一种低损耗高温度稳定性的表面声波传感器的制作方法

专利名称：一种低损耗高温度稳定性的表面声波传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种新型的低损耗、高温度稳定性的表面声波传感器，特别是涉及 一种采用硅酸镓镧(Za3G"5S/(94或La"gaWe )、钽酸镓镧(Za3Ga。 57^。 56>14或 Za"gam'fe )、铌酸镓镧(Z a3G^5 57V&a5014或Zawgatofe )、磷酸镓(GaP(94 )、 5>>3r 14 (STGS)、 &3M Ga3S/26>14 (SNGS)、 Ca37bGa3S/2(914 (CTGS)、 a 3M)Gaf35V2(914 (CNGS)以及5>3Ga2Ge4014 (SGG)和四硼酸锂(Lithium tetraborate) 为基片的新型表面声波传感器。
背景技术：
近几年来，随着航空航天、移动通讯、信息传感等技术的迅速发展，对声表面 波(SAW)期间的要求越来越高。作为SAW器件的核心单元，压电基片对SAW器件 的性能起着决定性的作用。近几年随着SAW技术应用领域和范围不断向广度和深度 方向发展，传统的SAW基片材料或是压电转换效率不够(如石英)，或是温度稳定性 不好(如铌酸锂、钽酸锂等)。传统的压电材料如石英、铌酸锂、钽酸锂等远远不能 满足需求。为获得高温度稳定性和低损耗的材料和结构，文献Jpn,J.AppI.phys,2001, 40: 3718—3721 (Very Small Sized Resonator Filter Using Shearing Horizontal Wave on Quartz)提出在石英基片上覆盖重金属电极，激发出剪切(SH)波，这种模式具有 较大的机电耦合系数和良好的温度特性。文献IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control, 2000,47(3): 701 — 705 (Substrates for zero temperature coefficient Love wave sensors)通过在欧拉角为[O。 ， 122° ， 90° ]的石英 基片上，覆盖厚度为0.1倍波长二氧化硅波导层的条件下，获得了接近0温度系数，但 是机电耦合系数降为石英材料最大值的一半左右，灵敏度降低为石英最大值的75%。
为寻找低成本、高性能的新型压电晶体，具有LGX结构的系列新型压电晶体成 为压电领域近几年来的研究热点。
硅酸镓镧晶体的合成，最早出现俄国的20世纪80年代，文献Sov. Phys.-Dokl, vol. 27， p. 434,1982 (Modified gallates with the structure Ca3Ga2Ge46>14)对其进行了说明。 随后的大量研究证明，在保持0度能流角和很低的温度稳定系数的情况下，得到的 机电耦合系数是石英几倍，并且从室温到其熔点(IOO(TC以上)无相变，因此可用于高温传感器。另外这类基片材料的相速度比石英相速度低，有利于器件向微小型 发展。文献 IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency control,vol.46, No.6, November 1999(Investigation on recent quartz-like materials for SAWapplication)针对硅酸镓镧(LGS)、铌酸镓镧(LGN)和磷酸镓，研究了他们的 材料的相速度、机电耦合系数、温度延迟系数(TCD)、能流角(PFA)各方面的关 键性能。例如欧拉角范围为(0° 130° 170° 15° 35° )的LGS，他们的TCD、 PFA可以实现0，但是可以得到高的机电耦合系数，为3.5到4.5倍的石英。特别是 IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency control,vol.46, No.6, November 2001 ( Optimal cuts of Langasite, iar3Gflf5S704 for SAW decives )专门针对硅 酸镓镧进行了相关的性能研究。文献IEEE Ultrasonics symposium 2000 (Experimental and predicted SAW temperature behavior of Langatate)对不同切向的钽酸镓镧(LGT) 材料的相速度、机电耦合系数、温度延迟系数(TCD)、能流角(PFA)分析，与LGS、 LGN相比，LGT有高的Q值，能降低声波损耗；其机电耦合系数比LGS、 LGN更 高。2005 IEEE Ultrasonics Symposium (Experimental and Predicted TCF and SAW Parameters on LGT
