基于LGS的双声表面波器件的研究

发布时间：2018-11-04 12:44

【摘要】：声表面波器件具有体积小、频率选择性高、重复性好等特点。而作为声表面波器件重要分支的声表面波传感器更是具有响应速度快、灵敏度高、性能稳定性强的优点,并能应用于高温、复杂的恶劣环境之中,因此其在航天航空、交通运输、能源开采等领域都有着广泛的运用。而影响SAW传感器能否应用于高温环境的主要因素是压电衬底材料的选择。因而,本文采用了一种具有优良压电性能的新型压电单晶材料硅酸钾镧(LGS)为压电基底来制作SAW传感器。为了研究基于LGS的SAW传感器的特性,本文根据SAW器件的相关理论设计了单谐振器型SAW传感器,所设计的器件的叉指宽度4μm,指间距为8μm,占空比为1:1,叉指对数50,声孔径100λ,叉指间隙12μm,反射栅对数300。选用欧拉角分别为(0°,138.5°,26.6°)、(0°,138.5°,56.6°)、(0°,138.5°,71.6°)、(0°,138.5°,86.6°)、(0°,138.5°,116.6°)的LGS作为单谐振器型SAW传感器的压电衬底,通过微电子工艺完成了电极厚度为100nm的器件的制备,测试发现五种不同的器件均具有较强的谐振峰,它们的谐振频率分别为168.289MHz、164.325MHz、160.000MHz、150.275MHz、162.426MHz;其中欧拉角为(0°,138.5°,26.6°)的LGS的SAW谐振器具有最高的谐振频率、最大的声速以及最高的机电耦合系数。欧拉角为(0°,138.5°,86.6°)的LGS的SAW谐振器具有最大的品质因素以及最大的一阶、二阶频率温度系数。本文对五种不同欧拉角的传感器进行了温度测试,最高测试温度为450°C,测试结果表明:欧拉角为(0°,138.5°,26.6°)的SAW传感器的谐振频率随着温度的升高呈单调递减趋势。而欧拉角为(0°,138.5°,56.6°)、(0°,138.5°,71.6°)、(0°,138.5°,86.6°)、(0°,138.5°,116.6°)的SAW传感器的谐振频率随着温度的升高呈先增加后降低的趋势,它们的频率温度关系是呈二次函数曲线的,通过二次函数拟合计算得到5种欧拉角的转变温度Tex分别为-22°C、183°C、249°C、390°C、204°C,它们的品质因素Q以及机电耦合系数K2随着温度的升高呈现先增加后降低的趋势。由于以LGS为压电基底的单谐振器型SAW传感器的频率温度呈二次函数关系,从而导致其作为温度传感器时只能实现较小的温度范围的测试,为了解决这一问题,本文在五种不同欧拉角的LGS器件的基础上提出一种结构新颖的双谐振器型SAW温度传感器(简称双SAW器件)的设计方法,通过微电子工艺制备出夹角为30°、45°、60°、90°的双SAW器件,所制备的器件均具有两个较为明显的特征峰。本文将不同夹角的双SAW器件进行温度测试,最高测试温度为450°C,并将器件的频率温度特性进行二次函数拟合计算,最后夹角为30°、45°、60°、90°的双SAW器件计算得到的温度与实际温度的最大误差分别为6.7°C、5.4°C、3.2°C、4.5°C。此外,双SAW器件的温度分辨率与其两个谐振器的转变温度之差有关,差值越大,器件的温度分辨率越高。通过夹角为60°的双SAW温度传感器与热电偶温度测试对比,验证了双SAW器件在温度测试方面的可行性,它能实现较大温度范围的测量,而无需考虑LGS材料的二阶频率温度系数。
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【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TN65

【参考文献】