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專利名稱：水晶偽表面波壓力敏感元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明專利涉及壓力敏感裝置。尤其是一種水晶偽表面波壓力敏感元件。
近些年來，國內(nèi)外出現(xiàn)了一種高性能的新型傳感器-水晶表面波壓力傳感器(SAWPS)。涉及此種傳感器的專利較多，如美國專利3848144、3863493、3978731，日本公開特許昭61-207942，蘇聯(lián)發(fā)明742734和1177696A等。目前的水晶表面波壓力傳感器全部使用瑞利波模式(Rayleighwave)俗稱聲表面波。嚴(yán)格地說，應(yīng)稱為水晶瑞利波壓力傳感器。其心臟部分是水晶瑞利波壓力敏感元件。


圖1為目前使用的延遲線型瑞利表面波壓力敏感元件的典型結(jié)構(gòu)圖。
1是經(jīng)研磨和拋光的壓電石英單晶片(俗稱水晶基片)，通常采用長方形，并在其邊緣涂覆吸聲材料，例如吸聲橡膠、環(huán)氧樹脂等以抑制基片邊緣聲反射。A、B、C、D是叉指換能器(IDT)。因其形狀如叉開的手指而得名。當(dāng)輸入IDTA、C上外加電信號時，則在水晶表面上激勵起瑞利波波束8并傳播到輸出IDTB和D。為了提高壓力靈敏度，在基片的背面利用機(jī)械法(研磨、超聲波加工等)或化學(xué)刻蝕法制作盲孔2俗稱水晶杯。IDTA包括超聲鍵合電極4和5、匯流條6、7以及n個重復(fù)周期的電極區(qū)段M1、M2……Mn通常取n＝100～1000。在每個重復(fù)周期電極內(nèi)，例如M1區(qū)段內(nèi)(虛線框)有4條指N1，N2，N3，N4，其中N1、N2相鄰并且與上匯流條6相連，N3、N4相鄰并且與匯流條7相連。N1、N2與N3、N4相叉。每條叉指電極的指寬、指間間隙和相鄰匯流條的間隙均為λs/8，式中λs是中心頻率時水晶的瑞利波波長。
當(dāng)被測壓力加在水晶杯上時，水晶杯膜片3產(chǎn)生應(yīng)變，則使其表面上傳播的瑞利波8的特性發(fā)生變化，當(dāng)與外電路相聯(lián)構(gòu)成振蕩器，則其頻率隨之變化。因此可以測得壓力的大小。IDTC的C、D的結(jié)構(gòu)與IDT的A、B結(jié)構(gòu)完全相同，設(shè)置IDTC、D的目的是為了利用差頻原理，進(jìn)行溫度補(bǔ)償。目前此種敏感元件存在某些問題瑞利波的質(zhì)點(diǎn)位移振幅隨著深度呈指數(shù)衰減，其能量絕大部分集中在表面一個波長的范圍內(nèi)。因此，水晶表面的缺陷(位錯等)，表面加工缺陷、劃痕、灰塵等都會影響瑞利波的傳播特性。另外，任何固體、液體與水晶杯上表面的物理接觸都會使瑞利波振幅發(fā)生很大衰減，使振蕩器停振。因此，瑞利波壓敏元件不能進(jìn)行表面鈍化或者在其外殼內(nèi)部充填硅油等導(dǎo)壓液，使芯片與被測環(huán)境隔離。這嚴(yán)重地限制了它在惡劣環(huán)境下使用。
本發(fā)明的目的在于針對上述問題，提供一種壓力分辨率大，溫度穩(wěn)定性佳，長期穩(wěn)定性好，并可進(jìn)行表面鈍化和(或者)充填導(dǎo)壓液的水晶偽表面波壓力敏感元件。
