度。
15.如权利要求1-13中的任何一个所述的多反射声波器件，其中，所述换能器具有大于或等于200个所述周期性间隔的长度。
16.如权利要求1-15中的任何一个所述的多反射声波器件，其中，所述换能器具有频散曲线，所述频散曲线具有在标称设计中心频率的0.2％和2％之间的阻带。
17.如权利要求1-16中的任何一个所述的多反射声波器件，还包括被插在所述输入和输出换能器之间的传播路径。
18.如权利要求1-17中的任何一个所述的多反射声波器件，还包括耦合在所述输入和输出换能器之间用于形成振荡器的放大器电路。
19.一种基于声波器件的传感器，包括如权利要求1-18中的任何一个所述的声波器件，还包括以机械方式与所述衬底连通的传感面；振荡器电路，所述振荡器电路具有耦合到所述输入换能器的输出；传感器电路，所述传感器电路具有输出和耦合到所述输出换能器的输入，用于检测从所述输出换能器导出的信号的至少一个参数。
20.如权利要求19所述的基于声波器件的传感器，其中，所述测量电路包括用于检测所述振荡器的输出和所述传感器电路的输出之间的差别的比较器电路，用于检测其间的差别，所述差别受到将所述传感面暴露给传感物质的影响。
21.如权利要求19或20所述的基于声波器件的传感器，其中，来自所述输出换能器的输出被耦合到所述振荡器，用于提供反馈。
22.如权利要求19-21中的任何一个所述的基于声波器件的传感器，其中，所述传感电路和所述振荡器是集成的。
23.如权利要求20-22中的任何一个所述的基于声波器件的传感器，其中，所述比较器适于测量相位差。
24.如权利要求20-22中的任何一个所述的基于声波器件的传感器，其中，所述比较器适于测量所述输入和输出换能器之间的功率吸收。
25.如权利要求24所述的基于声波器件的传感器，还包括温度补偿的二极管检测器，用于检测所述功率吸收。
26.如权利要求20或21所述的基于声波器件的传感器，其中，所述比较器适于测量所述振荡器的频率变化，所述频率变化由被输入所述输入换能器并从所述输出换能器输出的信号的延迟时间的变化所引起。
27.如权利要求20-26中的任何一个所述的基于声波器件的传感器，其中，所述比较器适于测量从由相位、频率、功率、电压和电流构成的参数列表中选取的至少两个参数的任意组合。
28.如权利要求24所述的基于声波器件的传感器，还包括沉积在所述传感面上的涂层。
29.如权利要求28所述的基于声波器件的传感器，其中，所述涂层包括选自由酶、抗体、核酸、抗原或其组合构成的列表的材料。
30.如权利要求19-29中的任何一个所述的基于声波器件的传感器，其中，来自所述输出换能器的输出被耦合到所述振荡器，用于提供反馈。
31.如权利要求19所述的基于声波器件的传感器，其中，所述传感电路和所述振荡器是集成的。
32.如权利要求19-31中的任何一个所述的基于声波器件的传感器，其中，所述传感面适于以允许在所述衬底内传播的信号衰减的方式暴露给液体或气体。
33.如权利要求19-32中的任何一个所述的基于声波器件的传感器，还包括沉积在所述衬底上的中间层，其中，所述传感面包括所述中间层的面。
34.如权利要求19-33中的任何一个所述的基于声波器件的传感器，还包括沉积在所述传感面上的钝化层。
35.如权利要求19-34中的任何一个所述的基于声波器件的传感器，还包括在所述传感面之上的物质灵敏层，所述物质灵敏层在化学上被构造成响应预定分子或分子群的存在而改变其至少一个物理性质。
36.如权利要求19-35中的任何一个所述的基于声波器件的传感器，还包括沉积在所述传感面上的涂层。
37.如权利要求36所述的基于声波器件的传感器，其中，所述涂层包括选自由酶、抗体、核酸、抗原或其组合构成的列表的材料。
38.如权利要求19-37中的任何一个所述的基于声波器件的传感器，还包括温度补偿电路，用于根据温度来补偿被测量的参数。
39.如权利要求19-38中的任何一个所述的基于声波器件的传感器，还包括温度补偿软件，用于根据温度来补偿被测量的参数。
40.一种耐受粘滞阻尼的传感器，包括如权利要求1所述的声波器件，还包括以机械方式与所述衬底连通的传感面；振荡器电路，所述振荡器电路具有耦合到所述输入换能器的输出；用于提供功率传感的第一二极管检测器和第二二极管检测器，所述第一二极管检测器在电气上耦合到所述输入换能器，所述第二二极管检测器在电气上耦合到所述输出换能器。
41.如权利要求40所述的传感器，其中，所述二极管检测器是温度补偿的。
42.如权利要求40或41所述的传感器，还包括温度传感器，用于传感环境温度。
43.如权利要求40-42中的任何一个所述的传感器，还包括电压调节器。
44.如权利要求40-43中的任何一个所述的传感器，其中，所述声波器件作为所述振荡器的反馈环路的一部分来工作。
45.如权利要求40-44中的任何一个所述的传感器，其中，所述传感面是所述第二表面或其一部分。
46.如权利要求45所述的传感器，还包括在所述传感面和被测量的液体之间的中间层。
47.如权利要求40-46中的任何一个所述的基于声波器件的传感器，还包括沉积在所述传感面上的涂层。
48.如权利要求47中所述的基于声波器件的传感器，其中，所述涂层包括选自由酶、抗体、核酸、抗原或其组合构成的列表的材料。
49.一种多反射声波器件，包括衬底，所述衬底具有基本上周期性的反射栅装置，所述栅定义了有源区域；长输入换能器装置和长输出换能器装置，所述输入和输出换能器被耦合到或被嵌入所述栅内；其中，所述换能器具有机电上显著的电极，并且，其中所述换能器覆盖了所述有源区域的大部分。
50.如权利要求49所述的多反射声波器件，还包括被插在所述换能器之间的延迟栅装置。
全文摘要
公开了一种声波器件(100)，它利用了声波的多次局部化反射来获得无限脉冲响应，同时维持对阻尼效应的高耐受性。该器件利用多个在绝大部分有源表面上布置的机电上显著的电极(110，120，130)。还公开了多个利用所公开的声波模式器件的传感器。
文档编号G01N29/24GK1791988SQ200480013427
公开日2006年6月21日 申请日期2004年7月9日 优先权日2003年7月16日
发明者杰弗里·安德利 申请人:拜欧得股份有限公司