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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

杨莺  
【摘要】:具有相对带宽窄,等效Q_e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Q_e值达到10~4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Q_e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Q_e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Q_e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LiNbO_3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6.2 Hz/℃。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·cm~2/g(相对灵敏度为4.2m~2/kg)在振荡模式下为5.24GHz·cm~2/g(相对灵敏度为4.3m~2/kg)。 上述实验结果已经被Sensor and Actuators: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,研究了传感器的传榆特性。


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