Substrates)还对LGT进行了继续的研究。
文献Proceedings of the 2000正EE Frequency Control Synposium,p163首先指出了 &3rflGa3&'2(914 (STGS)、 &3M)G"3S/2014 (SNGS)、 0/3r"Ga3S/2<9'4 (CTGS)、以及 Ca3M^fl^/2(9,4(CNGS)作为基片材料的优势。文献2001正EE International Frequency Control Symposium and PDA Exhibition(Investigation of crystal growth and material constants of ordered Langasite structure compounds),文献Proceedings of the 2003 IEEE International frequency control symposium and PDA exhibition Jointly with the 17th European frequency and time forum(Investigations of STGS, SNGS, CTGS， &CNGS materials for use in SAW applications)， 文献 2003 IEEE Ultrasonics Symposium(Investigations of new materials, CTGS and CNGS, for SAW applications)分 析了STGS、 SNGS、 CTGS、 CNGS机电耦合系数、相速度、以及介电常数等，发现 STGS、 SNGS、 CTGS、 CNGS具有比LGS、 LGN、 LGT高的机电耦合系数(如SNGS 的机电耦合系数是LGS的2倍)——损耗小，比石英高的声波相速度(灵敏度高)。 因为与石英同属于三角晶系，温度系数可与石英相比。
文献2003年第31巻第5期硅酸盐学报(硅酸镓镧结构的新型压电晶体的研究 进展)指出&3^^^ 014 (SGG)具有熔点较低、性能较高的综合优势，它有可能成 为新一代表面波器件的重要候选材料；采用增蜗密封的下降法生长SGG单晶可以显著提高晶体产率，降低成本。文献2007年3月第22巻第2期无机材料学报(新型 压电晶体锗酸镓锶与硅酸镓镧声表面波传播特性的研究)通过理论计算，相速度的 计算结果表明，在X切族与Y切族中，SGG与LGS的声表面波相速度相差不大， 在土150m/s之间；而在Z切族可以看出，SGG的相速度均小于LGS晶体的相速度.速 度差从60~150m，较低的相速度表明了将SAW器件进一步小型化的可能；机电耦 合系数的计算结果表明，Z切族SGG的机电耦合系数基本上比LGS小，但在X切 族与Y切族，SGG晶体的机电耦合系数要远远大于LGS晶体。在(90° 90° 0° )切 向上SGG晶体的机电耦合系数达到了O. 82%，远远大于LGS晶体(O. 48%)，说明 了SGG晶体优良的机电转换性能;能流角反映了声波能量衍射的大小，很显然，这种 现象对声表面波器件是不利的。计算表明，X切族与Y切族上，SGG晶体与LGS 晶体的能流角基本近似，Z切族SGG晶体的能流角约为LGS晶体的60X左右，有 利于提高声表面波器件的性能。证实了SGG压电性好、机电耦合系数高，是一种很 有应用前景的新型压电晶体。
四硼酸锂，是一种四方晶体，文献Jpn丄Appl.Phys.， vol.24, Suppl.24-l，pp.25-27, 1985(Elastic, piezoelectric, acoustio-optic and Electro-optic properties of Z^'2￡407)计算 了"2万4(97的声表面波(SAW)的相速度、机电耦合系数、温度延迟系数等性质。特 别是切向为(110)传播方向为
的45。 X-Z的LB0相速度为3401m/S,机电耦合 系数为0.8%，温度延迟系数为0。 文献1993 IEEE International Frequency Control Symposium(properties， production and application of new piezoelectric crystal Lithium tetraborate Z/25407)，详细分析了 LBO的特性，比较了LBO与石英、铌酸锂、钽酸 锂的机电耦合系数、温度延迟系数之间的关系，明显的可以看出LBO综合了石英高 温度稳定性和LN 、 LT高机电耦合的优点。文献IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics， and Frequency control, Vol.45, no.l， January 1998(Propagation properties of longitudinal Leaky surface waves on Lithium tetraborate)介纟召了 LBO木才茅斗的禾目速度、 机电耦合系数、TCF等参数在不同的模式情况下的大小，可以发现LBO可以实现低 损耗、高温度稳定性的要求。

