本發(fā)明涉及一種聲表面波作用力傳感器，特別涉及一種集成有天線結(jié)構(gòu)的聲表面波作用力傳感器。

背景技術(shù)：

聲表面波(surfaceacousticwave，saw)是英國(guó)物理學(xué)家瑞利在19世紀(jì)80年代研究地震波的過(guò)程中偶爾發(fā)現(xiàn)的一種能量集中于地表面?zhèn)鞑サ穆暡?。聲表面波是一種在固體淺表面?zhèn)鞑サ膹椥圆?，它存在若干模式，主要包括rayleigh波、love波、lamb波、b2g波、漏剪切聲表面波以及快速聲表面波模式的準(zhǔn)縱漏聲表面波等。

1965年，美國(guó)懷特和沃爾特默發(fā)表題為“一種新型聲表面波聲——電轉(zhuǎn)化器”的論文，取得了聲表面波技術(shù)的關(guān)鍵性突破，首次采用叉指換能器idt激發(fā)saw，加速了聲表面波技術(shù)的發(fā)展。saw傳感器是電子技術(shù)與材料科學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物，它由saw振蕩器、敏感的界面膜材料和振蕩電路組成，saw傳感器的核心部件是saw振蕩器，由壓電材料基片和沉積在基片上不同功能的叉指換能器所組成，有延遲線型(dl型)和諧振器型(r型)兩種。

saw傳感器是繼陶瓷、半導(dǎo)體等傳感器的一支后起之秀。與傳統(tǒng)傳感器相比，它具有性能高、體積小、能承受極端工作條件(如高溫、強(qiáng)電磁輻射)等優(yōu)點(diǎn)。此外，saw傳感器可實(shí)現(xiàn)無(wú)源化，無(wú)須外部供電，這使得它比傳統(tǒng)的傳感器更能勝任無(wú)接觸測(cè)量，例如：高速轉(zhuǎn)子、快速移動(dòng)物體以及密封物體內(nèi)部等各種條件下的物理化學(xué)參數(shù)檢測(cè)。由于叉指換能器可與射頻輻射天線直接相連，達(dá)到收發(fā)射頻信號(hào)的目的，所以能直接完成無(wú)線應(yīng)用，大大簡(jiǎn)化了saw傳感器節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)。最簡(jiǎn)單的saw傳感器節(jié)點(diǎn)僅由聲表面波壓電編碼傳感單元芯片和直接相連的天線組成，成本低，適于推廣應(yīng)用。

由于聲表面波聲速比電磁波光速低許多，聲表面波傳播4mm距離，即可延時(shí)一微秒左右。一微秒延遲時(shí)間，足以避免近距(<100米)內(nèi)射頻多次反射雜波的干擾，大大提高了有效回波的信噪比，有利于增加反射延遲型saw傳感器的讀寫(xiě)距離或減小讀寫(xiě)器的射頻輻射功率。

saw傳感器可工作于較寬的環(huán)境溫度范圍。采用常用的壓電晶體，器件最高工作溫度可大于200℃。采用特別的封裝，已證實(shí)能較長(zhǎng)期工作在300℃環(huán)境中。若采用特種壓電材料，傳感器的工作溫度可更高。

聲表面波傳感器因其無(wú)源無(wú)線測(cè)量、體積小、靈敏度高、穩(wěn)定性好、適應(yīng)環(huán)境能力強(qiáng)等突出優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為了微傳感器設(shè)計(jì)的選擇之一。加之近年來(lái)ic技術(shù)和mems技術(shù)的 快速發(fā)展，使制作聲表面波器件的成本也大大降低，加快了聲表面波傳感器從理論研究走向市場(chǎng)化的速度。對(duì)于saw作用力傳感器而言，國(guó)內(nèi)外的研究均是用于測(cè)量流體壓強(qiáng)，尤其在汽車(chē)輪胎壓力測(cè)量方面已經(jīng)取得了顯著的成果。但是，目前saw作用力傳感器的信號(hào)傳輸系統(tǒng)，必須依賴于與saw器件想集成的ic電路技術(shù)，造成了其體積增大，無(wú)法應(yīng)用于細(xì)小狹縫等極端環(huán)境之中。本發(fā)明針對(duì)此問(wèn)題，基于mems工藝將天線結(jié)構(gòu)與saw器件進(jìn)行集成，使得saw器件的信號(hào)可以直接通過(guò)天線發(fā)射出去，大大減小了器件的尺寸，拓展了saw作用力傳感器的使用用途。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種將天線結(jié)構(gòu)與saw器件進(jìn)行集成，使得saw器件的信號(hào)可以直接通過(guò)天線發(fā)射出去，大大減小了器件的尺寸，拓展了saw作用力傳感器的使用用途，使saw傳感器可以有效用于惡劣環(huán)境的作用力測(cè)量之中的集成有天線結(jié)構(gòu)的聲表面波作用力傳感器。

