CN110658256A - 一种基于电极质量负载效应的超高灵敏度谐振式声表面波传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于电极质量负载效应的超高灵敏度谐振式声表面波传感器，传感器结构从下至上依次为：衬底‑压电薄膜‑叉指电极‑传感区或者压电衬底‑叉指电极‑传感区，所述传感器传感区域在叉指电极上方，相比于传统敏感区域在双端叉指电极的声波传播中间区域，传感区域置于叉指电极上方可以利用叉指电极上更为明显的质量负载效应，使得有质量负载时，声表面波器件谐振频率偏移更大，传感器灵敏度更高。所述叉指电极的波长为120nm～40μm，金属化率为0.1～0.9。本发明的有益效果如下：超高灵敏、易于检测以及工艺简单。
Description
【技术领域】
本发明涉及声学技术中声表面波传感器，尤其涉及一种可用于传感的基于电极质量负载效应的超高灵敏度谐振式声表面波传感器。
【背景技术】
声表面波(Surface Acoustic Wave，SAW)传感器属于压电型检测器，相比于其他类型如压阻式、电容式检测器而言具有灵敏度高，体积小，设计相对简单，制备成本低等诸多优点。声表面波传感器又分为：SAW延迟线型和SAW谐振器型。SAW延迟线型在结构上具备较大面积的传感区域，该区域位于SAW传播通道上，但损耗较大，稳定性较差；SAW谐振器型结构紧凑，Q值较高，损耗较低，稳定性较好。传统谐振器型声表面波传感器，其传感区域设置在双端叉指换能器的中间声波传播区域(双端对谐振器)或单端叉指换能器两旁(单端对谐振器)，当有质量负载时，SAW传感器谐振频率降低，但是一般偏移量很小，传感器灵敏度较低。本发明提出一种基于电极质量负载效应的超高灵敏度谐振式声表面波传感器，其传感区为叉指电极正上方，其传感形式可以是被测物质直接沉积在叉指电极上，或者在叉指电极上修饰一层敏感层，对被测物敏感。由于SAW叉指电极的质量负载效应相比于声波传播区域要明显，所以其质量灵敏度更高，可以满足生物、化学、医学领域的高精度传感需求。
【发明内容】
本发明的目的是为了公开一种基于电极质量负载效应的超高灵敏度谐振式声表面波传感器，利用电极质量负载效应，使SAW具备更高传感灵敏度。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种基于电极质量负载效应的超高灵敏度谐振式声表面波传感器，包括衬底1，所述衬底1上方中部设置有叉指电极2，叉指电极两侧分别安装有反射栅4，其特征在于，所述叉指电极2正上方设置有传感区3；叉指电极2为均匀叉指电极，波长为120nm～40μm，金属化率为0.1～0.9：传感区3为对被测物敏感的敏感层或用于沉积被测物质的区域；所述衬底1为压电衬底或顶部紧邻固定有压电薄膜6。
进一步的改进，所述衬底1顶部紧邻固定有压电薄膜6，所述叉指电极2和反射栅均处于压电薄膜6上方。
进一步的改进，所述压电衬底为石英、压电陶瓷、铌酸锂、钽酸锂、四硼酸锂、锗酸铋、硅酸铋、正磷酸铝、铌酸钾、硅酸镓镧类晶体中的任意一种。
进一步的改进，所述均匀叉指电极为单端谐振式均匀叉指电极和或双端对谐振式均匀叉指电极，反射栅为开路反射栅或者短路反射栅。
进一步的改进，所述衬底为硅、玻璃、蓝宝石、金刚石中的任意一种硬质衬底，或者聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚二甲基硅氧烷、硅橡胶、柔性玻璃中的任意一种柔性衬底。
进一步的改进，所述压电薄膜6为氧化锌、氮化铝、氮化镓、铌酸锂、钽酸锂、铌酸钾、五氧化二钽、锆钛酸铅中的任意一种材料制成，厚度为100nm～6000nm。
进一步的改进，所述叉指电极2材料为铝、金、银、铜、铬、钼、镍、钛、钨、掺铝氧化锌或氧化铟、银纳米线、二硫化钼、石墨烯中的任意一种或多种材料混合制成，厚度为1nm～1000nm。
发明提供的基于电极质量负载效应的超高灵敏度谐振式声表面波传感器，传感区域置于叉指电极上方，相比于传统SAW敏感区域在双端叉指电极的声波传播中间区域，质量负载效应更为明显效应，传感器灵敏度更高。
【附图说明】
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。下文描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图，其中：
图1为本发明一种基于电极质量负载效应的超高灵敏度谐振式声表面波传感器的结构示意图；
如图2为本发明实施例提供的基于电极质量负载效应的超高灵敏度谐振式声表面波传感器敏感区域与传统SAW传感敏感区域对比图。
图3为本发明实施例提供的现有传统双端对谐振式声表面波传感器和基于电极质量负载效应的超高灵敏度谐振式声表面波传感器在加载同等质量负载前后的归一化导纳(Y11)曲线图。
【具体实施方式】
