專利名稱：：一種單向低損耗的樂甫波傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：本發(fā)明涉及一種樂甫型聲波(簡稱樂甫波)傳感器，特別是涉及一種采用單相單向結(jié)構(gòu)叉指器(SPUDT)的單向低損耗的樂甫波傳感器。
背景技術(shù)：
：樂甫波是聲波的一種，是壓電基片表面的薄層聲波導(dǎo)中傳播的表面剪切橫波。樂甫波的質(zhì)點(diǎn)振動方向平行于基本表面，所以當(dāng)基片表面與液體負(fù)載接觸時(shí)，其傳播受負(fù)載影響小。又由于薄層聲波導(dǎo)將樂甫波能量束縛在表面，所以樂甫波對表面干擾非常靈敏。再加上器件制作工藝不復(fù)雜，樂甫波傳感器適合于液相測量。常規(guī)的樂甫波傳感器結(jié)構(gòu)，如圖1所示。如SensorsandActuatorsA123-124(2005)267-273、美國專利5216312、5283037和5321331三篇文獻(xiàn)中所述的，在壓電基片5上制作雙向叉指換能器l，然后，覆蓋低聲速膜4，最后，在兩換能器l中間放置待測物體。由于叉指換能器采用的是雙向換能器，聲波朝換能器的兩邊傳播，而實(shí)際只有兩換能器相向傳播的聲波得到有效利用，背向傳播的聲波能量丟失，因而傳感器的損耗通常比較大(大于15dB)。常規(guī)的單相單向叉指換能器(SPUDT)，如圖2所示，作為一種可以有效降低換能器雙向損耗的結(jié)構(gòu)(如圖2所示)，在聲表面波濾波器中得到廣泛的應(yīng)用。如文獻(xiàn)IEEEUltrasonicsSymp.,1986,p.59-64(DdistributedAcousticReflectionTransducerDART分布式聲反射單相單向換能器)，IEEE1989UltrasonicsSymposiumProceedingpp79-89(Elec加deWidthControlledSPUDTEWC/SPUDT電極寬度控制單相單向換能器)，1995UltrasonicsSymposiumProceedingpp39-50(ResonantSPUDTRSPUDT諧振式單相單向換能器)，2000正EEUltrasonicsSymposiumppl05-108,(Different-WidthSplit-FingerSPUDT,DWSFSPUDT不均勻?qū)挾确至阎竼蜗鄦蜗驌Q能器)四篇文獻(xiàn)所述，當(dāng)叉指換能器的反射中心偏離換能中心3/8X與5/8X(X:換能器周期長度)時(shí)候，聲波往一個(gè)方向傳播加強(qiáng)，另外一個(gè)方向減弱，形成單向結(jié)構(gòu)。現(xiàn)有技術(shù)中，作為決定樂甫波傳感器的檢測下限關(guān)鍵因素之一的換能器的插入損耗，一直是需要解決的關(guān)鍵問題。常規(guī)的樂甫波傳感器采用雙向結(jié)構(gòu)，由于換能器雙向損耗的存在，限制了傳感器的檢測下限降低。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的在于，克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，從傳感器的結(jié)構(gòu)方面改善傳感器性能，降低器件現(xiàn)有樂甫波傳感器的雙向損耗，從而提供一種單向低損耗的樂甫波傳感器。本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的本發(fā)明所提供的單向低損耗的樂甫波傳感器，包括壓電基片5及分別沉積于其兩端的輸入叉指換能器1和輸出叉指換能器2，所述壓電基片5上覆蓋有波導(dǎo)層4，所述波導(dǎo)層4采用剪切波速比壓電基片5低的低聲速膜，該波導(dǎo)層4的中部覆蓋有敏感膜3，所述敏感膜3放置在輸入叉指換能器1和輸出叉指換能器2中間，其特征在于所述輸入叉指換能器1和輸出叉指換能器2均采用單相單向換能器(SPUDT)。作為本發(fā)明的一種選擇，所述的波導(dǎo)層采用二氧化硅(Si02)、聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA)、氧化鋅(ZnO)、金(Au)或環(huán)氧樹脂(Epoxy);所述的敏感膜3根據(jù)檢測物質(zhì)的需要，可為生物敏感膜。