（生物医学工程专业论文）声表面波传感器及其接口设计的研究.pdf

浙江人学硕上学位论文 a b s t r a c t s u r f a c ea c o u s t i cw a v e ( s a w ) t e c h n o l o g yh a sb e e na p p l i e di nm a n ya f e a s ，s u c h a se l e c t m n i cc o m m u n i c a t i o n ，w i r c l e s sr e m o t es e n s i n a n ds e d s o rd e t e c t j o n a sa m u l t i f u n c t i o ns e n s o r ，s a ws e n s o ri sw i d e l yu s e di ns e n s i t i v ed c t e c t i o no fp h y s i c a i ， c h e m i c a la i l db j o l o g i c a lm e a s u m n d s ，h a v i n ga d v a i l t a g e so fh i g hs e n s i t i v i t y ，s m a l l v o l u m ea n dl o wp o w e rc o n s 哪p t i o n s a ws e n s i n gd e t e c t i o nt e c h n i q u eh a sg o o d f u t u r ca p p l i c a t i o n s t h i sd i s s e n a t i o nb e 舀n sw i t 量la o o u s t i cp r i n c j p l eo fs a w ：a n dg i v e sab r 主e f i n t r o d u c t i o no fs a ws c n s i n gm e c h a l l i c s m a t c t i a l sa n df a b r i c a t i o nt e c h n o l o g yo f s a ws e n s o ra r ca l s oi n v 0 l v e d 。m o r ea t t c n t i o ni sp a i dt o 锄a i y s j so fs a wi d t s i m u l a t i o n ，i n c l u d i n g 6 f u n c t i o nm o d c l ，e q u i v a l e n tc i r c l l i tm o d e la n dc o u p l i n g o f - m o d e sm o d e l ，a n dp e n u r b a t i o e f f e c tt h e o f yo ns e n s o rs u r f a c ca sw e u d e p e n d i n go n t h e s et h e o r i e sa n df e s e a r c h ，w ed e v e l o pad u a lc h a n n e ls h e a r h o r i z o n t a ls u r f a c e a c o u s t i cw a v e ( s h s a w ) s e n s o r b a s e d 咖3 6 。_ y xu t a 0 3s u b s t r a t cw i t h5 2m 王za n d 1 0 4m h zc c n t c rf r e q u e n c y ，a n dd e s c f i b et h cs a ws e n o r 协t e r f a c cc i r c u i td e s i 触i n d e t a i l f i n a l l y an e t w o f ka i i a l y z c r ，a 舀l e n t4 3 9 5 a ，i su s c da sa t e s tt 0 0 1 1 h ef e s u l t s s h d wt h a tt h ed e s i 印o fs a ws e n s o ra n di m e r f a c ed r c u i tr e a c h e do l l re x p e c t a t j o n t h e i n t e 目a t i o no fb o t l ls a w s e n s o ra i i di n t e r f a c ec i r c u i ti sa d v 卸c e dd e s i 乒t e c h n i q u ea t h o m e ，w l i i c hm a k e sl h 锄w d f k i ng d 0 df h n c t i o na j l ds t a b i l i t y t 1 l er e s e a f c hw o r ka b o v el a y ss o l i df o u d a t i o nf o ra p p f o a c h e sb o t hi n 靠e q u e n c y s t a b j l i t ya i l ds p r e a d i l l ga n da p p l i c a t i o no fs a w s e n s o ri nt l l ef u t u r c k e yw b r d s ：s a w n s o f ；d e 似a i o nt c c i i i l i q ；c o m p u t e rm o d e i i n ga n ds i m u l a t i o ； i n t e - a c ed e s i g n 1 - 1 研究背景 第一章绪论 近几年来，传感技术发展非常迅速，国内外专家、学者在传感技术方面丌展 了许多探索性的研究工作，非常明显的发展趋势是：沿用传统的作用原理和某些 新效应，优先使用晶体材料，如硅、石英、陶瓷等，采用微机械加工工艺和微电 子技术，从传统的结构设计转向微机械加工工艺的微结构设计，研制各种新型传 感器及传感系统，以满足各种检测的需要。 