一种单模式突出的双端对谐振式声表面波检测器制造技术

本发明专利技术涉及一种单模式突出的双端对谐振式声表面波检测器，该检测器包括制作在压电晶片上３个叉指换能器和２个金属反射栅阵；其中，３个叉指换能器之间的间隔相等，且间隔是叉指换能器０．２５波长的０－１００倍；第一金属反射栅阵与其相邻第一叉指换能器之间的间隔，第二金属反射栅阵与其相邻第三叉指换能器之间的间隔相等，且间隔是叉指换能器０．２５波长的１－１０倍；３个叉指换能器的同步频率相等，叉指换能器的同步频率是金属反射栅阵同步频率的０．９５－１．０５倍，频率响应曲线中的两个纵向模式的能量幅度差距大于５ｄＢ。它是一种低插损（小于４ｄＢ）、高Ｑ值（大于２０００）、两模式之间幅度差距足够大（大于１０ｄＢ）的声表面波检测器。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种用于传感器的声表面波检测器，特别涉及一种低损耗、高Q值的 单模式突出的双端对谐振式声表面波检测器。
技术介绍
声表面波(SAW)检测器作为振荡器的频率控制元件，其性能直接影响振荡器的频 率稳定度。根据声表面波振荡器的频率稳定性原理，声表面波检测器的品质因子(Q值)及 插入损耗大小直接影响到振荡器的短期频率稳定度，Q值越高、插入损耗越低，则振荡器的 短期频率稳定度越高，而声表面波振荡器的频率稳定度直接影响SAW气体传感器的检测下 限和敏感度。通常声表面波检测器的器件结构大致有两种，一种是SAW延迟线，另外一种是 SAW谐振器。对于延迟线结构而言，容易提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，间接影响振荡器的频率稳定度；SAW谐振器具有高品质因子和低损耗的特 点，由它作为频控元件组成的振荡器容易起振，但谐振器很难提供敏感膜成膜所需要的区 域，对于不需制作化学膜的传感终端，具有较大优势。本专利技术涉及的正是一种应用于不需制 作化学膜的传感器的双端对谐振式结构声表面波检测器，以下简称双端对谐振器。目前，双端对谐振器的结构又分为两换能器结构(1-2模式)和三换能器结构(1-3 模式)，见文献 1 (IEEE 1975 Ultrasonics Symposium ProceedingsPP241_244)的图 1 和文 献2(IEEE 1996 Ultrasonics Symposium ProceedingsPP61_64)的图 1，在本说明书中用图 1和图2表示这两种双端对谐振器的示意结构。图1中两换能器结构的双端对谐振器有两 个叉指换能器，沿声波传播方向置于压电基片的上表面，两叉指换能器之间互相平行，两反 射栅阵分别平行放置于两叉指换能器的外端；图2中三换能器结构的双端对谐振器有三个 叉指换能器，沿声波传播方向置于压电基片的上表面，三个叉指换能器之间互相平行，两个 反射栅阵分别平行放置于三个叉指换能器的外端。由于反射栅阵的反射，以及换能器的内 反射和换能器之间的相互反射，在两个栅阵之间将会产生多个不同的纵向模式，通常是最 低阶的两个模式响应最大。如果把器件设计成反射器在IDT的谐振频率上谐振，谐振时传 输导纳将会变得很大，这样就可以实现窄带低损耗的通带。图2的结构利用了第一阶和第 二阶纵向模式，即最低阶的对称和反对称模式；图3的结构由于是对称的，反对称模式不再 被激发，所激发的是第一阶和第三阶纵向模式，既最低阶的两个对称模式。在双端对谐振器 中，由于采用谐振结构，在换能器的两端放置反射栅阵，形成谐振腔，声波被限制在谐振腔 中，双向损耗极小，因此可获得很低的插入损耗，有利于提高振荡器的频率稳定性。现有技术的一个很大的缺点是双端对谐振器的两个纵向模式之间差距不够大，其 典型频率响应曲线如图3所示，因而振荡器在振荡时振荡频率容易在两个纵向模式之间发 生跳变，导致振荡器不稳定。Morita等人提出改变双端对谐振器输入和输出换能器之间的间隔可以改变两 个模式之间的频率间隔(见文献 3 :IEEE 1992 Ultrasonics SymposiumProceedings PP95-104)，但如果两个模式之间的幅度差距不够大，仅小范围的改变频率间隔，还是存在振荡频率易于在两个模式之间发生跳变的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的缺陷；为了增加两个纵向模式之间的频率差 距，在双端对谐振器中采用三换能器结构，同时，为了增加两个模式之间能量幅度的差距， 提出优化换能器之间、换能器与反射栅阵之间的间距，以及反射栅阵相对于换能器的频率 偏移，以弱化其中的一个模式来实现一种插入损耗低、Q值高、两模式之间频率间隔远、幅度 差距大的单模式突出的声表面波双端对谐振器。为实现上述专利技术目的，本专利技术提供的单模式突出的双端对谐振式声表面波检测 器，包括制作在基片上的双端对谐振器；其特征在于所述的双端对谐振器由3个叉指换能 器和2个金属反射栅阵阵组成；所述的叉指换能器的同步频率是所述的金属反射栅阵同步 频率的0. 