新結(jié)構(gòu)聲表面波質(zhì)量傳感器及聲表面波集成聲路隔離吸聲技術(shù)的研究.pdf

1、具有相對帶寬窄，等效Qe值高的聲表面波質(zhì)量傳感器的設(shè)計技術(shù)是改善聲表面波(SAW)質(zhì)量傳感器對微小質(zhì)量變化靈敏度，測量可靠性和精度的關(guān)鍵，本文把聲表面波濾波器設(shè)計中的多條帶耦合器設(shè)計技術(shù)，孔徑變跡設(shè)計技術(shù)和一些通信濾波器采用的傾斜反射柵設(shè)計技術(shù)相融合，應(yīng)用到聲表面波傳感器的設(shè)計當(dāng)中，研究了一種帶傾斜反射器孔徑加權(quán)的Y型雙聲路質(zhì)量傳感器，在振蕩的模式下傳感器的等效Qe值達(dá)到104以上，因此將大大提高傳感器的測量精度和可靠性。建立了計及邊緣

2、反射虛假信號情況下傳感器的P矩陣計算模型，把P矩陣?yán)碚摲治龊蛯嶒烌炞C相結(jié)合，研究了傳感器的傳輸特性，以及傳感器等效Qe值改善的原因；將傳統(tǒng)的P矩陣模型和Fabry-Perot模型融合，模擬了器件的頻域特性。本文還研究了和標(biāo)準(zhǔn)SAW工藝兼容的新型隔離吸聲技術(shù)，以解決集成聲路之間信號串繞的問題，并用擾動理論推導(dǎo)了粘彈性薄膜吸聲效率和薄膜涂覆的幾何尺寸之間的關(guān)系。本文的主要研究內(nèi)容： 一新結(jié)構(gòu)傳感器的設(shè)計與測試1把多種聲表面波濾波器設(shè)

3、計技術(shù)相融合，研制了一種具有較好通帶特性的延遲線型，帶反射器的孔徑加權(quán)Y型雙聲路聲表面波質(zhì)量傳感器。再通過電子振蕩線路的輔助，實現(xiàn)振蕩模式下，具有高等效Qe值的質(zhì)量傳感器，大大提高了傳感器的測量精度，可靠性和準(zhǔn)確性。 ●采用數(shù)字傅立葉變換的方法，設(shè)計了聲孔徑加權(quán)變跡的輸入換能器，從而有效的抑制旁瓣，減小過渡帶寬，有利于振蕩模式下獲得高等效Qe值； ●用耦合器技術(shù)，控制聲表面波能量的分布，實現(xiàn)了聲路的并聯(lián)，既回避了體波對聲

4、表面波信號的干擾，又保證了參考聲路和測量聲路良好的對稱性。 ●移植了通信濾波器中的傾斜反射器結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)了對終端反射虛假信號的衰減，根據(jù)聲表面波在傾斜反射器中的分布模型，對反射柵中的聲場模擬，由模擬結(jié)果設(shè)計了反射器的幾何參數(shù)。 2在128°Y-X方向LiNbO3襯底上實現(xiàn)了上述新結(jié)構(gòu)傳感器的流片，封裝，用阻抗匹配和振蕩兩種測試系統(tǒng)測試了雙聲路質(zhì)量傳感器的溫度特性和靈敏度，實驗結(jié)果表明： ●Y型質(zhì)量傳感器的雙聲路結(jié)構(gòu)

5、可實現(xiàn)良好的溫度補償?shù)男Ч?。補償以后溫度系數(shù)為6.2Hz/℃。比單聲路溫度系數(shù)下降3個數(shù)量級，基本消除了溫度對測量結(jié)果的影響。 ●質(zhì)量沉積靈敏度在阻抗匹配模式下測得為：5.13GHz·cm2/g(相對靈敏度為4.2m2/kg)在振蕩模式下為5.24GHz·cm2/g(相對靈敏度為4.3m2/kg)。 上述實驗結(jié)果已經(jīng)被SensorandActuators：B雜志發(fā)表。二建立傳感器的P矩陣計算模型，并對頻響特性模擬，理論分

6、析結(jié)合實驗驗證，研究了傳感器的傳輸特性。 1用P矩陣方法，推導(dǎo)了考慮邊緣反射情況下傳感器的P矩陣模型，計算并比較了不同結(jié)構(gòu)器件中心頻率處各種傳輸信號以及邊緣反射虛假信號的插入損耗.將聲表面波雙端諧振器中的Fabry-Perot模型與P矩陣方法結(jié)合，模擬了終端帶傾斜反射器設(shè)計和不帶反射器設(shè)計兩種結(jié)構(gòu)器件的頻響。 2測試了終端帶傾斜反射器和不帶反射器兩種結(jié)構(gòu)器件的頻域和時域響應(yīng)，并與文獻(xiàn)報道的簡單結(jié)構(gòu)的器件進(jìn)行對比。

7、 3理論與實驗結(jié)果都表明：與具有均勻孔徑換能器的傳感器相比，當(dāng)傳感器的換能器采用孔徑加權(quán)設(shè)計后，其三次五次回波減小約2dB，旁瓣抑制增加15dB，短期頻率穩(wěn)定度改善-1.81dBc/Hz，在振蕩模式下的等效Qe值由4800提高到8689。而比較終端帶傾斜反射器和不帶反射器兩種結(jié)構(gòu)器件的頻響可知，有傾斜反射器時，器件的通帶紋波減小大約2dB，等效Qe值提高到12477，短期頻率穩(wěn)定度比不帶反射器的器件改善-1.2dBc/Hz。 三

8、在新型終端吸聲隔離技術(shù)的研究中，1采用光敏型聚酰亞胺作為吸聲材料。 用擾動理論推導(dǎo)了粘彈性聚酰亞胺薄膜對聲表面波的衰減模型。結(jié)論表明，傳輸聲路表面覆蓋聚酰亞胺薄膜時，聲表面波的傳輸損耗和器件的中心頻率，以及所涂覆薄膜的厚度和寬度成正比。實驗表明在165MHz器件的表面涂覆厚5μm的聚酰亞胺，聲表面波的衰減和薄膜寬度的關(guān)系為9.5dB/mm，實現(xiàn)了良好的聲路隔離效果。 2用鈦擴(kuò)散和質(zhì)子交換引入表面應(yīng)力的方法衰減聲表面波。

9、 在鈮酸鋰表面局部區(qū)域用鈦擴(kuò)散和質(zhì)子交換工藝，破壞表面的晶格，產(chǎn)生應(yīng)力從而衰減聲表面波。并用正膠lift-off工藝制作了可測試的器件，討論了制作工藝。實驗結(jié)果表明，當(dāng)表面沉積厚2000埃的鈦薄膜，高溫擴(kuò)散以后，應(yīng)力區(qū)對聲表面波的衰減為7.075dB/mm；質(zhì)子交換區(qū)對聲表面波的衰減為5.82dB/mm。 如今，聲表面波傳感器的應(yīng)用已經(jīng)越來越廣泛，研究人員正在通過對傳感器結(jié)構(gòu)的改善，來滿足其在靈敏度，可靠性，以及測量精度等