本發(fā)明技術(shù)解決方案輸入、輸出端的叉指換能器(IDT)分別為四指、三指-分割、并聯(lián)、懸浮式。具體結(jié)構(gòu)為輸入端叉指換能器E、G的每個周期區(qū)段Qn、Tn(n＝100～1000)，設(shè)置八個以輸入端中匯流條對稱的指電極V1～V4和u1～u4;指電極V3、V4和u3、u4對稱連接于輸入端中匯流條;指電極V1、u1以輸入端中匯流條對稱分別連接于輸入端上、下匯流條;并且，在指電極V1和V3之間，u1和u3之間分別設(shè)置一個懸浮指電極V2和u2。而在輸出端叉指換能器F、H的每個周期區(qū)段Jn、Pn(n＝100～1000)，設(shè)置六個以輸出端中匯流條對稱的指電極W1～W3和R1～R3指電極W1、R1對稱連接于輸出端中匯流條;指電極W2、R2以輸出端中匯流條對稱分別連接于輸出端上、下匯流條;指電極W3、R3分別懸浮于指電極W2、R2的左則。
本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)
1、它大大地降低了偽表面波電極V1、V2…Vn、u1、u2…un、W1、W2…Wn、R1、R2…Rn上的反射。因為這兩種IDT僅使需要的諧波重合而其它次諧波或基波相互偏置，所以頻譜干凈，從而可以獲得與常規(guī)設(shè)計的插入損耗相同而諧波和雜波抑制提高15～20dB的敏感元件。
2、此結(jié)構(gòu)的金屬指電極的條寬較基波工作的常規(guī)IDT指電極寬2～3倍以上，因此大大提高了成品率。
3、此種IDT的動態(tài)阻抗高于常規(guī)IDT而靜電容小于常規(guī)IDT，因此其阻抗較高，便于與放大器實現(xiàn)共扼匹配或?qū)ο笞杩蛊ヅ洌岣吡似湄?fù)載能力同時改善了設(shè)計自由度。
下面結(jié)合附圖2說明本發(fā)明最佳實施例附圖2中，1壓電石英單晶片，E、F、G、H叉指換能器(IDT)，2水晶杯、3杯底膜片、4、5、9、15、16、17超聲鍵合電極，6輸入端上匯流條、7輸入端下匯流條、8偽表面波波束、10輸入端中匯流條、11多功能能量捕集器、12輸出端上匯流條、13輸出端中匯流條、14輸出端下匯流條、Q1～Qn、T1～Tn(n＝100～1000)輸入端周期電極區(qū)段，V1～V4、u1～u4對應(yīng)Q1段的指電極，J1～Jn、P1～Pn(n＝100～1000)輸出端周期電極區(qū)段，W1～W4、R1～R4對應(yīng)J1段的指電極。本實施例中輸入IDT每個指電極的寬度指電極之間的間隙和指電極與相鄰匯流條的間隙均為3λ0/8;輸出IDT每個指電極的寬度指電極之間的間隙和指電極與相鄰匯條的間隙均為λ0/3并且在輸入、輸出端中匯流條10、13的端分別設(shè)置一個超聲鍵合電極17和16。另外，該圖中的多功能能量捕集器11，其結(jié)構(gòu)可以是輸入端或輸出端叉指換能器(IDT)的1～20(n＝1～20)個周期區(qū)段(即該捕集器的結(jié)構(gòu)為Qn或Jn〈n＝1～20〉)或為鋁膜。圖2中的捕集器11為Qn結(jié)構(gòu)、其中18、19為該器的超聲鍵合電極，設(shè)置該捕集器的目的是因為偽表面波邊傳播，邊向晶體內(nèi)部輔射能量，所以當(dāng)IDT的E、G、與IDT F、H距離較遠(yuǎn)時，損耗太大。加入能量捕集器后，改變了偽表面波傳播邊界條件，使其沿水晶表層傳播減少了能量漏泄，其作用如下(1)降低插入損耗，(2)作為屏蔽電極，抑制輸入，輸出IDT之間的電磁直接耦合，(3)作為偽表面波延遲線的質(zhì)量加載，可微調(diào)頻率，也可調(diào)整溫度特性。
