基于声表面波的压力传感器和紫外探测器的研究

发布时间：2020-06-27 10:51

【摘要】：声表面波是一种沿着弹性固体表面传播的声波,最早被用于通讯、广播、信号处理等领域。同时,由于声表面波通常仅在器件表面的一个或数个波长深度内传播,传递的声波会对外界环境扰动极为敏感,可以用于各类物理、化学、生物信号传感。使用声表面波器件制成的传感器性能稳定、抗干扰能力强、精度较高、成本低,还可以实现无线无源传感,在物联网、无线传感网络中具有广阔的应用前景。本文首先介绍了单端口声表面波谐振器的工作原理、器件结构和设计参数,并对常用的声表面波压电材料进行了介绍。根据现有实验条件,提出了基于氧化锌压电薄膜基底和铌酸锂单晶基底的声表面波谐振器设计。为了确定器件的相关实验参数,对两种不同基底进行了有限元仿真分析。在一定的设计参数支持下使用电子束曝光技术在氧化锌压电薄膜基底上制备了周期为2.4 μm的声表面波谐振器,其中心频率为1.02 GHz。使用反转曝光技术在128°Y-X铌酸锂基底上制备了特征尺寸为8 μm的谐振器,其中心频率为496 MHz。着重分析了使用AZ 5214E光刻胶进行反转曝光时遇到的一些工艺问题,并提出了一些改进方案,掌握了微米级图形反转曝光的一些工艺参数。利用制备的铌酸锂基底声表面波谐振器与3D打印压力腔体相结合,可以实现温度与压力的集成传感。在0～500kPa的气压变化下,实现了 0.14 MHz的频率偏移,且线性度良好。利用氧化锌基底的高频声表面波器件与二维纳米片状二硫化钥材料相结合,实现了 365 nm和254 nm波段的紫外传感。在1.466mW/cm2的光功率密度下,器件可以实现3.5 MHz的频率偏移,频率响应线性度良好。本文利用电子束曝光技术和紫外光刻技术分别制备特征尺寸为600 nm和2μm的声表面波器件。在与纳米材料和3D打印相结合后,可以分别用于紫外探测和压力、温度传感。本文主要解决了在使用AZ5214E进行高精度图形反转曝光时遇到的一些工艺问题,实现了精密插指阵列的反转曝光和金属剥离,为后续高精密的图形曝光提供工艺参考。
【学位授予单位】：厦门大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TP212;TH74
【图文】：

声表面波传感器,汽车

逦Ｋｉｎｅｔｉｃ邋Ｅｎｅｒｇｙ邋Ｒｅｃｏｖｅｒｙ邋Ｓｙｓｔｅｍ邋（ＫＥＲＳ）逡逑图１．１邋Ｔｒａｎｓｅｎｓｅ汽车声表面波传感器逡逑如图１．２所示是一种典型的扭矩传感器，在传动轴传递扭力的过程中，传动逡逑轴会沿着扭矩的方向发生扭转形变，这时布置在ＳＸＸ方向和ｓｙｙ方向的两个声表逡逑面波传感器可以感测到传动轴的形变，将形变导致的频率／相位变化由天线传输逡逑至数据处理单元进而计算出实时的扭矩状态。逡逑Ｔｏ邋ＲＦ邋ｃｏｕｐｌｅｒ逡逑逦１逦逦逦ｚ逡逑＼１逦邋町邋＼逦／逦？、，逡逑Ｖ逡逑图１．２扭矩传感器工作原理逡逑绝大多数声表面波器件使用的压电材料均有一定的温度系数，铌酸锂、钽酸逡逑锂单晶，氧化锌、氮化镓等压电薄膜均为负温度系数，即随着温度的升高，器件逡逑的中心频率会向更低的频率偏移，而石英材料（包括ＹＸ切石英和ＳＴ石英等）逡逑的温度系数为正。［１ＧＨ１１】传统声表面波器件中的金属ＩＤＴ多使用Ａｌ、Ａｉｋ邋Ｐｔ等材逡逑料，这类材料在高温下会变成熔融状态，影响声表面波信号的收发。虽然部分压逡逑电材料的耐温性能较好

扭矩传感器,工作原理

Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ邋ｏｕｔｐｕｔ邋ｔｏｒｑｕｅ邋ｓｅｎｓｏｒ逦Ｋｉｎｅｔｉｃ邋Ｅｎｅｒｇｙ邋Ｒｅｃｏｖｅｒｙ邋Ｓｙｓｔｅｍ邋（ＫＥＲＳ）逡逑图１．１邋Ｔｒａｎｓｅｎｓｅ汽车声表面波传感器逡逑如图１．２所示是一种典型的扭矩传感器，在传动轴传递扭力的过程中，传动逡逑轴会沿着扭矩的方向发生扭转形变，这时布置在ＳＸＸ方向和ｓｙｙ方向的两个声表逡逑面波传感器可以感测到传动轴的形变，将形变导致的频率／相位变化由天线传输逡逑至数据处理单元进而计算出实时的扭矩状态。逡逑Ｔｏ邋ＲＦ邋ｃｏｕｐｌｅｒ逡逑逦１逦逦逦ｚ逡逑＼１逦邋町邋＼逦／逦？、，逡逑Ｖ逡逑图１．２扭矩传感器工作原理逡逑绝大多数声表面波器件使用的压电材料均有一定的温度系数，铌酸锂、钽酸逡逑锂单晶，氧化锌、氮化镓等压电薄膜均为负温度系数，即随着温度的升高，器件逡逑的中心频率会向更低的频率偏移，而石英材料（包括ＹＸ切石英和ＳＴ石英等）逡逑的温度系数为正。［１ＧＨ１１】传统声表面波器件中的金属ＩＤＴ多使用Ａｌ、Ａｉｋ邋Ｐｔ等材逡逑料

【参考文献】