專利名稱：一種用于氣體傳感器的聲表面波諧振器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及聲學(xué)技術(shù)中的一種聲表面波諧振器(以下簡稱SAW諧振器)，特別是涉及一種用于氣體傳感器的具有鋁/金電極結(jié)構(gòu)的高Q值、低損耗與單一諧振模式的兩端對聲表面波諧振器。
背景技術(shù)：
作為例子，常規(guī)結(jié)構(gòu)的用于氣體傳感器的兩端對SAW諧振器11，它是一種同步型的諧振器，由壓電基片12和在其上設(shè)置的第一叉指換能器14和第二叉指換能器15及兩個與之臨近的第一短路柵反射器13和第二短路柵反射器16組成，如圖1所示。兩個叉指換能器和與之相鄰的反射器邊緣間距I1和I2為O. 25 λ (λ :聲波波長)，兩個叉指換能器之間的距離為半波長的整數(shù)倍。在用于氣體傳感器之時，在整個器件的聲傳播路徑上鍍上敏感膜用于氣體檢測。但是由于敏感膜鍍膜過程中，由于鍍膜的液體材料導(dǎo)致對器件叉指及反射器電極的破壞，直接影響了器件的頻響特性；此外，在整個器件表面鍍膜將導(dǎo)致較大的聲傳播衰減，從而影響到了傳感器的穩(wěn)定性。作為例子， 常規(guī)結(jié)構(gòu)的用于氣體傳感器的另外一種兩端對SAW諧振器21，它也是一種同步型的諧振器，與同步型的諧振器11類似，它也是由壓電基片22和在其上設(shè)置的第一叉指換能器24和第二叉指換能器25及兩個與之臨近的第一短路柵反射器23和第二短路柵反射器26組成，兩個叉指換能器和與之相鄰的反射器之間間隔與SAW諧振器11類似，與SAW諧振器11不同之處在于為了避免敏感膜鍍膜對電極的影響，在兩個換能器之間加上了一層金屬膜27 (面積一般在2-4mm2)，用于敏感膜的鍍膜。但是這種結(jié)構(gòu)不足之處在于，由于金屬膜27的存在，使得SAW諧振器21的諧振腔過大，從而使得這種同步型諧振器的頻率響應(yīng)出現(xiàn)了多模式(如圖4所示)，但是，每個模式間損耗接近，Q值低，這就有可能在多個頻率點(diǎn)滿足振蕩器的振蕩條件，從而影響到了振蕩器的頻率穩(wěn)定性，進(jìn)而影響到氣體傳感器的穩(wěn)定性。此外，上述兩個例子中的兩種常規(guī)諧振器，一般采用鋁材料作為器件的換能器與反射器電極，在某些有毒氣體檢測環(huán)境中易于受到腐蝕等，從而影響到氣體傳感器的穩(wěn)定性與使用壽命。為改善這種待測氣體環(huán)境中的腐蝕問題，部分文獻(xiàn)提出采用金電極的諧振器結(jié)構(gòu)(Avramov I D, Voigt A, Rapp M. Rayleigh SAW resonators using gold electrodestructure for gas sensor applications in chemically reactive environments.Electronics Letters; 2005; 41 (7) : 450-452.),但是這種金電極一則增加了器件的制作成本，另外，金材料的高密度特點(diǎn)使其膜厚對器件的影響非常明顯，這就增加了器件的制作工藝難度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于解決上述的用于氣體傳感器的SAW諧振器所存在的一些問題；為了實(shí)現(xiàn)表面波諧振器具有低插入損耗，高Q值，良好的溫度特性，單一諧振模式并且能夠具有耐腐蝕的特點(diǎn)；從而提供一種以鋁/金為叉指電極，以石英為壓電基片，并采用換能器與反射器的不同間距的異步型SAW諧振器。為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本申請?zhí)岢隽艘环N新型兩端對SAW諧振器，其特征在于所述的SAW諧振器31由壓電基片32，在壓電基片32上利用半導(dǎo)體工藝設(shè)置的第一叉指換能器34和第二叉指換能器35以及與兩個叉指換能器相鄰的第一短路柵反射器33和第二短路柵反射器36，和兩個叉指換能器之間的用于氣體傳感器敏感膜載體的金屬膜37組成。