新结构声表面波质量传感器及声表面波集成声路隔离吸声技术的研究

摘要

具有相对带宽窄，等效Qe值高的声表面波质量传感器的设计技术是改善声表面波(SAW)质量传感器对微小质量变化灵敏度，测量可靠性和精度的关键，本文把声表面波滤波器设计中的多条带耦合器设计技术，孔径变迹设计技术和一些通信滤波器采用的倾斜反射栅设计技术相融合，应用到声表面波传感器的设计当中，研究了一种带倾斜反射器孔径加权的Y型双声路质量传感器，在振荡的模式下传感器的等效Qe值达到104以上，因此将大大提高传感器的测量精度和可靠性。建立了计及边缘反射虚假信号情况下传感器的P矩阵计算模型，把P矩阵理论分析和实验验证相结合，研究了传感器的传输特性，以及传感器等效Qe值改善的原因；将传统的P矩阵模型和Fabry-Perot模型融合，模拟了器件的频域特性。本文还研究了和标准SAW工艺兼容的新型隔离吸声技术，以解决集成声路之间信号串绕的问题，并用扰动理论推导了粘弹性薄膜吸声效率和薄膜涂覆的几何尺寸之间的关系。本文的主要研究内容： 一新结构传感器的设计与测试1把多种声表面波滤波器设计技术相融合，研制了一种具有较好通带特性的延迟线型，带反射器的孔径加权Y型双声路声表面波质量传感器。再通过电子振荡线路的辅助，实现振荡模式下，具有高等效Qe值的质量传感器，大大提高了传感器的测量精度，可靠性和准确性。 ●采用数字傅立叶变换的方法，设计了声孔径加权变迹的输入换能器，从而有效的抑制旁瓣，减小过渡带宽，有利于振荡模式下获得高等效Qe值； ●用耦合器技术，控制声表面波能量的分布，实现了声路的并联，既回避了体波对声表面波信号的干扰，又保证了参考声路和测量声路良好的对称性。 ●移植了通信滤波器中的倾斜反射器结构，实现了对终端反射虚假信号的衰减，根据声表面波在倾斜反射器中的分布模型，对反射栅中的声场模拟，由模拟结果设计了反射器的几何参数。 2在128°Y-X方向LiNbO3衬底上实现了上述新结构传感器的流片，封装，用阻抗匹配和振荡两种测试系统测试了双声路质量传感器的温度特性和灵敏度，实验结果表明： ●Y型质量传感器的双声路结构可实现良好的温度补偿的效果。补偿以后温度系数为6.2Hz/℃。比单声路温度系数下降3个数量级，基本消除了温度对测量结果的影响。 ●质量沉积灵敏度在阻抗匹配模式下测得为：5.13GHz·cm2/g(相对灵敏度为4.2m2/kg)在振荡模式下为5.24GHz·cm2/g(相对灵敏度为4.3m2/kg)。 上述实验结果已经被SensorandActuators：B杂志发表。二建立传感器的P矩阵计算模型，并对频响特性模拟，理论分析结合实验验证，研究了传感器的传输特性。 1用P矩阵方法，推导了考虑边缘反射情况下传感器的P矩阵模型，计算并比较了不同结构器件中心频率处各种传输信号以及边缘反射虚假信号的插入损耗.将声表面波双端谐振器中的Fabry-Perot模型与P矩阵方法结合，模拟了终端带倾斜反射器设计和不带反射器设计两种结构器件的频响。 2测试了终端带倾斜反射器和不带反射器两种结构器件的频域和时域响应，并与文献报道的简单结构的器件进行对比。 3理论与实验结果都表明：与具有均匀孔径换能器的传感器相比，当传感器的换能器采用孔径加权设计后，其三次五次回波减小约2dB，旁瓣抑制增加15dB，短期频率稳定度改善-1.81dBc/Hz，在振荡模式下的等效Qe值由4800提高到8689。而比较终端带倾斜反射器和不带反射器两种结构器件的频响可知，有倾斜反射器时，器件的通带纹波减小大约2dB，等效Qe值提高到12477，短期频率稳定度比不带反射器的器件改善-1.2dBc/Hz。 三在新型终端吸声隔离技术的研究中，1采用光敏型聚酰亚胺作为吸声材料。 用扰动理论推导了粘弹性聚酰亚胺薄膜对声表面波的衰减模型。结论表明，传输声路表面覆盖聚酰亚胺薄膜时，声表面波的传输损耗和器件的中心频率，以及所涂覆薄膜的厚度和宽度成正比。实验表明在165MHz器件的表面涂覆厚5μm的聚酰亚胺，声表面波的衰减和薄膜宽度的关系为9.5dB/mm，实现了良好的声路隔离效果。 2用钛扩散和质子交换引入表面应力的方法衰减声表面波。 在铌酸锂表面局部区域用钛扩散和质子交换工艺，破坏表面的晶格，产生应力从而衰减声表面波。并用正胶lift-off工艺制作了可测试的器件，讨论了制作工艺。实验结果表明，当表面沉积厚2000埃的钛薄膜，高温扩散以后，应力区对声表面波的衰减为7.075dB/mm；质子交换区对声表面波的衰减为5.82dB/mm。 如今，声表面波传感器的应用已经越来越广泛，研究人员正在通过对传感器结构的改善，来满足其在灵敏度，可靠性，以及测量精度等方面的要求，预计今后会有更多的工作将在传感器的新结构设计方面开展。

