基于SAW器件的狹縫間作用力監(jiān)測傳感器

李海寧，丁杰雄，姜　忠，付陸元，劉廣民

(1．電子科技大學(xué)機(jī)械電子工程學(xué)院，四川成都　611731；2．中國工程物理研究院機(jī)械制造工藝研究所，四川綿陽　621900)

0　引言

在由兩個曲面組成的狹縫中，柔軟彈性介質(zhì)作為力敏傳遞單元嵌于狹縫中，測量彈性介質(zhì)表面承受的作用力有著實(shí)用價值和技術(shù)意義。受狹縫空間的限制，傳感器需要具有尺寸小、靈敏度高、信號易于接收處理等特點(diǎn)。傳統(tǒng)的有線有源測量方式在這種特殊環(huán)境下并不適用，而基于聲表面波原理的無線無源傳感技術(shù)可以為狹縫間的作用力測量提供一種可行途徑。

聲表面波最初是在研究地震波時被發(fā)現(xiàn)的，但是直到20世紀(jì)80年代，隨著對聲表面波性質(zhì)認(rèn)識和外界因素對其影響特性研究的深入，聲表面波才被用來制作各種各樣的傳感器。由于聲表面波傳感技術(shù)符合信號系統(tǒng)數(shù)字化、高精度等要求，因此其發(fā)展得到了很大的重視。尤其是在歐美、日本等發(fā)達(dá)國家，聲表面波技術(shù)已經(jīng)較為成熟，制作出的SAW器件尺寸小、靈敏度高、重復(fù)性好。2006年英國的B．Dixon等將三諧振器結(jié)構(gòu)的SAW傳感器應(yīng)用于轉(zhuǎn)動軸的扭矩和溫度測量，達(dá)到的溫度分辨率為±1°，扭矩的測量誤差小于滿量程的正負(fù)1%[1]。2008年Orbay Tuncay研究設(shè)計(jì)了一種基于延遲線型的直接SAW傳感器用于測量噴氣式飛機(jī)引擎壓縮機(jī)和渦輪機(jī)葉片上的應(yīng)變，并設(shè)計(jì)完成了無線收發(fā)電路[2]。

相比之下，國內(nèi)學(xué)者對SAW傳感技術(shù)的研究較為滯后，但是仍然取得了許多成果。2006年西北工業(yè)大學(xué)何舉鵬，戴冠中等人通過力學(xué)分析得出了圓形石英膜片的半徑、厚度和最大載荷的關(guān)系[3]。2008年李天利、鄭亮等設(shè)計(jì)出一個溫度和壓力混合的SAW傳感器，通過引入權(quán)重因子，把壓力信號從溫度和壓力共同影響的混合信號中分離出來，從而達(dá)到溫度和壓力同時檢測的目的[4]。

1　基于SAW器件的作用力傳感器設(shè)計(jì)

基于SAW器件的作用力傳感器的設(shè)計(jì)包括作用力監(jiān)測系統(tǒng)的搭建、SAW器件的設(shè)計(jì)、力敏結(jié)構(gòu)的仿真三部分。

1．1狹縫中作用力傳感技術(shù)方案

曲面狹縫間作用力監(jiān)測系統(tǒng)由查詢端和傳感器端組成，如圖1所示。由信號發(fā)生裝置產(chǎn)生一定頻段內(nèi)不同頻率的分段正弦連續(xù)波，此連續(xù)波通過發(fā)射天線發(fā)射出去，激勵一定距離外的傳感器，接收天線接收到傳感器端的回波信號并輸入到信號接收處理器。由于諧振型SAW器件的選頻特性，其只對特定頻率的正弦連續(xù)波響應(yīng)最大，可以計(jì)算相應(yīng)回波信號能量，其中能量最大時對應(yīng)的激勵信號頻率為傳感器的諧振頻率。

圖1　狹縫間作用力監(jiān)測系統(tǒng)示意圖

傳感器端由微帶天線和SAW器件組成。其中，為了實(shí)現(xiàn)狹縫中頻率信號的發(fā)射與接收，天線采用在柔性基底上進(jìn)行制作的方法，不僅性能穩(wěn)定、方便連接，還減小了體積和重量。與微帶天線相連的SAW器件，是在特定取向的壓電材料上光刻出固定圖案，再通過力敏結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)“力-聲-電”的轉(zhuǎn)換。

1．2SAW傳感器的參數(shù)設(shè)計(jì)

