專(zhuān)利名稱(chēng)：多反射聲波器件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本申請(qǐng)一般涉及聲波器件，并且特別地涉及允許在較大的溫度變化和擾動(dòng)阻尼(perturbation dampening)之中工作的壓電器件。
背景技術(shù)：
聲波器件已經(jīng)被廣泛地使用在如頻率參考諧振器、延遲線(xiàn)和傳感器的技術(shù)中。最早的聲波器件結(jié)構(gòu)是平行板諧振器，它由具有基本平坦且平行的拋光表面的壓電材料板構(gòu)成，所述表面的一個(gè)或者兩個(gè)都承載著一個(gè)或更多個(gè)導(dǎo)電電極。當(dāng)電壓信號(hào)被施加在電極之間時(shí)，應(yīng)力場(chǎng)引起晶體的彈性形變(應(yīng)變場(chǎng))。晶體的形變改變了晶體內(nèi)電荷的分布，并且，存在凈電荷流(電流)。
更先進(jìn)的聲波器件利用表面聲波、表面橫波或聲平板模式(acoustic plate mode)。那些器件一般被公知為SAW器件或聲平板模式器件。簡(jiǎn)而言之，這些器件包括位于非壓電襯底上面的壓電材料襯底(例如石英或鈮酸鋰)，或者是壓電材料薄膜(例如氧化鋅或硫化鎘)。襯底具有至少一個(gè)被高度拋光過(guò)的有源壓電表面區(qū)域。為了將輸入電能轉(zhuǎn)換為襯底內(nèi)的聲能，并將聲能重新轉(zhuǎn)換為電輸出信號(hào)的輸入和輸出換能器被形成在該表面上。輸入和輸出換能器經(jīng)常包括叉指換能器，每一個(gè)叉指換能器均包括多個(gè)在電氣上分別耦合到輸入信號(hào)和輸出測(cè)量設(shè)備的叉指電極指(electrode finger)。這樣的換能器被公知為IDT(叉指換能器)，并且一般通過(guò)在有源區(qū)域上以所需的形狀沉積例如鋁或金的導(dǎo)電材料薄膜來(lái)形成。電勢(shì)被耦合到輸入換能器，并在壓電襯底中引起機(jī)械應(yīng)力。作為結(jié)果的應(yīng)變沿著襯底的表面?zhèn)鞑サ捷敵鰮Q能器，由此，它們被轉(zhuǎn)換為輸出電信號(hào)。波可以沿著晶體的表面?zhèn)鞑?表面模式)，或者通過(guò)晶體結(jié)構(gòu)的整體來(lái)傳播(波導(dǎo)模式)。
當(dāng)設(shè)計(jì)聲波器件時(shí)，人們必須考慮電極的大小、數(shù)量、質(zhì)量、形狀和連接模式，因?yàn)槟切﹨?shù)顯著地影響器件的性能。電極設(shè)計(jì)的影響在技術(shù)上是公知的。但是，為了簡(jiǎn)潔，這些規(guī)范將涉及在機(jī)電上(electromechanically)不顯著的(insignificant)電極結(jié)構(gòu)，意味著在包含機(jī)電上不顯著的電極的短路換能器下傳播的聲波，由于來(lái)自換能器區(qū)域之外的標(biāo)稱(chēng)表面條件的周期性擾動(dòng)所致，將不經(jīng)歷顯著的進(jìn)入逆向傳播波的反射耦合。和上面所描述的在機(jī)電上不顯著的電極結(jié)構(gòu)相反的自然是在機(jī)電上顯著的(significant)電極結(jié)構(gòu)，它意味著這樣的反射耦合將被生成并被增強(qiáng)。
不顯著的電極一般被設(shè)計(jì)成具有為提供足夠的導(dǎo)電性和附著連接線(xiàn)的能力的電極尺寸所要求的最小厚度(質(zhì)量)。但是，當(dāng)工作頻率增加時(shí)，生成機(jī)械上不顯著的電極變得更加困難，因?yàn)槌叽缦鄬?duì)于頻率來(lái)講以相反的方式降低。此外，在例如鈮酸鋰的具有高壓電耦合的壓電材料中，機(jī)械上不顯著的電極在電氣上(因而機(jī)電上)是顯著的。但是，人們知道，將多于一個(gè)的串行電極連接到同一極性的方法在局部上抵消了所產(chǎn)生的機(jī)電反射，因此使得電極即使在更高的頻率或在高耦合的材料中實(shí)際上也是機(jī)電上不顯著的。
很清楚，晶體中聲波的傳播在本質(zhì)上是機(jī)械的，改變晶體工作的環(huán)境改變了晶體的性能，并且結(jié)果就是壓電器件所呈現(xiàn)的電氣特征也改變了。因此，例如溫度，和/或晶體在其中懸浮的介質(zhì)改變晶體響應(yīng)。因此，將被驅(qū)動(dòng)的晶體暴露到與流體或者聚合物材料接觸將衰減(dampen)晶體中波的傳播，并改變器件的特性響應(yīng)。這種改變可以被用來(lái)測(cè)量流體的某些特性，或者可能是氣體傳感中的聚合物薄膜的副作用，或者是為測(cè)量所述流體的其他性質(zhì)時(shí)流體的副作用。以這種方式生成了靈敏的傳感器。還可以使得傳感器對(duì)特定物質(zhì)有響應(yīng)。例如，這可以通過(guò)將聚合物薄膜放在傳感器上來(lái)進(jìn)行。例如，如果聚合物對(duì)特定氣體或者生物制劑靈敏，則聚合物特性會(huì)改變，并且由此它對(duì)晶體中的機(jī)械擾動(dòng)有影響。在授予Baer等的美國(guó)專(zhuān)利No.5,283,037、授予Martin等的美國(guó)專(zhuān)利No.5,235,235和授予Andle等的美國(guó)專(zhuān)利No.6,033,852b中教導(dǎo)了這種傳感器的實(shí)施例。
理想的傳感器將具有窄的帶寬、高的Q因子以及響應(yīng)于被測(cè)量參數(shù)的定義明確的性能變化。它將呈現(xiàn)寬的動(dòng)態(tài)范圍、高的能量效率(既是為了效率的目的，也是為了限制因其固有問(wèn)題對(duì)高放大的要求)，并且在較寬范圍的周?chē)h(huán)境的變化中可預(yù)見(jiàn)地工作。無(wú)疑地，貫穿測(cè)量范圍，傳感器必須具有唯一的、可測(cè)量的變化，所述測(cè)量范圍一般應(yīng)該盡可能地寬。
將交流電壓信號(hào)饋入聲波器件的輸入換能器將導(dǎo)致晶體中周期性的形變，并且，所產(chǎn)生的聲波當(dāng)入射在輸出換能器上時(shí)，將導(dǎo)致進(jìn)入換能器的負(fù)載阻抗的凈電流效應(yīng)。使用低阻抗電流測(cè)量設(shè)備，在輸出換能器處有可能測(cè)量輸入電壓信號(hào)被延遲和衰減的重現(xiàn)。在理想的器件中，導(dǎo)入聲波器件的信號(hào)將僅僅橫越器件一次。但是，因?yàn)閾Q能器和它們相應(yīng)的電路并非理想的，所以在輸出換能器中產(chǎn)生的電流除非被輸送到短路負(fù)載，否則將導(dǎo)致輸入信號(hào)的再生，這將導(dǎo)致該信號(hào)在輸入換能器處的再生，并無(wú)限進(jìn)行下去。這種反射現(xiàn)象妨礙了例如聲波延遲線(xiàn)的器件的設(shè)計(jì)，然而例如諧振器的其他器件則對(duì)其加以利用。