目录

文摘

英文文摘

论文说明：资助

第一章序论

1.1引言

1.2 SAW传感器的发展及本文在该方向的研究意义与工作

1.2.1声表面波传感器的发展情况

1.2.2本文在新结构传感器方面的研究意义与工作

1.3 SAW器件模型的发展及本文在该方向研究的意义与工作

1.3.1脉冲模型

1.3.2等效电路模型

1.3.3耦合模模型

1.3.4 P矩阵模型

1.3.5 Fabry-Perot谐振腔模型

1.3.6本文在传感器模型中的研究意义与工作

1.4 SAW器件的终端隔离吸声技术及本文在该方向研究的意义与工作

1.4.1声表面波吸声结构的研究现状

1.4.2终端吸声技术的研究意义及本研究的工作

1.5本论文的主要研究工作以及论文结构

参考文献

第二章声表面波技术

2.1声表面波技术

2.1.1声表面波

2.1.2声表面波器件

2.2声表面波传感器

2.3声表面波端面反射以及倾斜反射器

2.4换能器及耦合器设计方法介绍

2.4.1输入输出叉指换能器(IDT)的设计方法

2.4.2耦合器的原理与设计方法

2.5 P矩阵模型分析换能器特性

2.6扰动理论推导薄膜粘滞特性的常用概念

2.6.1声阻抗率以及基片材料常数

2.6.2传播常数

2.6.3粘弹性

2.6.4复数模量

2.6.5切变模量G,体模量K,杨氏模量E,泊松比

本章小结

参考文献

第三章新结构声表面波质量传感器设计

3.1传感器框架结构介绍

3.2输入输出IDT的设计

3.2.1 IDT周期、最大孔径、中心间距设计

3.2.2 IDT的加权孔径以及叉指对数设计

3.3耦合器参数设计

3.3.1耦合器的节距及电极宽度设计

3.3.2耦合器的电极数目设计

3.3.3耦合器的孔径Wa，Wb设计

3.4倾斜反射器的设计

3.4.1倾斜角以及反射栅的孔径

3.4.2反射器金属条数、周期的设计与声场模拟

3.5传感器设计参数汇总以及版图设计

3.5.1输入输出IDT的设计参数

3.5.2耦合器的设计参数

3.5.3反射器的设计参数

3.5.4其他参数

3.5.5流片版图

本章小结

参考文献

第四章SAW质量传感器特性测试与分析

4.1质量沉积区的制作以及质量沉积溶液配制

4.1.1铌酸锂衬底负性光刻胶制备质量沉积区的工艺介绍

4.1.2质量沉积区版图

4.1.3质量沉积溶液

4.2实验测试系统

4.2.1阻抗匹配测试电路

4.2.2振荡测试系统

4.3 SAW质量传感器温度特性测试

4.3.1阻抗匹配模式下的传感器单声路与双声路温度特性

4.3.2振荡方式下传感器的单声路与双声路温度特性

4.3.3新结构SAW传感器和其他双声路传感器温度特性比较

4.4 SAW质量传感器灵敏度测试

4.4.1阻抗匹配测试系统测试传感器的灵敏度

4.4.2振荡测试系统测试传感器的灵敏度

4.5 SAW质量传感器的应用

本章小结

参考文献

附录

第五章SAW质量传感器频域特性的P矩阵分析与实验结果

5.1 P矩阵理论基础

5.2中心频率处各次传输信号与反射信号的P矩阵模型

5.2.1传感器的P矩阵参数的计算

5.2.2各次传输信号的P矩阵模型

5.2.3各次传输信号造成的反射信号的P矩阵模型

5.2.4总插入损耗

5.2.5 P矩阵模型对不同结构器件的计算结果

5.3改进的P矩阵方法对传感器频响特性的分析与模拟

5.3.1 P矩阵参数和Fabry-Perot模型中各个参数的对应关系

5.3.2主信号频响模型

5.3.3三次，五次回波信号的模型

5.3.4考虑边缘反射和IDT之间高次反射的器件模型

5.3.5模拟结果

5.4不同结构的传感器时频特性的对比与分析

5.4.1孔径加权变迹传感器和均匀孔径传感器频域响应的比较

5.4.2终端有反射器和无反射器两种结构传感器频域与时域分析

5.5振荡模式下不同结构的传感器频响等效Qe值的分析比较

本章小结

参考文献

第六章声表面波器件新型隔离吸声技术的研究

6.1前言

6.2光敏型聚酰亚胺作为声表面波隔离吸声材料

6.2.1光敏型聚酰亚胺的性能特点

6.2.2聚酰亚胺的典型应用

6.3扰动理论推导聚酰亚胺吸声效果

6.4光敏型聚酰亚胺工艺介绍

6.5光敏型聚酰亚胺材料吸声隔离测试结果

6.6钛扩散隔离吸声结构

6.6.1铌酸锂钛扩散的研究进展

6.6.2钛扩散工艺

6.6.3钛扩散隔离吸声测试结果

6.7铌酸锂质子交换表面改性隔离吸声的研究

6.7.1铌酸锂质子交换的研究进展

6.7.2质子交换的工艺

6.7.3质子交换样品测试结果

本章小结

参考文献

第七章总结

7.1本论文的主要工作总结

7.2本论文的创新工作

7.3存在的问题与改进意见

致谢

攻读博士期间作者论文发表情况