一种用于气体检测的声表面波横向耦合谐振器转让专利
申请号 : CN202210157015.3
文献号 : CN114204914B
文献日 : 2022-06-14
发明人 : 齐晓琳 , 刘建生 , 李霄 , 洪力 , 杨凝 , 戴扬 , 汪志强
申请人 : 中国电子科技集团公司信息科学研究院
摘要 :
权利要求 :
1.一种用于气体检测的声表面波横向耦合谐振器,其特征在于,包括:压电基片、沿所述压电基片长度方向相对设置的第一金属反射栅阵和第二金属反射栅阵,以及,沿所述压电基片宽度方向相对设置且位于所述第一金属反射栅阵和所述第二金属反射栅阵之间的输入换能器和输出换能器;并且,所述声表面波横向耦合谐振器通带内两个低阶横向模式的谐振频率相匹配;其中,所述输入换能器和所述输出换能器均包括有叉指汇流电极以及与所述叉指汇流电极电连接并呈周期分布的叉指电极;
所述输入换能器与所述输出换能器通过所述叉指汇流电极电连接,所述叉指电极的声孔径范围为13λ~15λ,所述叉指汇流电极的宽度范围为0.6λ~0.9λ。
2.根据权利要求1所述的声表面波横向耦合谐振器,其特征在于,所述输入换能器位于沿所述压电基片宽度方向的顶端;
所述输出换能器位于沿所述压电基片宽度方向的底端。
3.根据权利要求1所述的声表面波横向耦合谐振器,其特征在于,所述叉指电极的相对厚度范围为0.02~0.03;和/或,所述叉指电极的金属化比范围为0.5~0.7。
4.根据权利要求1所述的声表面波横向耦合谐振器,其特征在于,所述第一金属反射栅阵和所述第二金属反射栅阵均包括有栅阵汇流电极以及与所述栅阵汇流电极电连接并呈周期分布的栅阵指电极;
所述第一金属反射栅阵与所述第二金属反射栅阵的栅阵指电极均与所述叉指汇流电极电连接。
5.根据权利要求1至4任一项所述的声表面波横向耦合谐振器,其特征在于,所述输入换能器和所述输出换能器的长度范围均为108λ115λ;和/或,~
所述输入换能器和所述输出换能器的波长均为λ。
6.根据权利要求1至4任一项所述的声表面波横向耦合谐振器,其特征在于,所述第一金属反射栅阵和所述第二金属反射栅阵的长度范围均为82λ88λ;和/或,~所述第一金属反射栅阵和所述第二金属反射栅阵的波长均为λG。
7.根据权利要求1至4任一项所述的声表面波横向耦合谐振器,其特征在于,所述输入换能器和所述第一金属反射栅阵、所述第二金属反射栅阵之间的第一间隔相同;
所述输出换能器和所述第一金属反射栅阵、所述第二金属反射栅阵之间的第二间隔相同。
8.根据权利要求7所述的声表面波横向耦合谐振器,其特征在于,所述第一间隔和所述第二间隔的长度范围均为0.4λ0.6λ。
~
9.根据权利要求1至4任一项所述的声表面波横向耦合谐振器,其特征在于,所述压电基片为36º YX‑ LiTaO3基片、42º YX‑LiTaO3基片、ST‑X石英基片、64º YX‑LiNbO3基片和41º YX‑LiNbO3基片中的任一种。
说明书 :
一种用于气体检测的声表面波横向耦合谐振器
技术领域
背景技术
地应用。
以在室温下工作,与现代传感器小型化、智能化的发展趋势相符,在军用毒剂检测、环境污
染监测、药品食品分析、工业分析和公共安全等领域都有广阔的应用前景。
式成本低、体积小、体积小、工艺简单已成为近年来的研究热点。覆盖敏感膜的SAW气体传感
器基本响应机理是通过在SAW检测器表面吸附待测气体使边界条件发生改变,从而影响SAW
传播的相速度,通过对SAW相速度变化量的测量实现对待测气体的监控和测量化。SAW的这
一特点使得SAW器件对其压电基片表面或附近产生的任何物理上的或化学上的变化高度敏
感。与其它类型的气体传感器相比,SAW气体传感器具有很多优点,最突出的就是它灵敏度