所述的SAW諧振器31的第一叉指換能器34、第二叉指換能器中35、第一短路柵反射器33、第二短路柵反射器36以及兩個叉指換能器之間的金屬膜37均采用厚鋁薄金的雙層電極結(jié)構(gòu)，其中鋁的厚度為1% 1. 3% λ ( λ :聲波波長)，金的厚度為O. 15% O. 25% λ。由于采用鋁/金雙層電極模式，并調(diào)整了叉指換能器與反射器間距以及金屬膜的寬度，使得這種SAW諧振器具有單一諧振模式，低損耗和高Q值的特點(diǎn)。作為上述技術(shù)方案的另一種改進(jìn)，所述的第一短路柵反射器33和第一叉指換能器34之間的邊緣距離I3為O. 75 λ ;所述的第二短路柵反射器36和第二叉指換能器35之間的邊緣間距I4為O. 5 λ ;所述的第一叉指換能器34、第二叉指換能器35與金屬膜37之間的邊緣間距I5和I6為3 λ 10 λ。所述的金屬膜37的寬度為NX λ +0. 3 λ (N為大于10的整數(shù))，為滿足氣體傳感器敏感膜的鍍膜需要，金屬膜37的面積為2 4mm2，優(yōu)選為3mm2。作為上述技術(shù)方案的一種改進(jìn)，所述的第一叉指換能器34和第二叉指換能器35以及第一短路柵反射器33和第二短路柵反射器36的電極寬度均為1/4 λ。作為上述技術(shù)方案的一種改進(jìn)，所述的壓電基片I為旋轉(zhuǎn)42. 75° Y切割，X方向傳播石英。所述的壓電基片(32)采用溫度系數(shù)為零的ST石英基片。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，本發(fā)明涉及一種用于氣體傳感器的兩端對SAW諧振器，包括電極寬度為1/4 λ的兩個叉 指換能器和與之相鄰的兩個短路柵反射器，以及兩個叉指換能器之間的金屬膜組成。叉指換能器、短路柵反射器以及金屬膜均采用厚鋁薄金的雙層電極結(jié)構(gòu)以改善氣體傳感器的穩(wěn)定性以及使用壽命，同時通過調(diào)整叉指換能器與反射器邊緣間距和換能器與中間金屬膜之間間距以及金屬膜寬度來獲得SAW諧振器的單一諧振模式以及高Q值，以改善氣體傳感器的檢測下限以及穩(wěn)定性。


圖1是展示一常規(guī)的用于氣體傳感器的同步型兩端對SAW諧振器圖2是展示一常規(guī)的用于氣體傳感器的具有金屬膜的同步型兩端對SAW諧振器圖3是展示本發(fā)明的兩端對SAW諧振器圖4是展示常規(guī)的用于氣體傳感器的具有金屬膜的同步型兩端對SAW諧振器(如圖2)的典型頻率響應(yīng)曲線5是展示本發(fā)明的兩端對SAW諧振器(如圖3)的典型幅度響應(yīng)曲線6是展示本發(fā)明的兩端對SAW諧振器(如圖3)的典型相位響應(yīng)曲線圖附圖標(biāo)識11.同步型SAW諧振器12.同步型SAW諧振器的壓電基片13.同步型SAW諧振器的第一短路柵反射器
14.同步型SAW諧振器的第一叉指換能器15.同步型SAW諧振器的第二叉指換能器16.同步型SAW諧振器的第二反射器21.具有金屬膜的同步型SAW諧振器22.常規(guī)具有金屬膜的同步型SAW諧振器的壓電基片23.常規(guī)具有金屬膜的同步型SAW諧振器的第一短路柵反射器24.常規(guī)具有金屬膜的同步型SAW諧振器的第一叉指換能器25.常規(guī)具有金屬膜的同步型SAW諧振器第二叉指換能器26.常規(guī)具有金屬膜的同步型SAW諧振器的第二反射器27.常規(guī)具有金屬膜的同步型SAW諧振器的金屬膜31.本發(fā)明中的SAW諧振器32.本發(fā)明的SAW諧振器的壓電基片33.本發(fā)明的SAW諧振器的第一短路柵反射器34.本發(fā)明的SAW諧振器的第一叉指換能器35.本發(fā)明的SAW諧 振器的第二叉指換能器36.本發(fā)明的SAW諧振器的第二短路柵反射器37.本發(fā)明的SAW諧振器的金屬膜