如圖1中示意性地繪出的典型聲波延遲線(xiàn)100包括壓電襯底105、輸入換能器110和輸出換能器130，輸入換能器110和輸出換能器130被沉積(deposited)在襯底上，并被相對(duì)較長(zhǎng)的無(wú)源傳播路徑120分隔。因?yàn)檩敵鰮Q能器中的信號(hào)被延遲了周期性形變?cè)诰w中傳播所花費(fèi)的時(shí)間，所以形成了延遲線(xiàn)。理想的延遲線(xiàn)將呈現(xiàn)寬的帶寬和最小的反射，優(yōu)選僅僅在輸入和輸出換能器之間單次通過(guò)，以獲得對(duì)這種器件所期望的有限脈沖響應(yīng)。因此，為了最小化紋波和反射，設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求使得延遲線(xiàn)利用期望的電氣耦合效率所需要的最少數(shù)量的電極，并使得電極盡可能地小巧、輕便以及在電氣上不顯著，以便最小化它們的反射效果。
本領(lǐng)域的常識(shí)還要求，非常低的紋波是延遲線(xiàn)的重要設(shè)計(jì)目標(biāo)。例如，在Mathews所著的本領(lǐng)域暢銷(xiāo)圖書(shū)“表面波濾波器，設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和使用(Surface Wave Filters，DesignConstruction，and Use)”中(153頁(yè)，Wiley Interscience出版，John Wiley&Sons，美國(guó)紐約)中，期望低于0.5dB。本領(lǐng)域的其他權(quán)威也指明了該規(guī)定的設(shè)計(jì)目標(biāo)，這要求使用在機(jī)電上不顯著的電極。大量的電極，或者使用在機(jī)電上不顯著的電極導(dǎo)致了三次通過(guò)回波以及本領(lǐng)域熟練技術(shù)人員認(rèn)為不受歡迎的另一問(wèn)題“在給定換能器內(nèi)的反射”(見(jiàn)Matthews的書(shū)156頁(yè)第3行)。因此，當(dāng)前的技術(shù)發(fā)展水平教導(dǎo)在鈮酸鋰上具有少至10個(gè)電極或者在石英上具有少至100個(gè)電極，則反射是顯著的。被接受的設(shè)計(jì)實(shí)踐要求把電極甚至減少到那些數(shù)量以下，以達(dá)到適當(dāng)耦合和減小電極的機(jī)電顯著性所要求的絕對(duì)最小值。
為了在相位相干電路中使用延遲線(xiàn)時(shí)進(jìn)一步減少紋波和再生效應(yīng)，一般實(shí)踐要求輸入和輸出阻抗與它們相應(yīng)的電氣電路之間的不匹配，即使沒(méi)有阻尼效應(yīng)，這也將導(dǎo)致輸入和輸出之間大約20dB的插入損耗。通過(guò)使用單向換能器，已經(jīng)教導(dǎo)了其他的降低再生效應(yīng)的方法，經(jīng)常通過(guò)插入反射器來(lái)實(shí)施單向換能器，反射器一般由金屬電極柵或者在壓電襯底上開(kāi)出的狹縫柵來(lái)制成，所述單向換能器被設(shè)計(jì)成和被再生的信號(hào)有180度相移，從而將其抵消。使用雙向換能器的相位相干延遲線(xiàn)受困于低效率，它限制了傳感器應(yīng)用所需的可用動(dòng)態(tài)范圍。單向換能器依賴(lài)于機(jī)械反射和電氣再生的臨界平衡，這很難隨著電氣參數(shù)和傳感器應(yīng)用所需的插入損耗動(dòng)態(tài)范圍的變化來(lái)維持。這部分地是因?yàn)樗婕暗目勺儥C(jī)械阻尼的結(jié)果，可變機(jī)械阻尼既改變了在反射和再生之間所需的平衡點(diǎn)，也改變了平衡再生可用的反射量。
從上面的討論可以看出，如果在聲波器件中作為延遲線(xiàn)工作的紋波可以被器件結(jié)構(gòu)而非連接到它的外部電路控制，則該器件將更加適于傳感器應(yīng)用。
諧振器代表另一種常見(jiàn)的聲波器件類(lèi)型。諧振器一般被使用在振蕩器電路以及類(lèi)似的電路中，作為振蕩器反饋環(huán)路的定時(shí)元件。因此，在諧振器中期望的電氣特性要求非常陡峭的頻帶和非常高的Q，以實(shí)現(xiàn)高效耦合。如圖2中所示，典型的聲波諧振器包括壓電晶體，具有相對(duì)較短、較少電極數(shù)，沉積在晶體上的輸入和輸出換能器200和210。相對(duì)較短的諧振腔220被插入換能器之間。為了吸收大多數(shù)聲波，但增強(qiáng)處于諧振器頻率的聲波的反射，大面積的機(jī)電上顯著的反射柵230和240被加到諧振腔的側(cè)面，起到調(diào)諧信號(hào)反射鏡的作用。被俘獲在這些調(diào)諧柵反射器之間的聲波通過(guò)反射之間的長(zhǎng)傳播路徑而被倍增地反射，并且，回波產(chǎn)生了高Q因子的諧振。雖然大多數(shù)反射沒(méi)有相干地相加，但是在一個(gè)或更多個(gè)相干反射的頻率處將生成駐波，相干反射的頻率取決于柵與波長(zhǎng)的關(guān)系。輸入換能器驅(qū)動(dòng)駐波，并且輸出換能器檢測(cè)該駐波。因此，諧振器顯現(xiàn)高的能量效率(無(wú)限脈沖響應(yīng)所致的高Q因子)和非常窄的諧振尖峰型帶寬。應(yīng)該注意，某些諧振器設(shè)計(jì)要求單個(gè)換能器，某些要求在反射柵內(nèi)混合換能器(授予Shreve的No.4,144,507美國(guó)專(zhuān)利)，但是，諧振器通常的性能和工作原理仍然相同。
諧振器中所呈現(xiàn)的高Q因子對(duì)于傳感器應(yīng)用是非常令人期望的。但是，當(dāng)阻尼被施加到常規(guī)諧振器時(shí)，例如通過(guò)將其暴露于液體或在其上沉積(deposit)薄膜，則信號(hào)在其能夠被反射回?fù)Q能器足夠多次數(shù)之前快速地衰減了。因此，當(dāng)被涂敷或懸浮在其他流體中時(shí)，阻尼將自由空氣中的高Q因子諧振器變?yōu)榉浅５蚎因子的器件。因?yàn)橹C振器在來(lái)自外部影響的阻尼下退化得非常快，所以它在具有相當(dāng)大聲波阻尼的傳感器應(yīng)用中的用處有限。