95-1. 05倍，频率响应曲线中的两个纵向模式的能量幅度差距大于5dB (如图5所 示)；3个叉指换能器为第一叉指换能器、第二叉指换能器和第三叉指换能器，2个金属反射 栅阵阵为第一金属反射栅阵和第二金属反射栅阵；其中，所述的第一叉指换能器、所述的第 二叉指换能器和第三叉指换能器的同步频率是一样的；所述的第一叉指换能器、所述的第二叉指换能器和第三叉指换能器的金属化比相 等，其中，金属化比为0. 1-0. 6」所述的第一金属反射栅阵和第二金属反射栅阵的金属化比相等，其中，金属化比 为 0. 1-0. 6 ；所述的第一叉指换能器、所述的第二叉指换能器与所述的第三叉指换能器之间的 间隔相等，且间隔是叉指换能器0.25波长的0-100倍，其中，同步频率f与波长\的关系 为v = X Xf，式中v为材料中的声速；第一金属反射栅阵与其相邻的第一叉指换能器之 间的间隔，第二金属反射栅阵与其相邻的第三叉指换能器之间的间隔相等，且间隔是叉指 换能器0. 25波长的1-10倍。上述技术方案中，所述的第一金属反射栅阵与其相邻的第一叉指换能器之间的间 隔，指的是第一金属反射栅阵中最靠近第一叉指换能器的一端到第一叉指换能器中最靠近 第一金属反射栅阵的一端之间的间隔；所述的第二金属反射栅阵与其相邻的第三叉指换能 器之间的间隔，指的是第二金属反射栅阵中最靠近第三叉指换能器的一端到第三叉指换能 器中最靠近第二金属反射栅阵的一端之间的间隔。上述技术方案中，所述的叉指换能器与反射栅阵均不加权。上述技术方案中，所述的基片材料是36° YX-LiTa03(即36°旋转Y切割，X传播 LiTa03，下同)、42° YX_LiTa03、ST-X 石英、64° YX_LiNb03 或 41° YX_LiNb03。本专利技术提供了一种应用于不需制作化学膜的传感器中的低插损(小于4dB)、高Q 值(大于2000)、两模式之间幅度差距足够大(大于10dB)的声表面波检测器。本专利技术的优点在于本专利技术的声表面波检测器采用优化的三换能器双端对谐振式结构。谐振式结构可 以实现低的插入损耗；双端对谐振器可提供比单端对谐振器更大的传感区域；与两换能器 结构相比，三换能器结构可实现两个模式之间更大的频率间隔；通过优化换能器同步频率 与反射栅阵同步频率之间的比例关系，也就是同步频率的比例关系，以及换能器之间、换能4器与栅阵之间的间距，可实现高Q值，同时，由图5可见，优化后的结构的频率响应结果弱化 了其中一个模式，实现两模式之间的幅度差距大于5dB，与一般的三换能器双端对谐振式结 构相比，优化结构的两模式之间具有更大的幅度差距，实现了单模式突出的特性，从而解决 了现有技术所存在的问题，提供了一种应用于无化学膜传感器的低损耗、高Q值、两模式之 间频率间隔远、幅度差距大的声表面波检测器。附图说明图1已有的两换能器结构双端对谐振器；图2已有的三换能器结构双端对谐振器；图3普通双端对谐振器的典型频率响应曲线；图4本专利技术的优化的三换能器结构双端对谐振器；图5本专利技术实施例中优化的三换能器结构双端对谐振器的频率响应曲线(中心频 率为 332. 6MHz)图面说明如下本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种单模式突出的双端对谐振式声表面波检测器，包括制作在基片上的双端对谐振器；其特征在于：所述的双端对谐振器由３个叉指换能器和２个金属反射栅阵阵组成；所述的叉指换能器的同步频率是所述的金属反射栅阵同步频率的０．９５－１．０５倍，频率响应曲线中的两个纵向模式的能量幅度差距大于５ｄＢ；３个叉指换能器为第一叉指换能器、第二叉指换能器和第三叉指换能器，２个金属反射栅阵阵为第一金属反射栅阵和第二金属反射栅阵；其中，所述的第一叉指换能器、所述的第二叉指换能器和第三叉指换能器的同步频率是一样的；所述的第一叉指换能器、所述的第二叉指换能器和第三叉指换能器的金属化比相等，其中，金属化比为０．１－０．６；所述的第一金属反射栅阵和第二金属反射栅阵的金属化比相等，其中，金属化比为０．１－０．６；所述的第一叉指换能器、所述的第二叉指换能器与所述的第三叉指换能器之间的间隔相等，且间隔是叉指换能器０．２５波长的０－１００倍，其中，同步频率ｆ与波长λ的关系为：ｖ＝λ×ｆ，式中ｖ为材料中的声速；所述的第一金属反射栅阵与其相邻的第一叉指换能器之间的间隔，所述的第二金属反射栅阵与其相邻的第三叉指换能器之间的间隔相等，且间隔是叉指换能器０．２５波长的１－１０倍。...

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：刘久玲，何世堂，李顺洲，刘明华，李红浪，
申请(专利权)人：中国科学院声学研究所，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]