[发明专利]一种多边形电极的压电薄膜体声波传感器

说明书

技术领域

本发明属于微电子机械系统(MEMS)领域，特别涉及到一种适于液体和气体检测的具有多边形电极的压电薄膜体声波传感器。

背景技术

体声波传感器是一类通用的物理、化学和生物传感器，具有操作简便、响应速度快、灵敏度高、无需标记等优点，在食品安全检测、药物研发、临床医学检验、环境监测等领域具有广阔的应用前景。采用微电子机械系统(MEMS)技术促进了体声波传感器技术向微型化、集成化和智能化的发展，同时还具有低成本、低功耗、易集成等优点。

体声波用于气体和特殊物质检测时，可以采用纵波振动模式也可以采用剪切波振动模式。但为了减小声波能量向被分析物中散射，大部分采用的是剪切波模式。以厚度剪切模式振动的体声波传感器由于具有较高的质量灵敏度已广泛用于各种气相和液相的生物化学测量。这类传感器通过在一定切向的压电晶片或压电薄膜两面敷设电极，当施加交变电压后可激发沿厚度方向传播的剪切波。测量时晶体上有效负载的变化会影响其谐振频率，通过检测传感器上敏感膜与待测物接触后器件谐振频率的漂移可实现各种气相和液相的生物化学测量。根据压电体声波传感器测试原理，传感器的谐振频率是由压电晶片或压电薄膜的厚度决定。由于压电晶片厚度受切割工艺的制约，只能工作于较低的频率范围(MHz)，难以继续提高，因此该类传感器存在检测灵敏度低等问题。而采用MEMS加工技术制作的压电薄膜体声波传感器谐振频率能达GHz以上，质量检测下限可以达到ng级，因此成为当前国际上研究的热点。

根据压电薄膜体声波传感器设计原理，传感器的谐振频率由压电薄膜、金属电极的厚度共同决定。电极是该类传感器的重要组成部分，电极的材料、形状、厚度以及由上下电极相对区域构成的谐振区面积大小都会直接影响薄膜体声波传感器的品质因数(Q值)和动态阻抗等关键参数，从而影响传感器的频率稳定性与负载测量范围。

现有的压电传感器通常采用圆形电极。声波在压电晶体或压电薄膜两面的电极之间传播时，晶体表面的质点位移主要沿某一特定晶轴方向，具有非圆形对称性，微波信号在传输过程中会在平行边及锐角或直角处产生较强的反射，引起损耗与附加的谐振(也称之为伪谐振)。而圆形可看作无限多平行边图形的近似，因此体声波传感器中圆形电极的使用将影响传感器的灵敏性与频率稳定性。

中国专利“压电晶体谐振器电极形状设计方法”(200810030833.7)报道了一种让压电谐振器电极形状在每个方向都满足Bechmann系数的设计方法。此方法设计的压电谐振器虽然性能有所提高，但这种方法获得的电极形状比较复杂，造成器件加工工艺复杂，生产成本提高。本发明提出了一种加工简单、性能优越的具有多边形电极的薄膜体声波传感器。

发明内容

本发明的目的在于克服已有压电传感器测量性能的不足，提出一种任意两边不平行、内角均为钝角的多边形电极的薄膜体声波传感器。本发明提出的具有多边形的薄膜体声波传感器很好的改善了器件的品质因数，提高了器件的灵敏度与频率稳定性，特别是提高了器件对大阻尼液相的频率响应特性，并且结构简单、制作方便、可靠性高。

本发明的技术方案如下：

一种具有多边形电极的压电薄膜体声波传感器，包括衬底、压电薄膜、分布于压电薄膜上下表面的金属电极、电极引线以及覆盖在所述上电极表面的敏感膜，压电薄膜两表面的上下电极有一个或者两个是多边形，该多边形为任意两边不平行、内角均为钝角、边数小于10的多边形。

所述的一种具有多边形电极的薄膜体声波传感器，其多边形可以是正五边形、非正五边形、正七边形、非正七边形、正九边形、非正九边形、非正六边形、非正八边形等，其中正五边形的效果最好。

所述的一种具有多边形电极的薄膜体声波传感器，压电薄膜两表面的上下电极只有一个金属电极为多边形时，其面积应小于另一个金属电极的面积。

所述的一种具有多边形电极的薄膜体声波传感器，压电薄膜是沿c轴择优取向或c轴倾斜择优取向的压电薄膜。

所述的一种具有多边形电极的薄膜体声波传感器，压电薄膜生长在Si衬底或GaAs衬底表面。

当本薄膜体声波传感器用于气相检测时，通常传感器的两个电极都设计成多边形且大小相等、两多边形的各条边上下对齐，与气体接触的电极表面敷设的敏感膜吸附被测物质后，传感器谐振频率发生变化而反映气体的相关参数。与传统的具有圆形电极的压电传感器相比，本传感器工作时的频率稳定性、信噪比更高，从而导致测量灵敏度提高。