此外，用聚合物薄膜等給諧振器加負(fù)載顯著地提高了諧振器通常較低的插入損耗，即使以較輕的阻尼，也經(jīng)常從大約7dB增加到大約20dB。無(wú)疑這導(dǎo)致傳感器應(yīng)用的可用動(dòng)態(tài)范圍減少。甚至對(duì)于聲品質(zhì)因數(shù)相對(duì)較高的二氧化硅或氮化硅鈍化薄膜也觀察到了這種效應(yīng)。
因此，存在著對(duì)呈現(xiàn)窄帶寬且提供高能量效率而沒(méi)有現(xiàn)有結(jié)構(gòu)所顯現(xiàn)的嚴(yán)重退化的聲波傳感器結(jié)構(gòu)的需求，這種需求是明確的并且是迄今未能滿(mǎn)足的。本發(fā)明旨在提供這樣的器件。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的基礎(chǔ)是以預(yù)定并且新穎的方式使用多個(gè)局部反射，以獲取窄帶寬、高效率的器件，該器件能夠忍受阻尼效應(yīng)，同時(shí)保持可用的Q因子和插入損耗，從而提供具有期望特性的傳感器。因此，以簡(jiǎn)化的通用術(shù)語(yǔ)，本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案提供了長(zhǎng)輸入換能器和長(zhǎng)輸出換能器，兩者都具有在機(jī)電上顯著的電極，被置于基本上周期性的反射柵上，或被集成在基本上周期性的反射柵內(nèi)。反射柵的范圍定義了器件的有源區(qū)域。換能器覆蓋了大部分有源區(qū)域，并且，在最佳實(shí)施方案中，短延遲柵被置于換能器之間，而不形成局限聲波能量的特定諧振腔。它是反射柵的集成部分，一般通過(guò)在其上沉積電極來(lái)形成。
當(dāng)討論本發(fā)明時(shí)，應(yīng)該注意，術(shù)語(yǔ)晶體表達(dá)了寬泛的含義，它延伸到壓電晶體以及呈現(xiàn)壓電或鐵電特性的任何材料(例如陶瓷或聚合物)。人們認(rèn)識(shí)到，壓電或鐵電材料通常被層疊在其他的非壓電材料上，并且，術(shù)語(yǔ)壓電或晶體也延伸到這些材料。其他的技術(shù)術(shù)語(yǔ)，例如諧振腔，應(yīng)該被給予它們?cè)诒绢I(lǐng)域中合理和習(xí)慣的含義。
這樣，提供了一種多反射聲波器件，包括具有至少一層均勻厚度壓電物質(zhì)的襯底，所述襯底具有至少一個(gè)基本平坦的能夠產(chǎn)生、傳導(dǎo)，和檢測(cè)聲波的表面。在所述平坦表面上沉積反射柵，所述反射柵具有沿著其縱軸的長(zhǎng)度，所述長(zhǎng)度定義了有源區(qū)域的縱向范圍，其中，所述有源區(qū)域被所述反射柵的元件覆蓋了其縱向尺寸的至少60％，所述元件被基本上周期性的間隔隔開(kāi)，所述間隔與所述聲波的波長(zhǎng)相當(dāng)。輸入換能器和輸出換能器，每一個(gè)均被集成進(jìn)所述反射柵，并包括多個(gè)在機(jī)電上顯著的叉指電極。輸入換能器適于引起聲波，所述聲波具有頻率和波矢，并被所述表面?zhèn)鲗?dǎo)，或在所述表面之間傳導(dǎo)，以便基本上垂直于所述電極傳播。傳播路徑被插在所述輸入和輸出換能器之間。反射柵被構(gòu)造成在壓電物質(zhì)中被引起的正向和逆向傳播的聲波之間生成機(jī)電上顯著的反射耦合。柵的反射率通常被規(guī)定為 其中，κ代表非歸一化反射耦合(以1/米為單位)，并被針對(duì)換能器的基本空間頻率成分歸一，并且，KT=2πλ.]]>按定義，反射柵具有非零值的反射率，并被進(jìn)一步定義為具有最小反射率值。
優(yōu)選地，反射柵或其一部分包括多個(gè)基本上上周期性地重復(fù)的子群。作為一種選擇，子群被獨(dú)立地加權(quán)?；蛘?，反射柵中的大多數(shù)電極中的每一個(gè)均提供至少0.1％的反射率。換能器可以是單向的或雙向的。
作為一種選擇，反射柵還包括被插在所述輸入和輸出換能器之間，基本上周期性的、在電氣上無(wú)源的(inactive)反射結(jié)構(gòu)。優(yōu)選地，反射結(jié)構(gòu)具有在25和150個(gè)所述周期性間隔之間的長(zhǎng)度。在一個(gè)實(shí)施方案中，反射結(jié)構(gòu)包括在所述壓電物質(zhì)中的褶皺。在另一個(gè)實(shí)施方案中，至少部分反射柵包括沉積在襯底上的金屬電極。在另一個(gè)實(shí)施方案中，至少部分反射柵包括在所述襯底中開(kāi)出的凹槽。生成反射柵的不同方法是技術(shù)選擇的問(wèn)題，并且可以構(gòu)思其他實(shí)施方案或者實(shí)施方案的組合。
如果期望，反射柵具有至少一個(gè)周期性變化，以便在耦合到所述輸入換能器的信號(hào)和在所述輸出換能器中所引起的對(duì)應(yīng)信號(hào)之間的相移中引入固定偏移。作為一種選擇，至少部分所述反射柵包括沉積在所述襯底上的介電材料。
優(yōu)選地，換能器具有大于或等于50個(gè)所述周期性間隔的長(zhǎng)度，或者更優(yōu)選地，大于200個(gè)間隔。同樣優(yōu)選地，至少輸入換能器擁有具有標(biāo)稱(chēng)設(shè)計(jì)中心頻率的0.2％到2％之間寬度的阻帶，并且基本上以設(shè)計(jì)頻率為中心的頻散曲線(xiàn)(dispersion curve)。頻散曲線(xiàn)是在換能器下傳播的波的空間頻率κ和時(shí)域頻率ω之間的關(guān)系。由于多反射效應(yīng)所致，頻散曲線(xiàn)偏離裸晶體(bare-crystal)的理想形狀κ＝ω/ν，其中ν是恒定波速。頻散曲線(xiàn)支持在ω0處的阻帶，其中κ＝Kt，該阻帶的寬度與反射率 成比例，以使歸一化的阻帶寬度Δω/ω0＝2κ/Kt。
優(yōu)選實(shí)施方案還包括耦合在所述輸入和輸出換能器之間用于形成振蕩器的放大電路。
在本發(fā)明的另一個(gè)方面中，提供了一種傳感器。傳感面與所述襯底以機(jī)械的方式聯(lián)通。具有輸出的振蕩器電路被耦合到所述輸入換能器；并且，具有輸出和輸入的傳感電路被耦合到所述輸出換能器。測(cè)量電路，用于測(cè)量從所述輸出換能器導(dǎo)出的信號(hào)的至少一個(gè)參數(shù)。
優(yōu)選地，測(cè)量電路包括用于檢測(cè)所述振蕩器的輸出和所述傳感電路的輸出之間的差別的比較器，用于檢測(cè)其間的差別，所述差別受到將所述傳感面暴露給被傳感(sensed)物質(zhì)的影響。
優(yōu)選地，來(lái)自所述輸出換能器的輸出被耦合到所述振蕩器，用于提供反饋。更優(yōu)選地，傳感電路和振蕩器被集成。