发明内容
本发明的目的在于提供一种高机电耦合系数、高温度稳定性的新型的低损耗、 高温度稳定性的表面声波传感器，其能够克服现有石英基片机电耦合系数不高以及 铌酸锂和钽酸锂基片温度稳定性差的缺陷，从结构方面改善传感器性能，实现实用的低损耗、高温度稳定性的表面声波传感器。
为了实现上述目的，本发明的一种新型的低损耗高温度稳定性的表面声波传感 器，包括压电基片、沉积在压电基片表面的输入叉指换能器和输出叉指换能器、 以及覆盖在所述压电基片以及输入叉指换能器和输出叉指换能器上面的敏感膜。其 特征在于所述压电基片为兼具高机电耦合系数、高温度稳定性的晶体材料；所述 输入叉指换能器在所述压电基片中激发声波并传播，所述输出叉指换能器用于接收 声波，当加载的被测物与所述敏感膜发生反应后会导致声波的特性(如频率、速度 等)发生变化，通过检测这些变化而得到关于所述被测物的特性结论。
所述的基片材料包括硅酸镓镧(￡a3G"55V<94或Z^"g"wYe )、钽酸镓镧 (丄0300057^05014或丄朋《朋/& )、铌酸镓镧(丄03(^55]\^05014或丄朋《加<3& )、磷酸镓 (GaP6>4 ) 、 5>3raG"3 2(914 (STGS) 、 5>3M Ga35V2014 (SNGS ) 、 Ca37bGa3S/2(914 (CTGS)、 0 3M>Gfl3S/2(914 (CNGS)以及&3(^2(^4014 (SGG)和四硼酸锂(L池ium tetraborate)等。
另外，本发明的新型的低损耗高温度稳定性的表面声波传感器，还可以根据实 际需要决定是否在所述压电基片以及输入叉指换能器和输出叉指换能器上方先覆盖 一层波导层之后再覆盖所述敏感膜，该波导层采用无机物波导层或有机物波导层。
所述输入叉指换能器以及输出叉指换能器采用延迟线结构或者谐振器结构。
所述敏感材料层可以采用有机材料、生物材料以及无机材料(包括无机纳米材料)。
本发明的优点在于本发明的新型的低损耗、高温度稳定性的表面声波传感器，
在分析了现有的以石英、铌酸锂、钽酸锂等作为基片材料的声表面波(SAW)传感 器各自的优缺点的基础上，压电基片采用了兼具两者优点的硅酸镓镧(丄"3(5^&794或 Z讽gos"e)、钽酸镓镧(i^Ga。5rfl。5Q4或丄a"gamYe)、铌酸镓镧(￡fl3Gar5 5M>。 5014或 Z朋gato^)、磷酸镓(GaP(94)、 5V3raGa3&'2014 (STGS)、 Sr3M)Ga3Si2<914 (SNGS)、 ajf3rafGa3S/2Ol4 (CTGS)、 Oz3M>Ga3S/2014 (CNGS)以及5>3Ga2Ge4014 (SGG)和 四硼酸锂(Lhhium tetraborate, LBO)作为基片材料，克服现有传感器器件不能同时 实现高机电耦合系数和高温度稳定性的现状，从结构方面改善传感器性能，能同时 满足高的机电耦合系数、低损耗、高温度稳定系数等多项传感器设计要求，实现实 用的低损耗、高温度稳定性双优的声表面波传感器。


图1是本发明的新型的低损耗高温度稳定性的表面声波传感器的一个实施方式 的俯视图2是本发明的新型的低损耗高温度稳定性的表面声波传感器的图1所示实施 方式的剖面图3是本发明的新型的低损耗高温度稳定性的表面声波传感器的输入叉指换能 器的结构示意图4是本发明的新型的低损耗高温度稳定性的表面声波传感器的输出叉指换能 器的结构示意图。 附图标识
1、压电基片 2、敏感膜 3、输入叉指换能器
4、输出叉指换能器 6、第一信号端口 7、第二信号端口
具体实施例方式
下面结合附图以及具体实施例对本发明的新型的低损耗高温度稳定性的表面声 波传感器进行详细的说明。
图1是本发明的新型的低损耗高温度稳定性的表面声波传感器的实施方式的俯 视图，图2是本发明的新型的低损耗高温度稳定性的表面声波传感器的图1所示实 施方式的剖面图。如图1以及图2所示，本发明的新型的低损耗高温度稳定性的表 面声波传感器，包括压电基片1、沉积在压电基片1表面的输入叉指换能器3和输 出叉指换能器4、以及覆盖在基片1上面的敏感膜2，其中，敏感膜2为纳米结构的 敏感材料层，输入叉指换能器3在压电基片1中激发声波并在压电基片1中传播， 输出叉指换能器4用于接收声波，当加载的被测物与敏感膜2发生反应后会导致声 波的特性发生变化，通过检测这些变化而可以得到关于被测物的特性结论。