下面結(jié)合圖2說明其工作過程當(dāng)IDTE、G以及IDTF、H與寬帶低噪聲射頻放器(圖中未畫出)聯(lián)結(jié)，構(gòu)成偽表面波振蕩器，水晶杯的切型是Y旋-60°～-45°、Z′傳播或者Y旋30°～55°、Z′傳播。當(dāng)壓力加在水晶杯膜片3上時，由于壓力的作用，膜片材料的密度、彈性常數(shù)、壓電常數(shù)和傳播距離發(fā)生變化，從而導(dǎo)致振蕩器頻率的變化。因此，根據(jù)頻率的改變，可以測量壓力。
權(quán)利要求
1.一種水晶偽表面波壓力敏感元件，由石英單晶片和蒸發(fā)在其上的鋁膜組成，并通過光刻方法在鋁膜上形成若干個周期區(qū)段，每個周期區(qū)段的叉指換能器為四指結(jié)構(gòu)同方向的N1、N2指與逆方向的N3、N4指叉接，本發(fā)明特征在于a、輸入端叉指換能器E、G的每個周期區(qū)段Qn、Tn(n=100～1000)，設(shè)置八個以輸入端中匯流條10對稱的指電極V1～V4和U1～U4指電極V3、V4和U3、U4對稱連接于輸入端中匯流條10；指電極V1、U1以輸入端中匯流條10對稱分別連接于輸入端上、下匯流條6、7；并且，在指電極V1和V3間，U1、U3之間分別設(shè)置一個懸浮指電極V2和U2；b、輸出端叉指換能器F、H的每個周期區(qū)段Jn、Pn(n=100～1000)，設(shè)置六個以輸出端中匯流條13對稱的指電極W1～W3和R1～R3指電極W1、R1對稱連接于輸出端中匯流條13；指電極W2、R2以輸出端中匯流條13對稱分別連接于輸出端上、下匯流條12、14；指電極W3、R3分別懸浮于指電極W2、R2的左側(cè)。
2.根據(jù)權(quán)利要求2所述的水晶偽表面波壓力敏感元件，其特征在輸入、輸出端叉指換能器之間，插入一個多功能能量捕集器11，其結(jié)構(gòu)為它可以是輸入端(E、G)或輸出端(F、H)叉指換能器的1～20(n＝1～20)個周期區(qū)段，或為鋁膜。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水晶偽表面波壓力敏感元件，其特征a、輸入IDT每個指電極的寬度，指電極之間的間隙和指電極與相鄰匯流條的間隙均為3λ0/8。b、輸出IDT的每個指電極的寬度指電極之間的間隙和指電極與相鄰匯流條的間隙均為λ0/3。c、輸入、輸出端中匯流條10、13的一端，分別設(shè)置一個超聲鍵合電極9和15。(λ0是偽表面波的工作頻率波長)
全文摘要
本發(fā)明公開了一種水晶偽表面波壓力敏感元件。它利用水晶材料的優(yōu)良彈性、壓電性和溫度穩(wěn)定性，并把工作頻率高、穩(wěn)定性可比瑞利波(欲稱聲表面波)高近一個數(shù)量級的偽表面波模式引入傳感器工作機(jī)制。本發(fā)明提出一種諧波工作的4指-3指叉指電極(分割——并接——懸浮式叉指結(jié)構(gòu))，以及多功能的能量捕集器，獲得具有高純頻譜、高負(fù)載能力，溫度特性可調(diào)整的壓力敏感元件。
文檔編號G01L9/00GK1067963SQ9210263
公開日1993年1月13日 申請日期1992年3月27日 優(yōu)先權(quán)日1992年3月27日
發(fā)明者林江, 武樹岑, 季朋義, 范加玲, 張濱華, 陳秀英, 王群, 番洪泉 申請人:機(jī)械電子工業(yè)部第四十九研究所