比較器可以測(cè)量相位差，在所述輸入和輸出換能器之間的功率吸收，優(yōu)選利用溫度補(bǔ)償二極管檢測(cè)器來(lái)檢測(cè)所述功率吸收。比較器還測(cè)量振蕩器的頻率變化，振蕩器的頻率變化由被輸入所述輸入換能器并被從所述輸出換能器輸出的信號(hào)的延遲時(shí)間的變化所引起，由聲平板器件的阻尼和/或硬化效應(yīng)導(dǎo)致。比較器可以測(cè)量電壓、電流、相位等的任意組合。
傳感面可以在與帶有柵的面相對(duì)的一面上，或者在同一個(gè)面上。傳感面也可以適于以允許在所述襯底內(nèi)被傳播的信號(hào)衰減的方式暴露給液體或氣體。在傳感面上可以沉積中間層，中間層可以包括物質(zhì)靈敏材料，所述材料在化學(xué)上被構(gòu)造成響應(yīng)于預(yù)定分子或分子群的存在而改變其至少一個(gè)物理性質(zhì)。
在最優(yōu)實(shí)施方案中，提供了一種耐受粘滯阻尼的傳感器，包括如上面所描述的聲波器件，所述傳感器還包括以機(jī)械方式與壓電襯底聯(lián)通的傳感面。具有耦合到所述輸入換能器的振蕩器電路。輸入和輸出換能器每一個(gè)均被耦合到高效率溫度補(bǔ)償二極管檢測(cè)器。用于檢測(cè)差別的比較器被耦合到該二極管檢測(cè)器，用于檢測(cè)其間的差別，所述差別受到將所述傳感面暴露給傳感物質(zhì)的影響。


圖1繪出了聲波延遲線(xiàn)的簡(jiǎn)化圖。
圖2代表聲波諧振器的簡(jiǎn)化圖。
圖3代表根據(jù)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案的聲波器件的簡(jiǎn)化圖。
圖4繪出了利用根據(jù)本發(fā)明的聲波器件的傳感器的簡(jiǎn)化圖。
圖5代表利用本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案的傳感器的簡(jiǎn)化框圖。
具體實(shí)施方案現(xiàn)在參考圖3，提供對(duì)本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案的描述，本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案包括具有襯底350的結(jié)構(gòu)，襯底350可以由幾個(gè)層構(gòu)造而成，或者可以由均勻材料制成。襯底的至少一層，或者全部襯底由具有基本上均勻的厚度的壓電物質(zhì)制成。壓電物質(zhì)具有至少一個(gè)基本上平坦的表面，其被構(gòu)造成傳導(dǎo)聲波。優(yōu)選的平坦表面是被拋光成具有這樣的平面度的平坦表面，即所述平面度具有和預(yù)期波長(zhǎng)相比不顯著的變化。
大的反射柵(310、320和330)被沉積在所述平坦表面上。在預(yù)期波長(zhǎng)的某個(gè)容差內(nèi)，它基本上是周期性的，所以它將延續(xù)聲波的傳播，同時(shí)保持與波同步。雖然反射柵基本上是周期性的，并且優(yōu)選是相干的，但是它可以包含沒(méi)有柵的區(qū)域，或者，可以引入其他的周期性上和相干性上的偏差，以產(chǎn)生期望的效果，例如相移的恒定偏移。通過(guò)與傳播波長(zhǎng)略微異相地分隔電極也可以導(dǎo)入相移。
反射柵的寬度定義了器件的有源區(qū)域，并且反射柵元件覆蓋了有源區(qū)域長(zhǎng)度的絕大部分。
反射柵包括叉指“電極”和“連接盤(pán)(land)”。它可以通過(guò)在壓電表面上沉積金屬電極、介電材料、導(dǎo)電材料或任何其他導(dǎo)致周期性擾動(dòng)的材料而被構(gòu)造，所述周期性擾動(dòng)通過(guò)生成聲波的反射來(lái)影響波的傳播。或者，也可以通過(guò)在壓電材料中開(kāi)出狹縫來(lái)獲得反射柵。例如金屬或介電質(zhì)的材料也可以被沉積在柵的連接盤(pán)和凹槽中，或柵的連接盤(pán)和凹槽上。那些方法及其等同物，包括其各種組合對(duì)本領(lǐng)域熟練技術(shù)人員將是清楚的。
柵中的電極可以被按基本上重復(fù)的子群形成，子群可以被個(gè)別地加權(quán)，或具有統(tǒng)一的權(quán)重，以增加信號(hào)在期望的頻率耦合進(jìn)入壓電材料的效率，同時(shí)使得在非期望的頻率的效率最小。用于加權(quán)這些子群的策略是本領(lǐng)域熟練技術(shù)人員公知的。
一般來(lái)說(shuō)，至少大多數(shù)柵元件的幾何形狀被設(shè)計(jì)成在機(jī)電上是顯著的，以便在正向和逆向傳播的波之間生成機(jī)電上顯著的反射耦合，所述波由在波矢量和頻率之間的頻散關(guān)系中導(dǎo)致所謂的“阻帶”的器件所承載，優(yōu)選使得阻帶基本上以設(shè)計(jì)頻率ω0為中心，并且阻帶的寬度Δω被給定為Δωκ/ω＝2κ/Kt＝4πκ/λT，其中，ω代表頻率，λ代表波長(zhǎng)，并且Δω代表帶寬。在優(yōu)選實(shí)施方案中，機(jī)電上顯著意指針對(duì)特定聲波和固體承載結(jié)構(gòu)，生成超過(guò)標(biāo)稱(chēng)中心頻率0.2％的阻帶寬度的結(jié)構(gòu)，其中，模式轉(zhuǎn)換的實(shí)際考慮給阻帶寬度放置了2％的上限。最終阻帶寬度被指定，因?yàn)樗窃谄骷碾姎忭憫?yīng)中很容易被觀察到的控制特征，并且可以被獨(dú)立于特定實(shí)施方式或數(shù)學(xué)定義的變化指定，數(shù)學(xué)定義的變化在定義電極或子群的反射率時(shí)差2π的倍數(shù)(by factors of2π)。0.2％到2％的阻帶寬度和0.1％到1％的反射率 對(duì)應(yīng)，或和0.6％到6％的“每波長(zhǎng)反射率”(κλ)對(duì)應(yīng)。因此，反射柵電極在電極附近，沿正向和逆向均生成了受控反射。
輸入和輸出換能器被集成在反射柵內(nèi)。換能器在本質(zhì)上是頻散的，并且被構(gòu)造成與波以這樣的方式交互作用，即使所述波具有與針對(duì)晶體中給定頻率的傳播所預(yù)計(jì)的恒定速度(即無(wú)阻帶)不同的速度。每一個(gè)換能器覆蓋有源區(qū)域的較大面積，一般超過(guò)30％，并包括大量在機(jī)電上顯著的電極。換能器帶寬(無(wú)阻帶效應(yīng))被設(shè)計(jì)成接近反射柵的阻帶寬度(即其中柵空間間距導(dǎo)致與信號(hào)的相長(zhǎng)(constructive)交互作用的帶寬)。由于頻散，對(duì)于同樣大小的換能器，聲波器件最終的通帶可以被做成比無(wú)阻帶的情況下窄2到10倍。
