[發明專利]一種溫度自補償、寬量程的柔性無線無源聲表面波壓強傳感器

在審

• 申請號: 201811063005.3
• 申請日: 2018-09-12
• 公開（公告）號: CN109163842A
• 公開（公告）日: 2019-01-08
• 發明（設計）人: 董樹榮;許紅升;軒偉鵬;陳金凱;駱季奎
• 申請（專利權）人: 浙江大學
• 主分類號: G01L9/08
• 分類號: G01L9/08;G01L19/04
• 代理公司: 杭州天勤知識產權代理有限公司 33224
• 代理人: 曹兆霞

本發明公開了一種溫度自補償、寬量程的柔性無線無源聲表面波壓強傳感器，包括作為壓電層的鈮酸鋰單晶壓電薄膜；形成在所述鈮酸鋰單晶壓電薄膜上的至少一個聲表面波傳感單元，每個聲表面波傳感單元包括形成在所述鈮酸鋰單晶壓電薄膜上的單端諧振器、與所述單端諧振器電氣連接的微帶天線；覆蓋在所述鈮酸鋰單晶壓電薄膜上的密閉蓋，所述密閉蓋與所述鈮酸鋰單晶壓電薄膜形成密閉腔體。該柔性無線無源聲表面波壓強傳感器以鈮酸鋰單晶壓電薄膜作為壓電層，使得其具有寬量程，能夠檢測0～4MPa范圍內的壓強，還具有溫度自補償功能，有利于提高柔性無線無源聲表面波壓強傳感器的精度。

技術領域

本發明屬于微納傳感器領域，特別涉及一種溫度自補償、寬量程的柔性無線無源聲表面波壓強傳感器。

背景技術

聲表面波(surface acoustic wave,SAW)器件是微機電系統的重要組成部分，通過在壓電材料上沉積圖形化的叉指換能器制備而成。根據逆壓電效應，在叉指換能器兩端施加的交變電場會引起壓電材料的彈性形變，從而產生沿著壓電材料表面傳播的聲波。得益于其尺寸小、高諧振頻率、高機電耦合系數、高品質因素、無線無源傳感等優勢，聲表面波器件在移動通信、微納傳感器、微流控等領域具有廣泛應用，特別是在濾波器市場，聲表面波器件占據著很大份額。

聲表波器件的一個重要應用是傳感，環境因素的變化會在聲波傳播路徑造成擾動，從而引起聲表面波器件諧振頻率或相位等參量的偏移。根據這個原理，聲表面波器件可用于傳感諸如溫度、濕度、氣體、壓強等物理量。大量研究報道證明，聲表面波傳感器具有靈敏度高、質輕、價格低、尺寸小、可無線無源傳感等特點，在學術界和工業界引起廣泛興趣，并已取得一系列產業化應用。

得益于材料科學和薄膜技術的不斷進步，聲表面波傳感器正朝著柔性化發展，并成為柔性電子的重要分支。與傳統的基于硬性襯底(如石英、鈮酸鋰、鉭酸鋰)的聲表面波傳感器相比，柔性聲表面波傳感器通常采用在柔性襯底上濺射壓電薄膜的雙層結構，具有可形變、可延展、量程寬、靈敏度高、質量輕等明顯優勢。

在柔性聲表面波傳感器研究方面，浙江大學做出了很多開創性的工作。2014年3月，浙江大學在Journal of Micromechanics and Microengineering上報道了基于ZnO/PI結構的紫外傳感器，該傳感器具有柔性好、精度高、價格低等優勢。2014年5月，浙江大學在Applied Physics Letters上提出基于ZnO/PET結構的柔性SAW應變傳感器，該傳感器具有雙諧振模式和±2500με的寬應變量程。2014年8月浙江大學開發出基于超薄玻璃的柔性SAW應變傳感器，并發表在Journal of Micromechanics and Microengineering上，該傳感器兼具柔性和透明，在柔性可穿戴電子方面具有巨大應用潛力。2018年3月浙江大學于Applied Physics Letters上報道了基于鈮酸鋰單晶薄膜的柔性SAW應變傳感器，首次提出單層結構的柔性SAW應變傳感器，實現了更寬的應變量程(±3500με)和更好的性能穩定性，這得益于單晶鈮酸鋰相對多晶壓電薄膜(如ZnO)更均勻的表面和規則有序的晶格排列。

壓強傳感是聲表面波傳感器的一個重要應用，可用于胎壓、汽輪機內壓等壓強的檢測。傳統的基于硅或碳化硅的壓強傳感器盡管有寬量程、耐高溫等優點，但是精度低，且需要外接電源，限制了其在特殊場合的應用?，F有的聲表面波壓強傳感器雖然具有微型化、可無線無源傳感等優點，但是它們通常基于體壓電材料(如石英、鈮酸鋰、鉭酸鋰)，或在硬性襯底(如Si、SOI)沉積壓電薄膜制備而成，可形變程度低，因此限制了傳感器的量程。已報道的壓強傳感范圍通常低于2MPa，不能適應高壓環境。如果將柔性SAW器件用作壓強傳感，將增大傳感器的量程。值得一提的是，柔性聲表面波器件通常具有多個諧振模式，這一特性將有助于溫度補償和多參數傳感。

發明內容