SAW器件的設(shè)計(jì)是整個傳感器設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，SAW器件通常由叉指換能器(interdigital transducer，IDT)、反射柵以及壓電基底構(gòu)成。根據(jù)測量原理的不同，可分為延遲線型和諧振型。

1．2．1延遲線型SAW傳感器

延遲線型SAW傳感器如圖2所示，由于R1、R2至IDT的距離不同，使得進(jìn)入SAW器件的射頻信號產(chǎn)生不同的延遲。延遲時間τi為

(1)

式中：Li(i=1，2)為IDT與反射柵之間的距離；υ0為SAW傳播速度。

當(dāng)壓電基底被施加作用力時，不僅會導(dǎo)致L1和L2的改變，還會導(dǎo)致基底材料常數(shù)發(fā)生變化。這些因素綜合反映在SAW器件輸出信號延遲時間的相對變化中，即

(2)

圖2　延遲線型SAW器件示意圖

1．2．2諧振型SAW傳感器

諧振型SAW傳感器的結(jié)構(gòu)如圖3所示，只有1個IDT的稱為單端諧振器，有兩個IDT分別用于發(fā)射和接收SAW的稱為雙端諧振器。SAW在IDT與反射柵之間反射形成諧振腔，產(chǎn)生諧振頻率。SAW器件的同步頻率f0為

(3)

式中：υ0為SAW傳播速度；λ0為SAW波長；p為相鄰電極間的距離，對于均勻IDT，p=a;a為叉指電極的寬度。

當(dāng)受到外力作用時，使電極寬度、基底材料常數(shù)發(fā)生變化，最終體現(xiàn)在輸出頻率信號的變化中，產(chǎn)生頻率偏移Δf，即

(4)

圖3　諧振型SAW器件示意圖

相比于延遲線型直接SAW壓力傳感器，諧振型SAW壓力傳感器可以以更小的尺寸達(dá)到和延遲線型直接SAW壓力傳感器相同的測量靈敏度，且具有帶寬窄、插入損耗低、遙測距離遠(yuǎn)、便于數(shù)字化測量等眾多優(yōu)點(diǎn)，因此被國內(nèi)外學(xué)者廣泛研究[5]。在此，采用單端諧振型SAW傳感器進(jìn)行設(shè)計(jì)，有利于狹縫中信號的測量與傳輸。

1．2．3結(jié)構(gòu)尺寸參數(shù)的確定

諧振型SAW器件的壓電基底采用較為常用的單晶石英材料，選取制作SAW諧振器件綜合性能比較好的ST切型(42°45′)X傳播方向[6]。圖4為單端SAW諧振器的尺寸示意圖。

要得到高Q值的諧振器，應(yīng)該盡可能增大反射柵邊對邊的距離，增大膜厚以及增大反射柵條數(shù)Nr．但是鋁膜的厚度不能太大，因?yàn)檫@會增大體波轉(zhuǎn)換損失，使Q值降低。反射柵條數(shù)的選擇也不能過大，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，一般選擇

Nr|ΔZ/Z0|=3～4

(5)

式中：Nr為反射柵條數(shù)；ΔZ/Z為聲阻抗不連續(xù)率。

圖4　單端SAW諧振器尺寸圖

Lef為有效諧振腔長度，即

Lef=Lrr+2Lc

(6)

式中：Lrr為兩反射柵邊對邊的距離；Lр為反射器邊緣到反射柵的反射中心距離。

為了使SAW的能量盡量疊加達(dá)到最大，IDT與反射柵之間的距離取

Lrt=3λ0/8+nλ0/2，n=0，1，2，…

(7)

根據(jù)以上設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，針對中心頻率為1 GHz的要求，可以得到諧振器的尺寸參數(shù)如表1所示。

根據(jù)這些參數(shù)可以計(jì)算傳感器的壓力靈敏度。施加作用力時，傳感器的頻率輸出

(8)

式中：υ(ε)、λ(ε)為聲表面波在石英基底產(chǎn)生應(yīng)變之后的速度與波長；ε為石英基底的應(yīng)變。

則

(9)

式中：σ為諧振器產(chǎn)生的應(yīng)力；E為石英基底的彈性模量；F為有效作用力；W為聲孔徑。

表1　單端SAW諧振器設(shè)計(jì)參數(shù)