每一個(gè)在機(jī)電上顯著的電極均導(dǎo)致晶體中的局部反射，局部反射沿著晶體傳播一定距離，這導(dǎo)致臨近電極在電氣效率上的擾動(dòng)。因此，被傳播的信號(hào)實(shí)際上變得在反射之間的細(xì)微地分布的短傳播路徑上無(wú)限地反射，短傳播路徑與諧振器的反射器之間的長(zhǎng)路徑相反。因此，器件呈現(xiàn)了延遲線(xiàn)的有限脈沖響應(yīng)和諧振器的無(wú)限脈沖響應(yīng)之間的組合。此外，機(jī)械能量被沿著晶體更均勻地分布，因此，器件能夠沿著被阻尼的表面轉(zhuǎn)移更多能量，防止與諧振器相關(guān)聯(lián)的嚴(yán)重退化。器件沿著表面還具有對(duì)擾動(dòng)基本上均勻的靈敏度。
通過(guò)使用上述結(jié)構(gòu)，當(dāng)前的技術(shù)發(fā)展水平試圖最小化的反射被有效地控制，并被用來(lái)提供對(duì)傳播損耗的相對(duì)不靈敏性以及維持傳感器的高Q要求。
為了獲得期望的大饋送面積和反射特性，換能器之間的距離小于兩個(gè)換能器中較長(zhǎng)那個(gè)的長(zhǎng)度，因此，換能器覆蓋了大部分有源區(qū)域。在第一個(gè)和最后一個(gè)有源電極之間測(cè)量換能器長(zhǎng)度，換能器長(zhǎng)度包括電極和其間的間隔。優(yōu)選實(shí)施方案使用基本上相同長(zhǎng)度的換能器，并且每一個(gè)均覆蓋有源晶體區(qū)域的大約三分之一或者更多。
在優(yōu)選實(shí)施方案中，在輸入和輸出換能器之間插入了中間反射結(jié)構(gòu)320，中間反射結(jié)構(gòu)320最好在電氣上是無(wú)源的(inactive)。中間反射結(jié)構(gòu)還被集成進(jìn)反射柵。中間反射結(jié)構(gòu)優(yōu)選包括接地的金屬電極。這種接地的中間柵減少了輸入和輸出換能器之間的交叉電容，由此提高了器件的耦合質(zhì)量。但是，中間結(jié)構(gòu)不是器件必不可少的部分。
因此，在優(yōu)選實(shí)施方案中，基本上所有的有源區(qū)域被輸入換能器310、輸出換能器330和可選的中間柵320的電極所覆蓋。已知延遲線(xiàn)中的中間區(qū)域的傳播路徑在機(jī)械上是無(wú)源的(passive)并且電極的機(jī)電顯著性被最小化，與其相反，在本發(fā)明中，絕大多數(shù)有源區(qū)域被機(jī)電上顯著的電極覆蓋，并且非驅(qū)動(dòng)傳播路徑或者非常小(例如分?jǐn)?shù)波長(zhǎng)的相位偏移)，或者由于中間柵的電極而在機(jī)電上有源(多反射)。由于使得使用的電極在機(jī)電上顯著，所以在每一個(gè)這種電極下生成了局部反射，并且，局部反射從輸入到輸出被相干相加，提供了所需要的高耦合效率。這個(gè)結(jié)構(gòu)讓換能器獲得了與晶體的強(qiáng)耦合，因而獲得了被提高的電氣效率，并提供了所需要的寬工作范圍。
雖然器件可以從有源區(qū)域橫向擴(kuò)展，但是被擴(kuò)展的區(qū)域不被視為有源區(qū)域的一部分，因?yàn)樗鼈儾恢苯犹幱趶妮斎氲捷敵鰮Q能器引起的波的路徑中。在優(yōu)選實(shí)施方案中，這樣的擴(kuò)展區(qū)域被做成吸收性的，例如，通過(guò)用吸收材料來(lái)涂敷晶體的外圍表面。在優(yōu)選實(shí)施方案中，吸收材料作為有化學(xué)抵抗力的粘結(jié)材料被集成到器件封裝中。
使用保護(hù)電極，即放置在換能器的外邊緣上的少量短路電極，是公知的。這種電極被用來(lái)保持有源電極的電氣性質(zhì)的連續(xù)性。保護(hù)電極還可以被用來(lái)反射或吸收沿著和期望的信號(hào)傳播方向相反的方向傳播的殘余波。本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案使用這種電極。
局部反射增強(qiáng)了能量耦合效率。在電極下生成的信號(hào)是自傳播的，并且在電極和晶體之間重復(fù)地反射，因此，器件提供了接近無(wú)阻尼諧振器的能量效率。由于實(shí)際上每一個(gè)電極均生成局部反射，所以生成了無(wú)窮多次的反射并生成無(wú)限脈沖響應(yīng)器件。但是，連續(xù)反射所生成的能量效率，以及將功率饋送進(jìn)換能器的較大區(qū)域也使得器件相對(duì)地對(duì)阻尼諧振器典型的Q因子的嚴(yán)重下降不靈敏，而沒(méi)有招致插入損耗的過(guò)度增大。這是因?yàn)榉植际骄植糠瓷渲g較短的通過(guò)路徑使得不需要的阻尼效應(yīng)變小而發(fā)生的。
在輸出換能器被注入的輸入信號(hào)所引起的聲應(yīng)變和極化電荷改變所驅(qū)動(dòng)的同時(shí)，在輸出換能器中發(fā)生類(lèi)似的局部反射，因此，波被包含在晶體的絕大多數(shù)區(qū)域上。
在最優(yōu)選實(shí)施方案中，子群結(jié)構(gòu)由簡(jiǎn)單的每周期兩個(gè)電極的換能器構(gòu)成，所述換能器具有大約0.5％的阻帶寬度，位于溫度穩(wěn)定的襯底(例如石英)上。優(yōu)選實(shí)施方案在輸入和輸出換能器的每一個(gè)中具有200個(gè)周期，在換能器之間具有100周期的柵，以及臨近換能器的遠(yuǎn)離中心端的作為“保護(hù)電極”的約10個(gè)周期的反射柵。在這個(gè)實(shí)施方案中，Lcc/Lu＝1.5，(其中Lcc是換能器中心之間的距離，Lu是兩個(gè)換能器中最長(zhǎng)那個(gè)的等效均勻長(zhǎng)度)，并且，阻帶寬度和換能器帶寬相等，而該結(jié)構(gòu)的電氣效率相對(duì)于任何其他子群結(jié)構(gòu)(例如3電極或4電極子群，或者所謂的組類(lèi)型單向換能器的“跳房子”(hopscotch)子群)被最小化。中間反射結(jié)構(gòu)在其同步頻率具有90％(-0.9dB)的反射比(reflectance)(整個(gè)周期性反射元件陣列導(dǎo)致的入射聲波的總反射系數(shù))，但是很容易傳輸接近上下阻帶邊緣的聲信號(hào)。取決于襯底材料選擇，壓電耦合在一個(gè)阻帶邊緣相對(duì)于其他的被優(yōu)先增強(qiáng)，并且，換能器產(chǎn)生和檢測(cè)聲波最為有效。在使用石英襯底的優(yōu)選實(shí)施方案中，優(yōu)先的效率位于下阻帶邊緣。