作為本發(fā)明的一種改進(jìn)，所述的輸入叉指換能器1和輸出叉指換能器2部分可以被覆蓋在波導(dǎo)層4之內(nèi)或完全暴露在波導(dǎo)層之外，分別如圖2和圖3所示。作為本發(fā)明的又一種選擇，所述的輸入叉指換能器1和輸出叉指換能器2采用電極寬度控制單相單向叉指換能器(EWC/SPUDT)、分布式單相單向叉指換能器(DART)、諧振式單相單向叉指換能器(RSPUDT)、或雙電極單相單向叉指換能器(DWSF)。輸入輸出是否同時(shí)使用某一類單項(xiàng)單向這個(gè)不做限制，但常規(guī)的設(shè)計(jì)一般都是用同一類的。作為本發(fā)明的再一種選擇，所述的輸入叉指換能器1和輸出叉指換能器2采用Al膜、Au膜或Cu膜。作為本發(fā)明的另一種選擇，所述的壓電基片5采用各種切向的材料，可采用鈮酸鋰LiNb03、鉭酸鋰LiTa03、石英或壓電陶瓷。如圖1所示，本發(fā)明的技術(shù)方案含有壓電基片5、輸入叉指換能器l、輸出叉指換能器2、波導(dǎo)層4和敏感膜3，其特征在于輸入叉指換能器1在壓電基片5和波導(dǎo)層4中激發(fā)聲波傳播，輸出換能器2接收聲波，加載的被測物與敏感膜3發(fā)生反應(yīng)導(dǎo)致聲波的特性(如頻率、速度等)變化，這些變化可以得到關(guān)于所述被測物的結(jié)論。所述的輸入叉指換能器1和輸出叉指換能器2均采用單相單向叉指換能器結(jié)構(gòu)，換能器激發(fā)的聲波主要朝另一個(gè)換能器的方向傳播，降低了換能器的雙向損耗。所述的樂甫波傳感器采用樂甫波模式，在壓電基片5上覆蓋波導(dǎo)層4，該波導(dǎo)層材料剪切波速必須比基片的低(簡稱低聲速膜)。低聲速膜通常采用Au、Si02、PMMA、Epoxy等，其體剪切波速分別如表1所示，低聲速膜使得樂甫波沿著波導(dǎo)層及基片表面?zhèn)鞑?。表l:<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于，本發(fā)明的樂甫波傳感器的輸入輸出換能器均采用單相單向叉指換能器(SPUDT)。由于SPUDT結(jié)構(gòu)的采用，能降低換能器的雙向損耗，從而降低整個(gè)器件的插入損耗。相比現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的單相單向樂甫波傳感器損耗低，可以實(shí)現(xiàn)更低的檢測下限。圖1是本發(fā)明的單向低損耗的樂甫波傳感器結(jié)構(gòu)的立體示意圖2是本發(fā)明的單向低損耗的樂甫波傳感器結(jié)構(gòu)的俯視圖3是本發(fā)明的樂甫波傳感器的一種結(jié)構(gòu)的剖面示意圖4是本發(fā)明的樂甫波傳感器的又一種結(jié)構(gòu)的剖面示意圖5是本發(fā)明實(shí)施例1中的電極寬度控制單相單向叉指換能器結(jié)構(gòu)圖6是本發(fā)明實(shí)施例2中的分布式單相單向叉指換能器結(jié)構(gòu)圖7是本發(fā)明實(shí)施例3中的諧振式單相單向叉指換能器結(jié)構(gòu)圖8是本發(fā)明實(shí)施例4中的不均勻?qū)挾确至阎竼蜗鄦蜗驌Q能器結(jié)構(gòu)圖。具體實(shí)施例方式實(shí)施例1:按圖1制作一個(gè)具有單相單向結(jié)構(gòu)的低損耗樂甫波傳感器。壓電基片1采用St切割90度石英，基片表面沉積輸入叉指換能器3和輸出叉指換能器4，再覆蓋聚甲基丙烯酸甲脂(PMMA，俗稱有機(jī)玻璃)作為樂甫波導(dǎo)層2。輸入叉指換能器3和輸出叉指換能器4釆用電極寬度控制單相單向叉指換能器(EWC/SPUDT)結(jié)構(gòu)，如圖2所示，周期X均為16微米，金膜厚為1200埃，指對數(shù)均為50，孔徑為1.5毫米，兩換能器中心間隔2毫米，器件中心頻率fo約為300MHz;換能器每周期電極寬度為八分之一波長，反射電極寬度為四分之一波長。二氧化硅波導(dǎo)層厚度為l微米。比較雙向損耗，本發(fā)明降低了換能器的6dB損耗。實(shí)施例2:按圖1制作一個(gè)具有單相單向結(jié)構(gòu)的低損耗樂甫波傳感器，其基本結(jié)構(gòu)與實(shí)施例l相同。