具體實(shí)施例方式為了更全面的理解本發(fā)明，并為了解本發(fā)明另外的目的和優(yōu)點(diǎn)，現(xiàn)在結(jié)合相應(yīng)附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)地說明。圖3展示了本發(fā)明的用于氣體傳感器的SAW諧振器的實(shí)施例，該SAW諧振器由一矩形壓電基片32和設(shè)置于其上的兩個相同長度的第一叉指換能器34和第二叉指換能器35，和與兩個叉指換能器相鄰的第一反射器33和第二反射器36，以及兩個叉指換能器之間的金屬膜37構(gòu)成。為改善器件的溫度穩(wěn)定性，壓電基片32為溫度系數(shù)為零的ST石英基片。本實(shí)施例的特征在于采用了鋁和金雙層電極材料，克服了單純采用鋁電極在氣體環(huán)境中受檢測氣體腐蝕的問題，同時也降低了單純采用金電極的成本以及采用金電極導(dǎo)致的器件制作工藝難度。電極采用厚鋁薄金結(jié)構(gòu)，即鋁一般采用1% 1. 3%λ (λ:聲波波長)，金為O. 15% O. 25% λ。同時，通過調(diào)整第一短路柵反射器33與第一叉指換能器34之間的邊緣間距I3為O. 75 λ，調(diào)整第二叉指換能器35與第二短路柵反射器36之間的邊緣間距I4為O. 5 λ，調(diào)整金屬膜寬度為NX λ +0. 3 λ (N為大于10的整數(shù))，并且調(diào)整第一叉指換能器34與第二叉指換能器35與金屬膜37的邊緣間距I5和I6為3 λ 10 λ，由此可以獲得低損耗、高Q值和單一的諧振模式的特點(diǎn)。如圖3所示的實(shí)施例，為滿足聲表面波氣體傳感器敏感膜鍍膜的需要，作為敏感膜鍍膜的載體金屬膜37的寬度一般為2 4mm2,優(yōu)選為3mm2。如圖3所示的實(shí)施例，制備了 SAW諧振器的樣品，諧振器的工作頻率為300MHz，基片材料采用42. 75° Y切割，X方向傳播石英基片32，鋁/金電極膜厚分別為1300埃和200埃。第一短路柵反射器33、第一叉指換能器34、第二叉指換能器35和第二短路柵反射器的電極寬度均采用1/4 λ。第一短路柵反射器33和第二短路柵反射器36的長度均為150 λ，第一叉指換能器34和第二叉指換能器35的長度均為41 λ。聲孔徑為200 λ。第一短路柵反射器33與第一叉指換能器34之間的邊緣間距I3為O. 75 λ，第二叉指換能器35與第二短路柵反射器之間的邊緣間距I4為O. 5 λ，第一叉指換能器34與第二叉指換能器35與金屬膜37的邊緣間距I5和I6為10 λ。金屬膜37的寬度為125. 3 λ。這樣，首先器件可以獲得較低的損耗，且具有單一諧振模式，可以使得其諧振器型振蕩器的頻率穩(wěn)定性獲得改善；此外，鋁/金電極可以保證器件具有優(yōu)良的耐腐蝕性，更適合于各種氣體傳感器應(yīng)用。圖4示出了常規(guī)具有金屬膜的同步型SAW諧振器21的典型幅頻響應(yīng)，圖5與圖6分別示出了本發(fā)明實(shí)施例的SAW諧振器31的典型幅頻響應(yīng)和相位響應(yīng)，從圖中可以看出本發(fā)明實(shí)施例的SAW諧振器相對常規(guī)的具有金屬膜的同步型SAW諧振器21而言，具有單一的諧振峰，低損耗( 5dB)與高Q值( 2000)的特點(diǎn)。最后所應(yīng)說明的是，以上實(shí)施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制。盡管參照實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，都不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求 范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求