換能器柵在同步頻率具有99.5％(-0.04dB)的反射比，并且仍基本上在阻帶邊緣反射，幫助俘獲聲能量以及增強(qiáng)器件的總體電氣效率，而不將聲能量局限于離散的諧振腔。雖然上面描述了優(yōu)選實(shí)施方案，但是應(yīng)該注意，具有低至50或高達(dá)200的周期性間隔長(zhǎng)度的換能器的實(shí)施方案也是可行的，同時(shí)保持在所需的標(biāo)稱(chēng)中心頻率的0.5％到2％的阻帶范圍內(nèi)。還應(yīng)該注意，阻帶范圍也是一個(gè)設(shè)計(jì)考慮，并且，本發(fā)明將在其他的阻帶范圍，例如0.2％-3％，良好工作。類(lèi)似的，中間柵最好占據(jù)25到150個(gè)周期性間隔之間的范圍，但是也可以在其他間隔工作。本領(lǐng)域熟練技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，像上面提到的那樣精確選擇范圍和程度是技術(shù)選擇的問(wèn)題，并且可能需要針對(duì)例如成本、工作范圍等的特定設(shè)計(jì)要求來(lái)調(diào)整。
在實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，延遲線(xiàn)一般的插入損耗在20dB的量級(jí)，而根據(jù)本發(fā)明構(gòu)造的器件可以獲得7.5dB量級(jí)的插入損耗(當(dāng)然，隨著被測(cè)量物質(zhì)所導(dǎo)致的阻尼水平增加)。
所描述的結(jié)構(gòu)非常適于測(cè)量粘度，或適于測(cè)量被測(cè)試環(huán)境中某種物質(zhì)的存在。將輸入換能器耦合到交流電壓源將導(dǎo)致信號(hào)傳播到輸出換能器，交流電壓源優(yōu)選在射頻(RF)范圍。通過(guò)將與反射柵相對(duì)的傳感面360經(jīng)中間層340直接或間接地暴露給液體，引入了阻尼效應(yīng)。阻尼效應(yīng)導(dǎo)致波的幾個(gè)變化，最有用的是相移和器件的插入損耗的變化。那些變化涉及流體粘度，因此可以被用于粘度測(cè)量。電路隔離于被測(cè)液體的事實(shí)實(shí)現(xiàn)了更多種類(lèi)的測(cè)量以及增強(qiáng)的可靠性。但是對(duì)于某些器件，可以使用用于液體相位測(cè)量的鈍化層將傳感面360做在反射柵的同一側(cè)上。多次局部反射導(dǎo)致的均勻能量分布允許寬廣的粘度范圍，在160MHz的樣機(jī)中超過(guò)10,000厘泊(cP)的油，而招致小于20dB的總插入損耗。
通過(guò)在襯底之上沉積物質(zhì)靈敏薄膜或?qū)?50，也可以直接或間接地提供對(duì)特定物質(zhì)的測(cè)量。物質(zhì)靈敏薄膜可以是聚合物薄膜或其他的在化學(xué)上被構(gòu)造成捕獲特定分子或分子群的材料。當(dāng)俘獲這樣的分子時(shí)，薄膜的物理性質(zhì)的變化(例如質(zhì)量、剛性、粘度或?qū)щ娦?導(dǎo)致了信號(hào)傳播特性的變化，可以測(cè)量信號(hào)傳播特性的變化來(lái)檢測(cè)這些分子的存在。這種結(jié)構(gòu)使得傳感器很容易應(yīng)用于通過(guò)使用酶、抗體、抗原或核酸分子作為涂層來(lái)檢測(cè)即使是少量的生化物質(zhì)。
因此，在其最優(yōu)選的實(shí)施方案中，本發(fā)明在粘度計(jì)中被實(shí)施，其中，包含如上所述的多反射聲波器件(AWD)的單個(gè)外殼被嵌入共發(fā)射極放大器的反饋環(huán)路，形成了振蕩器。振蕩器(以及自然所述的AWD)被針對(duì)160MHz設(shè)計(jì)。放大器具有18到20dB的峰值增益和20dBm的飽和功率(100mW)。無(wú)疑，可以使用其他已知的放大器。
使用溫度穩(wěn)定的高效率二極管檢測(cè)器測(cè)量在RDL的輸入和輸出處的功率水平，如在2003年5月2日遞交的美國(guó)專(zhuān)利申請(qǐng)No.10/429,151中所描述的那樣。外殼還包含集成電路溫度計(jì)和功率調(diào)節(jié)器。其他電路被放置在外殼中，以便如所知的那樣獲得電路穩(wěn)定性和可操作性。
在優(yōu)選實(shí)施方案中，RDL的襯底由Y-65°(Z+25°)切割的石英制成。使用幾個(gè)預(yù)定的厚度與波長(zhǎng)比中的一個(gè)提供了與單聲平板模式(APM)的優(yōu)先耦合。為了耐用和易于操作，當(dāng)前實(shí)施方案使用0.5mm厚的石英。優(yōu)選波長(zhǎng)是24微米。這個(gè)組合提供了在空氣中的低插入損耗、最小的溫度依賴(lài)、在液體中低的壓縮波生成，以及對(duì)粘滯流體的剪切波成分的負(fù)載的靈敏性。
圖4繪出了最優(yōu)選實(shí)施方案的簡(jiǎn)化剖面圖。本實(shí)施方案使用單片壓電襯底400，它利用每周期2電極的換能器410和430，具有1000埃到2000埃的鋁金屬厚度和50％±10％(相等的線(xiàn)和間隙)的標(biāo)稱(chēng)金屬化比率，在設(shè)計(jì)頻率中，這提供了具有優(yōu)化的耦合進(jìn)入優(yōu)選APM的在機(jī)電上顯著的換能器結(jié)構(gòu)。所述設(shè)計(jì)使用200個(gè)周期的電氣有源換能器，在遠(yuǎn)離中心的末端具有10個(gè)周期的保護(hù)電極，以及插入換能器之間的100個(gè)周期的電氣上無(wú)源的中間反射柵。這樣的RDL在160.4MHz±0.25MHz的標(biāo)稱(chēng)設(shè)計(jì)頻率上在空氣中呈現(xiàn)8dB±2dB的插入損耗，在空氣和大約20,000厘泊(cP)的礦物油之間10dB范圍的插入損耗依賴(lài)性。設(shè)計(jì)能提供至少5dB的相鄰模式抑制。
在這個(gè)實(shí)施方案中，器件的傳感面460與金屬化表面相反放置。傳感面被直接或間接地暴露給液體或氣體450。傳感面460可以攜帶物質(zhì)靈敏材料薄膜460，用于檢測(cè)感興趣的特定物質(zhì)的存在。
圖5繪出了利用優(yōu)選實(shí)施方案的傳感器的框圖。RDL 500被耦合到振蕩器510，并作為其反饋環(huán)路的一部分工作。二極管檢測(cè)器520和530檢測(cè)RDL的輸入和輸出之間的功率差別。比較器電路550優(yōu)選在傳感器外殼以外，它檢測(cè)輸入和輸出之間的差別。雖然優(yōu)選實(shí)施方案檢測(cè)插入損耗，但是比較器電路可以測(cè)量振蕩器頻率、相位、電壓、電流等或其組合的差別。期望的特征是溫度計(jì)540，它允許測(cè)量傳感器的環(huán)境溫度。為了提供抗噪聲性，傳感器還配備有在傳感器外殼內(nèi)的功率調(diào)節(jié)器。