高、响应时间短、体积小并且成本低,能够在有线和无线模式下工作并且与现代制造技术的
可兼容性等。将压电基片、敏感材料和叉指换能器(Interdigital transducers, IDTs)等
几个重要部件参数调整合适,并结合高性能的外围电路所构成的SAW气体传感器能够提供
优异的选择性、快速的响应特性、可逆性、线性和稳定度。
素主要包括振荡回路的品质因数、SAW器件插入损耗、环路放大器和分立元件如电容、电感
等的性能参数。SAW检测器在振荡器中起频率选择作用,其品质因数越大、插入损耗越低、相
位特性更好则振荡回路的频率稳定度越好。
供较大的区域用于涂敷敏感膜,但是这种结构的器件损耗较大且Q值较低,基于延迟线的
SAW振荡器的频率稳定度比较差。纵向耦合谐振器的存在的问题是相邻的两个工作模式的
谐振频率间隔大,造成器件响应的带宽较大,Q值低,从而影响振荡器的稳定度,并且该结构
还能导致频带边缘具有较高的寄生响应。即使采用石英等机电耦合系数小的压电材料,两
个谐振峰仍然间隔较大且幅值相近,振荡器工作时容易在两个谐振峰上跳动。
降低了一个谐振峰的激发强度,从而获得了一种低插损(< 4 dB)、高Q值(> 2000)、两模式之间幅度差距足够大(> 10 dB)的声表面波检测器,较好的解决了这个问题,并有效的应用
于GC/SAW。但其只针对应用于不需制作化学膜的传感器,当在覆盖敏感膜的SAW气体传感器
中应用时,检测器覆盖敏感层后会造成主谐振峰插损变大,可能降低抑制措施的效果,使得
两个谐振峰之间的幅值差距变小,进一步造成振荡器工作频率的跳变。
发明内容
电基片宽度方向相对设置且位于所述第一金属反射栅阵和所述第二金属反射栅阵之间的
输入换能器和输出换能器;并且,
λ;和/或,
电基片宽度方向相对设置且位于所述第一金属反射栅阵和所述第二金属反射栅阵之间的
输入换能器和输出换能器;并且,声表面波横向耦合谐振器通带内两个低阶横向模式的谐
振频率相匹配。本发明采用横向耦合SAW谐振器结构,通过设计通带内两个低阶横向模式的
谐振频率极其接近,使器件幅频响应曲线呈现出单一峰值的现象,从而避免振荡器的谐振
频率发生跳变的可能,实现横向耦合SAW谐振器低损耗、高Q值、单一模式控制,将其作为SAW
气体传感器的核心元件,有助于提升传感器检测灵敏度、一致性与稳定性。
附图说明
具体实施方式
部的实施例。基于所描述的本发明的实施例,本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前
提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护范围。
定所提及的形状、数字、步骤、动作、操作、构件、原件和/或它们的组,也不排除出现或加入一个或多个其他不同的形状、数字、步骤、动作、操作、构件、原件和/或它们的组。此外,术语“第一”、“第二”仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指
示技术特征的数量与顺序。
相作用关系。以及,术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅用于表示相对位置关系,当被描述对象的绝对位置改变后,
则该相对位置关系也可能相应地改变。
第二金属反射栅阵120,以及,沿压电基片宽度方向相对设置且位于第一金属反射栅阵110
和第二金属反射栅阵120之间的输入换能器130和输出换能器140。也就是说,本实施例中输
入换能器与输出换能器设置的方向与第一金属反射栅阵、第二金属反射栅阵设置的方向相
垂直,以形成横向耦合的SAW谐振器。并且,基于横向耦合的SAW谐振器结构,本实施例还设