实施方式中，压电基片1釆用硅酸镓镧LGS。通过沉积在压电基片1的表面形 成如图3所示的输入叉指换能器3和如图4所示的输出叉指换能器4，然后再覆盖敏 感膜2。输入叉指换能器3和输出叉指换能器4均采用叉指换能器结构。其中，压电 基片1的厚度为0.5毫米。输入叉指换能器3和输出叉指换能器4的周期均为40微 米，孔径为2毫米。其中输入叉指换能器3的指对数为100对，输出叉指换能器4 的指对数为60对。在压电基片1的上表面蒸镀金属铝，然后光刻出各叉指换能器的图形，两个叉指换能器间中心距约为6毫米。然后在基片1的上面覆盖一层气敏材 料层2，其中气敏材料采用掺杂了金的纳米级Titanium Dioxide (77(92)，以提高检测 灵敏性和选择性。
性能检测
将如上所述结构的新型的低损耗、高温度稳定性的表面声波传感器置于一个检 测装置中，两个换能器分别接入网络分析仪的第一信号端口6和第二信号端口7，其 结果是，在网络分析仪中可显示整个器件频率响应，可实现对CO气体进行检测。
以上，通过列举实施例的形式对本发明的新型的低损耗、高温度稳定性的表面 声波传感器的结构以及性能进行了说明，但并不局限于此。本发明的采用新型的低 损耗、高温度稳定性的表面声波传感器中，根据实际需要决定采用无波导设计或者 有波导层设计，即是否在所述压电基片及所述输入叉指换能器和输出叉指换能器上 方再覆盖波导层，当采用有波导设计时，可以采用无机物波导层或有机物波导层。 本发明的气敏材料层可以采用有机材料、生物材料以及无机材料(包括无机纳米材 料)。另外，各叉指换能器可以采用延迟线结构或者谐振器结构。
本发明的新型的低损耗、高温度稳定性的表面声波传感器中，压电基片1的材 料可以是硅酸镓镧(￡"3Ga5S/04或Z^wga说e )、钽酸镓镧(i^3Ga。 57^0 5014或
)、铌酸镓镧(￡a3G%5M)0 5(914或丄awgatofe )、磷酸镓(GaP04 )、 &3raGa3S/2014 (STGS)、 &3M7G"3S/26>14 (SNGS)、 Cfl3raGa3S/26>14 (CTGS)、 Ca3M>Ga3S/2014 (CNGS)以及&3(^2(^4014 (SGG)和四硼酸锂(Lithium tetraborate) 等。
权利要求
1、一种低损耗高温度稳定性的表面声波传感器，包括压电基片、沉积在压电基片表面的输入叉指换能器和输出叉指换能器、以及覆盖在所述压电基片以及输入叉指换能器和输出叉指换能器上面的敏感膜，其特征在于所述压电基片为兼具高机电耦合系数、高温度稳定性的晶体材料。
2、 根据权利要求1所述的低损耗高温度稳定性的表面声波传感器，其特征在于， 在所述压电基片以及输入叉指换能器和输出叉指换能器上方先覆盖一层波导层之后 再覆盖所述敏感膜，该波导层采用无机物波导层或有机物波导层。
3、 根据权利要求1或2所述的低损耗高温度稳定性的声波传感器，其特征在于， 所述输入叉指换能器以及输出叉指换能器采用延迟线结构或者谐振器结构。
4、 根据权利要求1或2所述的低损耗高温度稳定性的表面声波传感器，其特征在于，所述压电基片材料层采用硅酸镓镧、钽酸镓镧、铌酸镓镧、磷酸镓、&3raGfl3&'2<914 、 5>3M Ga3&.2014 、 Ca3raGa3 2014 、 Ca3A^Ga3S/26>14 、 &3Ga2Ge4(914或 四硼酸锂。
5、 根据权利要求1或2所述的低损耗高温度稳定性的表面声波传感器，其特征 在于，所述敏感膜材料层可以采用有机材料、生物材料以及无机材料。
6、 根据权利要求5所述的低损耗高温度稳定性的表面声波传感器，其特征在于， 所述无机材料包括无机纳米材料。
全文摘要
本发明提供一种低损耗高温度稳定性的表面声波传感器，包括压电基片、沉积在压电基片表面的输入叉指换能器和输出叉指换能器、以及覆盖在所述压电基片以及输入叉指换能器和输出叉指换能器上面的敏感膜。所述压电基片为兼具高机电耦合系数、高温度稳定性的晶体材料，该压电基片采用硅酸镓镧、钽酸镓镧、铌酸镓镧、磷酸镓、Sr₃TaGa₃Si₂O₁₄、Sr₃NbGa₃Si₂O₁₄、Ca₃TaGa₃Si₂O₁₄、Ca₃NbGa₃Si₂O₁₄以及Sr₃Ga₂Ge₄O₁₄和四硼酸锂。输入叉指换能器在压电基片中激发声波并传播，输出叉指换能器用于接收声波，当加载的被测物与敏感膜发生反应后会导致声波的特性发生变化，通过检测这些变化而得到关于被测物的特性结论。本发明从结构方面改善传感器性能，实现实用的低损耗、高温度稳定性的表面声波传感器。
文档编号G01L1/16GK101644611SQ20091008266
公开日2010年2月10日 申请日期2009年4月23日 优先权日2009年4月23日
发明者何世堂, 李红浪, 程利娜 申请人:中国科学院声学研究所