雖然說(shuō)明書(shū)一般性涉及壓電物質(zhì)，但是本領(lǐng)域熟練技術(shù)人員將清楚，這里所描述的原理對(duì)于鐵電材料可以基本上類(lèi)似地工作。因此，術(shù)語(yǔ)壓電物質(zhì)應(yīng)該被當(dāng)作與鐵電材料等同，并且在權(quán)利要求書(shū)中的語(yǔ)言也應(yīng)該被解釋成涉及鐵電材料。所述設(shè)計(jì)原理還可以被應(yīng)用到由磁彈性、電致伸縮、載有電流的電極上的洛侖茲力激發(fā)的聲波器件。此外，術(shù)語(yǔ)“晶體”應(yīng)該被當(dāng)作延伸到任何類(lèi)型的鐵電或壓電材料、壓電聚合物等，或者承載洛侖茲力換能器的無(wú)源固體支撐物。
特別地，使用由功率分配器和/或緩沖放大器構(gòu)成的信號(hào)采樣系統(tǒng)來(lái)提取RF信號(hào)用于頻率計(jì)數(shù)，或使用混頻器來(lái)獲得關(guān)于AWD內(nèi)的相移的數(shù)據(jù)在技術(shù)上也是公知的，并且應(yīng)該被認(rèn)為僅僅是比較器功能的形式。
應(yīng)該理解，本發(fā)明不限于上面通過(guò)實(shí)施例已經(jīng)描述的內(nèi)容。雖然已經(jīng)描述了當(dāng)前被認(rèn)為是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方案的內(nèi)容，但是，對(duì)于本領(lǐng)域熟練技術(shù)人員很清晰，不偏離本發(fā)明的范圍或精神，可以做出各種其他的實(shí)施方案、變化和修改，并且因此，所申請(qǐng)的專(zhuān)利致力于覆蓋所有落入本發(fā)明的真實(shí)精神和范圍之內(nèi)的這種變化和修改。
權(quán)利要求
1.一種多反射聲波器件，包括襯底，所述襯底具有至少一層壓電物質(zhì)，所述至少一層壓電物質(zhì)至少具有能夠傳導(dǎo)聲波的第一表面，并且至少具有和所述第一表面相對(duì)的第二表面；反射柵，所述反射柵被沉積在所述第一表面上，具有沿著其縱軸的長(zhǎng)度，所述長(zhǎng)度定義了機(jī)電有源區(qū)域的縱向范圍，其中，所述有源區(qū)域在其縱向尺寸的至少60％上被所述反射柵的機(jī)電顯著的元件所覆蓋，所述元件被與所述聲波的波長(zhǎng)相稱(chēng)的基本上周期性的間隔所分隔；輸入換能器和輸出換能器，每一個(gè)換能器均被集成進(jìn)所述反射柵，并且包括多個(gè)叉指電極；所述輸入換能器適于引起聲波；所述聲波具有頻率以及基本上垂直于所述電極并位于所述第一表面的平面內(nèi)的波矢；其中，所述反射柵被構(gòu)造成產(chǎn)生機(jī)電上顯著的反射耦合，所述反射耦合在所述壓電物質(zhì)中被引起的正向和逆向傳播的聲波之間。
2.如權(quán)利要求1所述的多反射聲波器件，其中，所述反射柵或其一部分包括多個(gè)基本上周期性重復(fù)的子群。
3.如權(quán)利要求2所述的多反射聲波器件，其中，所述子群被獨(dú)立地加權(quán)。
4.如權(quán)利要求1-3中的任何一個(gè)所述的多反射聲波器件，其中，至少所述反射柵的元件的大部分中的每一個(gè)均提供了至少0.1％的反射率
5.如權(quán)利要求1-4中的任何一個(gè)所述的多反射聲波器件，其中，所述反射柵還包括被插在所述輸入和輸出換能器之間基本上周期性的、電氣上無(wú)源的反射結(jié)構(gòu)。
6.如權(quán)利要求5所述的多反射聲波器件，其中，所述反射結(jié)構(gòu)具有在25個(gè)和150個(gè)所述周期性間隔之間的長(zhǎng)度。
7.如權(quán)利要求5或6所述的多反射聲波器件，其中，所述反射結(jié)構(gòu)包括在所述壓電物質(zhì)中的褶皺。
8.如權(quán)利要求1-7中的任何一個(gè)所述的多反射聲波器件，其中，所述反射柵具有至少一個(gè)周期性的變化，以便在耦合到所述輸入換能器的信號(hào)和在所述輸出換能器中引起的對(duì)應(yīng)信號(hào)之間引起相移的偏移。
9.如權(quán)利要求1-8中的任何一個(gè)所述的多反射聲波器件，其中，至少一部分所述反射柵包括沉積在所述襯底上的金屬電極。
10.如權(quán)利要求1-9中的任何一個(gè)所述的多反射聲波器件，其中，至少一部分所述反射柵包括沉積在所述襯底上的介電材料。
11.如權(quán)利要求1-10中的任何一個(gè)所述的多反射聲波器件，其中，至少一部分所述反射柵包括在所述襯底中開(kāi)出的凹槽。
12.如權(quán)利要求1-11中的任何一個(gè)所述的多反射聲波器件，其中，所述輸入換能器和/或所述輸出換能器是雙向換能器，具有與正向和逆向聲波基本上對(duì)稱(chēng)地耦合。
13.如權(quán)利要求1-11中的任何一個(gè)所述的多反射聲波器件，其中，所述輸入換能器和/或所述輸出換能器是單向換能器，具有與正向和逆向聲波不對(duì)稱(chēng)地耦合。
14.如權(quán)利要求1-13中的任何一個(gè)所述的多反射聲波器件，其中，所述輸入換能器和/或所述輸出換能器具有大于或等于50個(gè)所述周期性間隔的長(zhǎng)度。
15.如權(quán)利要求1-13中的任何一個(gè)所述的多反射聲波器件，其中，所述換能器具有大于或等于200個(gè)所述周期性間隔的長(zhǎng)度。
16.如權(quán)利要求1-15中的任何一個(gè)所述的多反射聲波器件，其中，所述換能器具有頻散曲線(xiàn)，所述頻散曲線(xiàn)具有在標(biāo)稱(chēng)設(shè)計(jì)中心頻率的0.2％和2％之間的阻帶。
17.如權(quán)利要求1-16中的任何一個(gè)所述的多反射聲波器件，還包括被插在所述輸入和輸出換能器之間的傳播路徑。
18.如權(quán)利要求1-17中的任何一個(gè)所述的多反射聲波器件，還包括耦合在所述輸入和輸出換能器之間用于形成振蕩器的放大器電路。
19.一種基于聲波器件的傳感器，包括如權(quán)利要求1-18中的任何一個(gè)所述的聲波器件，還包括以機(jī)械方式與所述襯底連通的傳感面；振蕩器電路，所述振蕩器電路具有耦合到所述輸入換能器的輸出；傳感器電路，所述傳感器電路具有輸出和耦合到所述輸出換能器的輸入，用于檢測(cè)從所述輸出換能器導(dǎo)出的信號(hào)的至少一個(gè)參數(shù)。