计该谐振器通带内两个低阶横向模式的谐振频率相匹配。
心元件,以作为检测器用于气体检测,本实施例基于上述横向耦合结构可以做到低插损。其
次,对于机电耦合系数小的压电材料也可以做到窄通带,带宽取决于两个低阶横向模式的
频率差,利用这一特点,本实施例还设计该谐振器通带内两个低阶横向模式的谐振频率相
匹配,即两个谐振频率基本一致,以使激发出一阶对称和一阶反对称模式的谐振频率差很
小,叠加后呈现出单一峰值,避免幅频响应存在多个谐振峰而产生谐振频率跳变的现象,实
现振荡器单一模式控制,同时可以获得高Q值。
涂覆敏感膜前后谐振器仍保持良好的特性,避免实验中镀膜前后出现多个峰值且峰值较接
近的情况、以及振荡器振荡频率发生跳变的可能。
器分别作为横向耦合谐振器结构的输入端、输出端,并对应设置在结构中心的顶端和底端。
连接。
与输出换能器的其中一个叉指汇流电极电连接,即该叉指汇流电极相当于位于中间的公共
汇流条,而输入换能器的另外一个叉指汇流电极与输出换能器的另外一个叉指汇流电极分
别位于压电基片的顶端与底端,为两端公共汇流条。也就是说,输入换能器和输出换能器通
过中间的公共接地汇流条连接起来,其左右两侧是第一金属反射栅阵和第二金属反射栅
阵。
金属反射栅阵与第二金属反射栅阵的栅阵指电极均与叉指汇流电极电连接。也就是说,该
第一金属反射栅阵与第二金属反射栅阵与上述输入换能器和输出换能器的中间公共汇流
条电连接。
出单一峰值的现象,避免振荡器的谐振频率发生跳变的可能,实现低损耗、高Q值、单一模式
控制。
~
输入换能器130和输出换能器140的波长(λ)范围均为10μm~13μm。
范围为0.5~0.7;W为叉指电极的声孔径,其范围为13λ~15λ。
电极,即两端公共汇流条的宽度(B2)范围设置为4λ~6λ。
13μm。
110、第二金属反射栅阵120之间的第二间隔(Ls)相同。
~
内两个低阶横向模式的谐振频率设计得极其接近,从而使器件幅频响应曲线呈现出单一峰
值的现象,值得注意的是,这里实际是两个谐振峰,将两个模式靠近叠加后呈现出一个峰值
的现象,从而实现横向耦合SAW谐振器低损耗、高Q值、单一模式控制。
出换能器通过中间的公共接地汇流条连接起来,两边是金属反射栅阵,并且公共接地汇流
条与两边的金属短路反射栅连接。
单一峰值的现象,得到用于气体传感器的低损耗、高Q值、单一模式控制的SAW横向模式耦合
谐振器。
度为LS,具体值请参考表1。
G为耦合间隙的长度,H为压电基片厚度,具体数值请参考表1。
(3120)。进一步的,通过相频响应对比图3(b),可以发现当谐振器相位变化2π时,对应的频率点落在幅频响应通带以外,此时插入损耗可以达到20dB,不再满足振荡器幅度起振条件,
无法起振,因此振荡器不会发生谐振频率跳变现象,这样可以满足振荡器的单一模式控制
要求。
旋涂的方式涂覆不同厚度(0μm、0.09μm、0.12μm、0.17μm、0.23μm)的PVA敏感膜,测得横向耦合SAW谐振器器件响应结果如图4所示。
明提出了一种应用于声表面波气体传感器的低损耗、高Q值、满足振荡器单一模式控制的声
表面波横向耦合谐振器。
何参数和模型参数将通带内两个低阶横向模式的谐振频率设计得极其接近,从而使器件幅
频响应曲线呈现出单一峰值的现象,进一步实现横向耦合SAW谐振器低损耗、高Q值、单一模
式控制。以及通过器件制作和实验对比验证了谐振器低损耗、高Q值、单一模式控制的特点,
并且涂覆敏感膜前后谐振器仍保持良好的特性,避免实验中镀膜前后出现多个峰值且峰值
较接近的情况、以及振荡器振荡频率发生跳变的可能。
神和实质的情况下,可以做出各种变型和改进,这些变型和改进也视为本发明的保护范围。