不同處為壓電基片l采用36度YX鉭酸鋰LiTa03;輸入叉指換能器3和輸出叉指換能器4采用分布式單相單向叉指換能器(DART)結(jié)構(gòu)，如圖3所示，周期X均為40微米，金膜厚為1000埃，指對數(shù)均為60，孔徑為4毫米，兩換能器中心間隔4毫米，中心頻率fo約為104MHz;樂甫波波導(dǎo)層采用聚甲基丙烯酸甲脂，厚度為0.2微米。每周期電極寬度為八分之一波長，反射電極寬度為八分之三波長，反射電極上有分布式的空白區(qū)域。實(shí)施例3:按圖1制作一個(gè)具有單相單向結(jié)構(gòu)的低損耗樂甫波傳感器，其基本結(jié)構(gòu)與實(shí)施例1相同。不同處為輸入叉指換能器3和輸出叉指換能器4采用諧振式單相單向叉指換能器(RSPUDT)結(jié)構(gòu)，如圖4所示，周期X均為50微米，鋁膜厚為2000埃，指對數(shù)為分別為16和64，孔徑為2毫米，兩換能器中心間隔4.5毫米，中心頻率&=90MHz;每個(gè)聲諧振腔中包含l個(gè)正向激發(fā)單元，l個(gè)負(fù)向激發(fā)單元，l個(gè)長度為四分之一波長的過渡單元。樂甫波波導(dǎo)層采用氧化鋅，厚度為2.8微米。實(shí)施例4:按圖l制作一個(gè)具有單相單向結(jié)構(gòu)的低損耗樂甫波傳感器，其基本結(jié)構(gòu)與實(shí)施例1相同。不同處為壓電基片1采用31度XY切割石英；輸入叉指換能器3和輸出叉指換能器4采用不均勻?qū)挾确至阎竼蜗鄦蜗驌Q能器(DWSFRSPUDT)結(jié)構(gòu)，如圖4所示，周期、均為52微米，銅膜厚為4500埃，指對數(shù)均為50，孔徑為3毫米，中心頻率&約為86MHz;每周期含有寬度分別為Ll和L2的叉指電極各一對。樂甫波波導(dǎo)層采用二氧化硅，厚度為5微米。權(quán)利要求1、一種單向低損耗的樂甫波傳感器，包括壓電基片(5)及分別沉積于其兩端的輸入叉指換能器(1)和輸出叉指換能器(2)，所述壓電基片(5)上覆蓋有波導(dǎo)層(4)，所述波導(dǎo)層(4)采用剪切波速比壓電基片(5)低的低聲速膜，該波導(dǎo)層(4)的中部覆蓋有敏感膜(3)，所述敏感膜(3)放置在輸入叉指換能器(1)和輸出叉指換能器(2)中間，其特征在于所述的輸入叉指換能器(1)和輸出叉指換能器(2)均采用單相單向換能器。2、根據(jù)權(quán)利要求1所述的樂甫波傳感器，其特征在于所述的波導(dǎo)層采用二氧化硅、聚甲基丙烯酸甲脂、氧化鋅、金或環(huán)氧樹脂。3、根據(jù)權(quán)利要求1所述的樂甫波傳感器，其特征在于所述的敏感膜(3)為生物敏感膜。4、根據(jù)權(quán)利要求1所述的樂甫波傳感器，其特征在于所述的輸入叉指換能器(1)和輸出叉指換能器(2)部分可以被覆蓋在波導(dǎo)層(4)之內(nèi)或暴露在波導(dǎo)層(4)之外。5、根據(jù)權(quán)利要求1所述的樂甫波傳感器，其特征在于所述的輸入叉指換能器(1)和輸出叉指換能器(2)采用電極寬度控制單相單向叉指換能器、分布式單相單向叉指換能器、諧振式單相單向叉指換能器、或雙電極單相單向叉指換能器。6、根據(jù)權(quán)利要求1所述的樂甫波傳感器，其特征在于所述的輸入叉指換能器(1)和輸出叉指換能器(2)采用A1膜、Au膜或Cu膜。7、根據(jù)權(quán)利要求1所述的樂甫波傳感器，其特征在于所述的壓電基片(5)采用各種切向的材料，可采用鈮酸鋰LiNb03、鉭酸鋰LiTa03、石英或壓電陶瓷。全文摘要本發(fā)明涉及一種單向低損耗的樂甫波傳感器，包括壓電基片及分別沉積于其兩端的輸入叉指換能器和輸出叉指換能器，所述壓電基片上覆蓋有波導(dǎo)層，所述波導(dǎo)層采用剪切波速比壓電基片低的低聲速膜，該波導(dǎo)層的中部覆蓋有敏感膜，所述敏感膜放置在輸入叉指換能器和輸出叉指換能器中間，其特征在于所述輸入叉指換能器和輸出叉指換能器均采用單相單向換能器；所述的波導(dǎo)層采用金、二氧化硅、聚甲基丙烯酸甲脂或環(huán)氧樹脂；所述的敏感膜根據(jù)檢測物質(zhì)的需要，可為生物敏感膜；所述的輸入叉指換能器和輸出叉指換能器部分可以被覆蓋在波導(dǎo)層之內(nèi)或完全暴露在波導(dǎo)層之外。本發(fā)明能降低換能器的雙向損耗，從而降低整個(gè)器件的插入損耗。文檔編號G01N29/24GK101526501SQ20081010150公開日2009年9月9日申請日期2008年3月7日優(yōu)先權(quán)日2008年3月7日發(fā)明者何世堂,李紅浪,燁陳申請人:中國科學(xué)院聲學(xué)研究所