20.如權(quán)利要求19所述的基于聲波器件的傳感器，其中，所述測(cè)量電路包括用于檢測(cè)所述振蕩器的輸出和所述傳感器電路的輸出之間的差別的比較器電路，用于檢測(cè)其間的差別，所述差別受到將所述傳感面暴露給傳感物質(zhì)的影響。
21.如權(quán)利要求19或20所述的基于聲波器件的傳感器，其中，來(lái)自所述輸出換能器的輸出被耦合到所述振蕩器，用于提供反饋。
22.如權(quán)利要求19-21中的任何一個(gè)所述的基于聲波器件的傳感器，其中，所述傳感電路和所述振蕩器是集成的。
23.如權(quán)利要求20-22中的任何一個(gè)所述的基于聲波器件的傳感器，其中，所述比較器適于測(cè)量相位差。
24.如權(quán)利要求20-22中的任何一個(gè)所述的基于聲波器件的傳感器，其中，所述比較器適于測(cè)量所述輸入和輸出換能器之間的功率吸收。
25.如權(quán)利要求24所述的基于聲波器件的傳感器，還包括溫度補(bǔ)償?shù)亩O管檢測(cè)器，用于檢測(cè)所述功率吸收。
26.如權(quán)利要求20或21所述的基于聲波器件的傳感器，其中，所述比較器適于測(cè)量所述振蕩器的頻率變化，所述頻率變化由被輸入所述輸入換能器并從所述輸出換能器輸出的信號(hào)的延遲時(shí)間的變化所引起。
27.如權(quán)利要求20-26中的任何一個(gè)所述的基于聲波器件的傳感器，其中，所述比較器適于測(cè)量從由相位、頻率、功率、電壓和電流構(gòu)成的參數(shù)列表中選取的至少兩個(gè)參數(shù)的任意組合。
28.如權(quán)利要求24所述的基于聲波器件的傳感器，還包括沉積在所述傳感面上的涂層。
29.如權(quán)利要求28所述的基于聲波器件的傳感器，其中，所述涂層包括選自由酶、抗體、核酸、抗原或其組合構(gòu)成的列表的材料。
30.如權(quán)利要求19-29中的任何一個(gè)所述的基于聲波器件的傳感器，其中，來(lái)自所述輸出換能器的輸出被耦合到所述振蕩器，用于提供反饋。
31.如權(quán)利要求19所述的基于聲波器件的傳感器，其中，所述傳感電路和所述振蕩器是集成的。
32.如權(quán)利要求19-31中的任何一個(gè)所述的基于聲波器件的傳感器，其中，所述傳感面適于以允許在所述襯底內(nèi)傳播的信號(hào)衰減的方式暴露給液體或氣體。
33.如權(quán)利要求19-32中的任何一個(gè)所述的基于聲波器件的傳感器，還包括沉積在所述襯底上的中間層，其中，所述傳感面包括所述中間層的面。
34.如權(quán)利要求19-33中的任何一個(gè)所述的基于聲波器件的傳感器，還包括沉積在所述傳感面上的鈍化層。
35.如權(quán)利要求19-34中的任何一個(gè)所述的基于聲波器件的傳感器，還包括在所述傳感面之上的物質(zhì)靈敏層，所述物質(zhì)靈敏層在化學(xué)上被構(gòu)造成響應(yīng)預(yù)定分子或分子群的存在而改變其至少一個(gè)物理性質(zhì)。
36.如權(quán)利要求19-35中的任何一個(gè)所述的基于聲波器件的傳感器，還包括沉積在所述傳感面上的涂層。
37.如權(quán)利要求36所述的基于聲波器件的傳感器，其中，所述涂層包括選自由酶、抗體、核酸、抗原或其組合構(gòu)成的列表的材料。
38.如權(quán)利要求19-37中的任何一個(gè)所述的基于聲波器件的傳感器，還包括溫度補(bǔ)償電路，用于根據(jù)溫度來(lái)補(bǔ)償被測(cè)量的參數(shù)。
39.如權(quán)利要求19-38中的任何一個(gè)所述的基于聲波器件的傳感器，還包括溫度補(bǔ)償軟件，用于根據(jù)溫度來(lái)補(bǔ)償被測(cè)量的參數(shù)。
40.一種耐受粘滯阻尼的傳感器，包括如權(quán)利要求1所述的聲波器件，還包括以機(jī)械方式與所述襯底連通的傳感面；振蕩器電路，所述振蕩器電路具有耦合到所述輸入換能器的輸出；用于提供功率傳感的第一二極管檢測(cè)器和第二二極管檢測(cè)器，所述第一二極管檢測(cè)器在電氣上耦合到所述輸入換能器，所述第二二極管檢測(cè)器在電氣上耦合到所述輸出換能器。
41.如權(quán)利要求40所述的傳感器，其中，所述二極管檢測(cè)器是溫度補(bǔ)償?shù)摹?br> 42.如權(quán)利要求40或41所述的傳感器，還包括溫度傳感器，用于傳感環(huán)境溫度。
43.如權(quán)利要求40-42中的任何一個(gè)所述的傳感器，還包括電壓調(diào)節(jié)器。
44.如權(quán)利要求40-43中的任何一個(gè)所述的傳感器，其中，所述聲波器件作為所述振蕩器的反饋環(huán)路的一部分來(lái)工作。
45.如權(quán)利要求40-44中的任何一個(gè)所述的傳感器，其中，所述傳感面是所述第二表面或其一部分。
46.如權(quán)利要求45所述的傳感器，還包括在所述傳感面和被測(cè)量的液體之間的中間層。
47.如權(quán)利要求40-46中的任何一個(gè)所述的基于聲波器件的傳感器，還包括沉積在所述傳感面上的涂層。
48.如權(quán)利要求47中所述的基于聲波器件的傳感器，其中，所述涂層包括選自由酶、抗體、核酸、抗原或其組合構(gòu)成的列表的材料。
49.一種多反射聲波器件，包括襯底，所述襯底具有基本上周期性的反射柵裝置，所述柵定義了有源區(qū)域；長(zhǎng)輸入換能器裝置和長(zhǎng)輸出換能器裝置，所述輸入和輸出換能器被耦合到或被嵌入所述柵內(nèi)；其中，所述換能器具有機(jī)電上顯著的電極，并且，其中所述換能器覆蓋了所述有源區(qū)域的大部分。
50.如權(quán)利要求49所述的多反射聲波器件，還包括被插在所述換能器之間的延遲柵裝置。
全文摘要
公開(kāi)了一種聲波器件(100)，它利用了聲波的多次局部化反射來(lái)獲得無(wú)限脈沖響應(yīng)，同時(shí)維持對(duì)阻尼效應(yīng)的高耐受性。該器件利用多個(gè)在絕大部分有源表面上布置的機(jī)電上顯著的電極(110，120，130)。還公開(kāi)了多個(gè)利用所公開(kāi)的聲波模式器件的傳感器。
文檔編號(hào)G01N29/24GK1791988SQ200480013427
公開(kāi)日2006年6月21日 申請(qǐng)日期2004年7月9日 優(yōu)先權(quán)日2003年7月16日
發(fā)明者杰弗里·安德利 申請(qǐng)人:拜歐得股份有限公司