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1所示，本发明提供一种基于电极质量负载效应的超高灵敏度谐振式声表面波传感器。当声表面波传感器采用压电衬底型结构时，从下至上依次为：压电衬底1-叉指电极2-传感区3，SAW反射栅4置于叉指电极2两侧；当声表面波传感器采用压电薄膜型结构时，从下至上依次为：衬底5-压电薄膜6-叉指电极2-传感区3；SAW反射栅4至于叉指电极2两侧；所述压电衬底1为硬质衬底，采用石英、压电陶瓷、铌酸锂、钽酸锂、四硼酸锂、锗酸铋、硅酸铋、正磷酸铝、铌酸钾、硅酸镓镧类晶体中的任意一种制造。所述叉指电极2为均匀叉指电极，波长为120nm～40μm，金属化率相等，为0.1～0.9。所述叉指电极2结构分为单端谐振式和双端对谐振式。叉指电极2材料为铝、金、银、铜、铬、钼、镍、钛、钨、掺铝氧化锌或氧化铟、银纳米线、二硫化钼、石墨烯中的任意一种材料或者所述材料的复合材料，厚度为1nm～1000nm。所述传感区域3置于叉指电极2上方，相比于传统SAW敏感区域在双端叉指电极的声波传播中间区域，质量负载效应更为明显效应，传感器灵敏度更高。传感区域3的传感形式可以是被测物质直接沉积在叉指电极上，或者是叉指电极上修饰一层敏感层，对被测物敏感。所述反射栅4为开路反射栅或者短路反射栅。所述衬底5为硅、玻璃、蓝宝石、金刚石中的任意一种硬质衬底制造，或者聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚二甲基硅氧烷、硅橡胶、柔性玻璃种的任意一种柔性衬底制造所述的压电薄膜。所述压电薄膜材料6为氧化锌、氮化铝、氮化镓、铌酸锂、钽酸锂、铌酸钾、五氧化二钽、锆钛酸铅中的任意一种，厚度100nm～6000nm。
下面以具体实施例1对本发明提供的一种基于电极质量负载效应的超高灵敏度谐振式声表面波传感器进行详细说明。
实施例1
一种基于电极质量负载效应的超高灵敏度谐振式声表面波传感器，采用压电衬底型结双端对谐振式SAW构，压电衬底1采用128°YX LiNbO3材料，叉指电极2采用金(Au)材料，叉指电极2厚度为12nm，SAW器件波长λ为800nm。
如图2为本发明实施例提供的基于电极质量负载效应的超高灵敏度谐振式声表面波传感器敏感区域与传统SAW传感敏感区域对比图。
如图3为当施加质量负载712.22pg，本发明实施例提供的基于电极质量负载效应的超高灵敏度谐振式SAW传感器与传统SAW传感器的频率偏移的仿真对比图
如图3所示，本实施例提供的基于电极质量负载效应的超高灵敏度谐振式声表面波传感器当施加在叉指电极上的质量负载为712.22pg(皮克)，中心谐振频率从4.6115GHz偏移到3.9045GHz，传感器灵敏度为1.007383pg/MHz，而当同样的负载质量加载在传统的SAW传感器上时，其中心谐振频率从4.6490GHz偏移到4.6445GHz，传感器灵敏度为158.2711pg/MHz。可以看出，本发明实施例提供的基于电极质量负载效应的超高灵敏度谐振式SAW传感器灵敏度远高于现有的传统质量传感器的灵敏度。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但传感参量不仅仅是质量传感，可以是气体传感、湿度传感、化学传感和生物传感。
尽管本发明的实施方案已公开如上，但并不仅仅限于说明书和实施方案中所列运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限于特定的细节和这里所示出与描述的图例。
Claims (7)
1.一种基于电极质量负载效应的超高灵敏度谐振式声表面波传感器，包括衬底(5)，所述衬底(5)上方中部设置有叉指电极(2)，叉指电极两侧分别安装有反射栅(4)，其特征在于，所述叉指电极(2)正上方设置有传感区(3)；叉指电极(2)为均匀叉指电极，波长为120nm～40μm，金属化率为0.1～0.9：传感区(3)为对被测物敏感的敏感层或用于沉积被测物质的区域；所述衬底(5)为压电衬底(1)或顶部紧邻固定有压电薄膜(6)。
2.如权利要求1所述的基于电极质量负载效应的超高灵敏度谐振式声表面波传感器，其特征在于，所述衬底(5)顶部紧邻固定有压电薄膜(6)，所述叉指电极(2)和反射栅均处于压电薄膜(6)上方。
3.如权利要求1所述的基于电极质量负载效应的超高灵敏度谐振式声表面波传感器，其特征在于，所述压电衬底为石英、压电陶瓷、铌酸锂、钽酸锂、四硼酸锂、锗酸铋、硅酸铋、正磷酸铝、铌酸钾、硅酸镓镧类晶体中的任意一种。
4.如权利要求1所述的基于电极质量负载效应的超高灵敏度谐振式声表面波传感器，其特征在于，所述均匀叉指电极为单端谐振式均匀叉指电极和或双端对谐振式均匀叉指电极，反射栅为开路反射栅或者短路反射栅。
5.如权利要求1所述的基于电极质量负载效应的超高灵敏度谐振式声表面波传感器，其特征在于，所述衬底为硅、玻璃、蓝宝石、金刚石中的任意一种硬质衬底，或者聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚二甲基硅氧烷、硅橡胶、柔性玻璃中的任意一种柔性衬底。
6.如权利要求1所述的基于电极质量负载效应的超高灵敏度谐振式声表面波传感器，其特征在于，所述压电薄膜(6)为氧化锌、氮化铝、氮化镓、铌酸锂、钽酸锂、铌酸钾、五氧化二钽、锆钛酸铅中的任意一种材料制成，厚度为100nm～6000nm。
7.如权利要求1所述的一种基于电极质量负载效应的超高灵敏度谐振式声表面波传感器，其特征在于，所述叉指电极(2)材料为铝、金、银、铜、铬、钼、镍、钛、钨、掺铝氧化锌或氧化铟、银纳米线、二硫化钼、石墨烯中的任意一种或多种材料混合制成，厚度为1nm～1000nm。
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