在考慮石英不因過載而斷裂的前提下，若施加于傳感器4 Pa均布壓強(qiáng)，則頻率變化輸出為0.875 MHz，如果外圍的處理電路的頻率分辨率為5 kHz，，則系統(tǒng)的壓力分辨率為22.85 kPa，則頻率壓力靈敏度系數(shù)為2.19×10-8/Pa．

1．3力敏結(jié)構(gòu)的應(yīng)力仿真

在直接型SAW傳感器的設(shè)計(jì)中，力敏結(jié)構(gòu)的選擇起著至關(guān)重要的作用，它是將被測量力轉(zhuǎn)換為微結(jié)構(gòu)內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變進(jìn)而影響諧振器諧振頻率的重要結(jié)構(gòu)，力敏結(jié)構(gòu)的合理選擇需要考慮該結(jié)構(gòu)在實(shí)際外力作用下的應(yīng)力應(yīng)變情況，防止發(fā)生破壞，在此前提下提高該結(jié)構(gòu)對質(zhì)量負(fù)載的敏感特性。常用的兩種力敏結(jié)構(gòu)是周邊固支圓膜片結(jié)構(gòu)和方膜片結(jié)構(gòu)。

采用柔軟介質(zhì)聚酰亞胺薄膜作為支撐基底來研究不同的力敏結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的不同應(yīng)力狀態(tài)。支撐基底厚度為100 μm，石英基底為4 mm×4 mm×0．3 mm，圓孔半徑1 mm，方孔2 mm×2 mm，施加4 MPa的均布壓強(qiáng)。則von Mises應(yīng)力和總位移圖如圖5所示。可以得出結(jié)論：(1)方膜片的最大應(yīng)力約為42 MPa，膜片中心位移(最大撓度)為1.6 μm，圓膜片的最大應(yīng)力為36 MPa，膜片中心位移為1.2 μm，二者的變形撓度相近，圓形膜片情況下的應(yīng)力值更小，為了防止石英基底過壓而造成破壞，選用應(yīng)力較小的圓形膜片結(jié)構(gòu)；(2)方形膜片中出現(xiàn)了四處非連續(xù)的應(yīng)力較小的區(qū)域，對傳感器放置所帶來的影響不可避免，圓形膜片的中心應(yīng)力對稱均勻，可以減小其他因素造成的SAW諧振器的擾動；(3)方膜片與圓膜片的中心都是應(yīng)力與應(yīng)變最大的區(qū)域，這個區(qū)域適合放置靈敏度系數(shù)較大的傳感器，而周圍的均勻區(qū)域應(yīng)力較小，適宜放置靈敏度系數(shù)較小的傳感器。綜上所述，選擇周邊固支圓膜片結(jié)構(gòu)作為傳感器的力敏結(jié)構(gòu)。

(a)方膜片應(yīng)力圖　　　(b)方膜片位移圖

綜上所述，傳感器端的結(jié)構(gòu)模型如圖6所示，IDT和反射柵通過薄膜沉積工藝制作于壓電基底表面[7]，再利用通孔的支撐基底將諧振器懸空，從而形成周邊固支圓膜片結(jié)構(gòu)。

圖6　諧振型SAW器件模型圖

2　SAW應(yīng)力傳感器的制作及封裝工藝

SAW諧振器是SAW傳感器的核心器件，其制作的精度將直接影響到整個傳感器的靈敏度。其制作主要包括兩部分：SAW諧振器的制作和器件的封裝。SAW器件整體設(shè)計(jì)三維模型如圖7所示。

圖7　聲表面波傳感器總體結(jié)構(gòu)模型

2．1石英基底及SAWR的制作

通常，基于SAW器件的傳感器都是采用MEMS工藝進(jìn)行制作的，而且對制作過程的精度要求很高，SAW器件的指條細(xì)、密度大，很小的加工誤差都會對傳感器的性能產(chǎn)生很大影響。其中的工藝程序主要包括單晶基底減薄、刻圖制版、沉積光刻、劃片[8]等，如圖8所示。

圖8　石英基底及諧振器的制作流程

基底減薄是指基于研磨和拋光工藝對初始厚度(如500 μm)的單晶基底進(jìn)行減薄，達(dá)到設(shè)計(jì)的理想厚度(如50 μm)的一項(xiàng)工藝技術(shù)?；椎臏p薄技術(shù)對于器件的微型化具有重要的意義，不僅可以減小器件的最終尺寸，還可以提高器件的散熱效率、機(jī)械性能、電學(xué)性能。目前，國外的單晶基底減薄技術(shù)已經(jīng)相當(dāng)成熟，最終可以達(dá)到300～50 μm，但是國內(nèi)工藝的普遍技術(shù)水平在300～500 μm，并沒有成熟的小于300 μm的減薄理論及技術(shù)，并且隨著厚度的減小，成本也將隨之增加。