本發(fā)明的目的是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的：集成有天線結(jié)構(gòu)的聲表面波作用力傳感器，包括壓電基底、電極面、天線圖形、叉指換能器idt和反射柵，壓電基底為圓柱形結(jié)構(gòu)，壓電基地的一個(gè)端面上設(shè)有凹槽，叉指換能器idt和反射柵位于凹槽之中，叉指換能器idt位于凹槽的中部，反射柵分別位于叉指換能器idt的兩側(cè)，叉指換能器idt的兩端與電極面相連，電極面呈扇形并延伸到壓電基底的端面邊緣，電極面之間的壓電基底端面上設(shè)置有天線圖形。

具體地，所述的壓電基底采用單晶石英壓電基底或多層基底，叉指換能器idt由相互交叉的指條電極組成，反射柵由致密排列的相連指條組成，天線圖形為環(huán)形相互交叉形式。

進(jìn)一步地，所述的電極面、天線圖形和反射柵均為對(duì)稱結(jié)構(gòu)。

本發(fā)明的有益效果是：叉指換能器idt和反射柵圖形通過(guò)光刻工藝形成于壓電基底端面的凹槽表面，組成一種周邊固支圓膜片結(jié)構(gòu)，當(dāng)作用力作用于壓電基底表面時(shí)，壓電基底的材料常數(shù)發(fā)生變化，造成了傳播于壓電基底表面的saw寫(xiě)真情況的改變，即諧振器的中心頻率發(fā)生偏移，而這種頻率偏移會(huì)通過(guò)與之相連的天線發(fā)射出去；將天線結(jié)構(gòu)與saw器件進(jìn)行集成，使得saw器件的信號(hào)可以直接通過(guò)天線發(fā)射出去，大大減小了器件的尺寸，拓展了saw作用力傳感器的使用范圍，也使得saw傳感器可以有效應(yīng)用于惡劣環(huán)境的作用力測(cè)量之中。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的傳感器結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明的傳感器俯視結(jié)構(gòu)圖；

圖3為本發(fā)明的叉指換能器idt和反射柵尺寸圖；

圖4為本發(fā)明的傳感器的力敏結(jié)構(gòu)模型圖；

附圖標(biāo)記說(shuō)明：1-壓電基底，2-電極面，3-天線圖形，4-叉指換能器idt，5-反射柵。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案，但本發(fā)明所保護(hù)的內(nèi)容不局限于以下所述。

如圖1、圖2所示，集成有天線結(jié)構(gòu)的聲表面波作用力傳感器，包括壓電基底1、電極面2、天線圖形3、叉指換能器idt4和反射柵5，壓電基底1為圓柱形結(jié)構(gòu)，壓電基地1的一個(gè)端面上設(shè)有凹槽，叉指換能器idt4和反射柵5位于凹槽之中，叉指換能器idt4位于凹槽的中部，反射柵5分別位于叉指換能器idt4的兩側(cè)，叉指換能器idt4的兩端與電極面2相連，電極面2呈扇形并延伸到壓電基底1的端面邊緣，電極面2之間的壓電基底1端面上設(shè)置有天線圖形3。

具體地，所述的壓電基底1采用單晶石英壓電基底或多層基底，叉指換能器idt4由相互交叉的指條電極組成，反射柵5由致密排列的相連指條組成，天線圖形3為環(huán)形相互交叉形式。

進(jìn)一步地，所述的電極面2、天線圖形3和反射柵5均為對(duì)稱結(jié)構(gòu)。

如圖3所示，其中指條和間隙等尺寸參數(shù)需根據(jù)諧振器的中心頻率來(lái)進(jìn)行確定。與叉指換能器idt4兩側(cè)相連的是對(duì)稱分布的電極面2和外圍的天線圖形3，其中天線圖形3設(shè)計(jì)為環(huán)形相互交叉形式，可以將電磁信號(hào)發(fā)射出去，與外圍電路進(jìn)行通訊。

本發(fā)明的聲表面波作用力傳感器的工作原理為：如圖1所示，凹槽通過(guò)mems刻蝕工藝成形，叉指換能器idt4和反射柵5圖形通過(guò)光刻工藝形成于凹槽表面，組成一種周邊固支圓膜片結(jié)構(gòu)，如圖4所示，當(dāng)作用力作用于壓電基底1表面時(shí)，由于壓電基底1的材料常數(shù)會(huì)發(fā)生變化，造成了傳播于壓電基底1表面的saw寫(xiě)真情況的改變，即諧振器的中心頻率發(fā)生偏移，而這種頻率偏移會(huì)通過(guò)與之相連的天線發(fā)射出去。這種集成度高的saw器件大大縮小了saw器件結(jié)構(gòu)，可以有效用于惡劣環(huán)境的作用力測(cè)量之中。

本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員將會(huì)意識(shí)到，這里所述的實(shí)施例是為了幫助讀者理解本發(fā)明的原理，應(yīng)被理解為本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于這樣的特別陳述和實(shí)施例。本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員可以根據(jù)本發(fā)明公開(kāi)的這些技術(shù)啟示做出各種不脫離本發(fā)明實(shí)質(zhì)的其它各種具體變形和組合，這些變形和組合仍然在本發(fā)明的保護(hù)范圍內(nèi)。