1.一種用于氣體傳感器的SAW諧振器，所述的SAW諧振器(31)包括壓電基片(32)，置于壓電基片(32)表面的第一叉指換能器(34)、第二叉指換能器(35)、分別與第一叉指換能器(34)、第二叉指換能器(35)外側(cè)相鄰的第一短路柵反射器(33)和第二短路柵反射器(36)、以及兩個叉指換能器之間設(shè)置的金屬膜(37)，其特征在于所述的第一叉指換能器(34)、第二叉指換能器(35)、第一短路柵反射器(33)、第二短路柵反射器(36)和金屬膜(37)均采用厚鋁薄金的雙層電極結(jié)構(gòu)，其中，鋁的厚度為1% 1. 3%λ，金的厚度為O. 15% O.25% λ，λ為聲波波長。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于氣體傳感器的SAW諧振器，其特征在于所述的第一短路柵反射器(33)和第一叉指換能器(34)之間的邊緣間距為O. 75 λ ;所述的第二短路柵反射器(36)和第二叉指換能器(35)之間的邊緣間距為O. 5 λ ;所述的第一叉指換能器(34)、第二叉指換能器(35)與金屬膜(37)之間的邊緣間距均為3 λ 10 λ。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于氣體傳感器的SAW諧振器，其特征在于所述金屬膜(37)的寬度為NX λ +0. 3 λ，N為大于10的整數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或3所述的用于氣體傳感器的SAW諧振器，其特征在于所述的金屬膜(37)的面積為2 4mm2。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的用于氣體傳感器的SAW諧振器，其特征在于所述的第一短路柵反射器(33)、第一叉指換能器(34)、第二叉指換能器(35)和第二短路柵反射器(36)的電極寬度均采用1/4 λ。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于氣體傳感器的SAW諧振器，其特征在于所述的壓電基片(32)為旋轉(zhuǎn)42. 75οΥ切割，X方向傳播石英。
7.權(quán)利要求1或6所述的用于氣體傳感器的SAW諧振器，其特征在于所述的壓電基片(32)采用溫度系數(shù)為零的ST石英基片。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種用于氣體傳感器的SAW諧振器，包括壓電基片(32)，置于壓電基片(32)表面的第一叉指換能器(34)、第二叉指換能器(35)、分別與第一叉指換能器(34)、第二叉指換能器(35)外側(cè)相鄰的第一短路柵反射器(33)和第二短路柵反射器(36)、以及兩個叉指換能器之間設(shè)置的金屬膜(37)，所述的第一叉指換能器(34)、第二叉指換能器(35)、第一短路柵反射器(33)、第二短路柵反射器(36)和金屬膜(37)均采用厚鋁薄金的雙層電極結(jié)構(gòu)，鋁的厚度為1%～1.3%λ，金的厚度為0.15%～0.25%λ，λ為聲波波長。由于采用鋁/金雙層電極模式，并調(diào)整了叉指換能器與反射器間距以及金屬膜的寬度，使得這種SAW諧振器具有單一諧振模式，低損耗和高Q值的特點(diǎn)。
文檔編號H03H9/125GK103066943SQ20121056331
公開日2013年4月24日 申請日期2012年12月21日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月21日
發(fā)明者王文, 謝曉, 何世堂 申請人:中國科學(xué)院聲學(xué)研究所