在壓電基板上沉積的金屬膜要求均勻、導(dǎo)電性好，而且與基板結(jié)合牢固。最常用的金屬是純金或純鋁，通常采用真空蒸發(fā)的方法制作金屬膜。在此選用鋁作為金屬膜材料。鋁具有很高的導(dǎo)電率，化學(xué)性能穩(wěn)定，易于淀積，因而被廣泛用于聲表面波器件的導(dǎo)電膜。另外，聲表面波器件不僅要求金屬膜厚度合適，而且要求金屬膜有很高的均勻性。

為了保證光刻效果，光刻膠一般需要達(dá)到的要求：(1)附著力強(qiáng)且耐腐蝕;(2)顯影圖形分辨率高。正性光刻膠有著較高的圖形分辨率(可以達(dá)到1 μm甚至更小)、較強(qiáng)的抗干法腐蝕能力以及抗熱處理的能力，適用于制作SAW器件。

掩膜一般情況下被定義為曝光中能把其上圖形轉(zhuǎn)移到其他基底表面的工具。掩膜板通常由遮光材料鉻薄膜和石英玻璃基板制成，可制作的電極寬度通常為1 μm左右。國內(nèi)中科院電工所、清華大學(xué)等均成功采用電子束直寫工藝技術(shù)制作出電極寬度分別為0.5 μm和0.6 μm的高頻SAW器件[9-10]。

對于腐蝕工藝，首先需要將曝光后的基底置入顯影液和去離子水的混合液中顯影，光刻膠顯影不足和顯影過度均會對制作器件的質(zhì)量產(chǎn)生嚴(yán)重影響。顯影之后，對基底做烘干處理，以使未溶解的光刻膠形成堅(jiān)固的外形，然后冷卻至室溫，接下來可利用干法腐蝕和濕法腐蝕兩種工藝去除多余鋁膜。

經(jīng)過以上工序加工得到的芯片如圖9所示。

圖9　SAWR裸芯片實(shí)物圖

2．2SAW器件的封裝

SAW器件的封裝主要是將SAWR裸芯片與支撐基底相連接，形成周邊固支圓膜片結(jié)構(gòu)，并進(jìn)行一定的外圍連線與保護(hù)。根據(jù)一般接觸壓力有效傳遞的要求，剛性接觸應(yīng)用場合，彈性介質(zhì)應(yīng)該具有柔軟特性。所以，支撐基底并沒有選擇利用MEMS工藝來制作，而是選取了機(jī)械性能、電學(xué)性能都滿足條件的材料單獨(dú)制作并與石英基底粘貼的方式。市場上有不同厚度的聚酰亞胺膠帶，選擇的膠帶規(guī)格為：總厚度230 μm，聚酰亞胺基材100 μm，彈性模量3.1 GPa，泊松比0.338。接著在聚酰亞胺膠帶上打出孔徑為2 mm的通孔和尺寸為4 mm×2 mm的矩形孔，通孔的目的主要是將SAWR懸空，形成周邊固支結(jié)構(gòu)，矩形孔是為了露出電極觸點(diǎn)以便進(jìn)行后期的引線鍵合操作[11]。

制作完成的SAW諧振器、支撐基底和天線，經(jīng)過引線鍵合、粘貼、裝配、關(guān)鍵部位保護(hù)等工序，可以得到如圖10所示的諧振式SAW應(yīng)力傳感器整體裝配圖。

圖10　諧振式SAW傳感器整體裝配圖

3　結(jié)束語

針對曲面狹縫環(huán)境，設(shè)計(jì)的諧振型聲表面波應(yīng)力傳感器理論中心頻率為1GHz，承受的最大均布壓強(qiáng)為4MPa，通過嚴(yán)格控制工藝過程可以得到頻率誤差更小、性能更佳的SAW器件。SAW應(yīng)力傳感器的設(shè)計(jì)、制作及封裝均符合測量環(huán)境要求，驗(yàn)證了基于SAW傳感原理測量狹縫間作用力的可行性。

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