开发新型功能材料、研究新型传感技术，已被很多发达国家列为现代和未来 科学研究和技术开发规划中的首要战略点。利用不断出现的新材料、新原理和新 工艺研制出高性能、低成本、智能化、微型化的传感器是研究新型传感器的主要 手段和最终目标。在目前研究硕果颇丰的新型传感器家族中，声表面波传感器 ( s u m c e a c o u s t i c w a v e s e n s o r ) 就是其中比较出色的一员。 声表面波技术是电子学、声学、光学、半导体平砸工艺和微加工多门学科相 交叉结合产生的一个新兴的技术领域。声表面波器件已成为当代三大固体微电子 器件( 大规模集成电路、声表面波器件及电容耦合器件) 之一，它作为电子设备 中的一个独立部分就能完成复杂的任务，并且有体积小、重量轻、耗能低、生产 重复性好、无需调制及温度稳定性优良等特点。其中的声表面波传感器因对温度、 压力、质量等因素敏感，它广泛地被应用于各个检测领域；而且声表面波传感器 设计灵活，根据沉积的敏感膜不同，可制成不同用途的生物、化学传感器。目前， 国外已有不少研究机构、公司专门从事研究和生产声表面波传感器，可见声表面 波传感器的前景是十分广阔的。 1 2 研究目的 目前国内关于声表面波传感器的研究还不是很多，相关报道也较少。本文的 研究试图在声表面波传感器理论、工艺、设计及检测方面进行介绍并作相关的研 究，为实验室的后续研究工作的开展提供基础。 一 1 - 3 论文框架 本文第一章为本次研究背景和研究目的的介绍；第二章介绍了声表面波传感 的原理和传感器的结构；第三章介绍了声表面波器件的加工过程中涉及到的一些 工岂；第四章介绍了声表面波传感器的模型，重点放在叉指换能器的建模：第五 章介绍了声表面波传感的理论和原理，介绍了扰动理论和声表面波传感器界面的 效应；第六章介绍了声表面波传感器检测方法和接口电路的设计：第七章是实验 结果和分析部分。 2 一 第二章声表面波传感器的原理 声表面波器件用于商业用途已有数十年，其中最多地应用于无线电通讯，主 要用于移动电话和基础设施，它们在无线电收发电子技术的射频段和中频段中， 担当着带通滤波器的角色。而s a w 器件作为传感器应用时，也有多方面的用途， 它可测量湿度、温度、压力、质量、粘度、密度等物理量，利用膜固定技术，更 能将其发展成为化学、生物传感器。 本章介绍声表面波传感器的基本原理及其结构。 2 1 声波与声表面波 我们日常生活中听到的各种声音，归根结底都是由声源物体的振动而产生的 声波，而且声波的传播依赖于介质，固体、液体和气体都可以充当声波传播的介 质，但不同的介质中声波传播的速度也不同。 平时说某种声音的高低、重轻，反映了声波的两个基本属性，即声波的频率 和幅度。前者与声源振动的快慢有关，后者与声源振动的幅度大小有关。 声波按频率可划分为3 个波段：频率低于2 0h z 的称为次声波；介于2 0h z 2 0k h z 的频段，也即人耳能听到的频率范围；频率高于2 0k h z 的称为超声波， 声表面波就属于这个频段，范围一般为1 0 5 0 0m h z 。 声表面波和体声波都是声波家族的成员。在介绍声表面波之前，先简要介绍 一下体声波。普通意义上的声波一般属于体声波，即声波振动时，能够在介质体 内向各个方向传播。体声波包括声纵波和声横波。质点的运动方向和声波的传播 方向平行，这种波称为纵波，因为它是以质点的疏密相间的方式传播的，因此又 称为压缩波。质点的运动方向和声波的传播方向垂直，这种波称为横波，又称为 剪切波，它又可分为两类水平剪切波( s h ) 和垂直剪切波( s v ) ，其中质点 运动和波传播方向垂直且平行于固体表面的q 做水平剪切波，质点运动和波传播 方向垂直且垂直于固体表面的叫做垂直剪切波。 声表面波可分为瑞利波、i j 0 v e 波、l a m b 波等。下面对声表面波的几种常见 类型作一介绍。 一 l 、瑞利( 1 t a y i e i g h ) 波 1 8 8 5 年英国物理学家瑞利发表题为沿弹性体平滑表面传播的波的论文， 从理论上阐明了在弹性固体内部传播的除纵波和横波外，还可能存在另一种形式 的声波，后来被命名为瑞利波，它包含纵波和垂直剪切波两个分量。 瑞利波的质点运动是一种椭圆偏振，固体表面的质点作逆时针方向的椭圆运 动，而且它的振幅随着深度而呈指数衰减；在o 1 8 个波长深度以后，质点按顺 时针方向运动。瑞利波的能量大部分集中在离表面一个波长的深度范围内【“。 羞 疆 深度 图2 1r a y l e i g i l 波的质点运动图2 - 2 r a y l e i 曲波的振幅分布 2 、i j 0 l v e 波 1 9 1 1 年，l d v e 发现当半无限厚的弹性体表面上覆盖有一层体剪切波速相对 较小的材料的时候，在薄片或薄膜紧贴固体表面处可传播两种波：种是质点作 椭圆偏振的瑞利型波( 或称之为广义瑞利波) ；另一种是剪切表面波，即l o v e 波，其粒子运动方向平行于表面且垂直于传播方向【“。l d v e 波是一种色散波，其 波速与频率有关，它是一种可应用于液相检测的波。 3 、i a m b 波 l a m b 波( 也称为曲线声板波，f l c x w a l p l a t e w 如e ) 是一种比较特殊的波振 动形式，它存在于厚度为几个波长的薄板中。粒子运动和r a y l e i g h 波相似，也有 表面垂直剪切( s v ) 和表面平行压缩( 和波传递方向一致) 两个分景。l a m b 波 的波速随基底厚度而减小并和角频率有关，所以它是一种色散波。实际应用中 l a m b 波的频率一般在超高频或微波段( 九在1 0 8 1 0 6 m 范围) 【1 】【2 】，而且通常以膜 的形式附着于某一基体上构成器件。 其它类型的声表面波还有如电声波( b l e u s t e i n g u l y a c vw a v e ) ，浅体声波 ( s u r f a c cs k i m m i n gb u l kw 打e ) ，漏波( k a k ys a w ) ，水平剪切声表面波波( s h e a r 4 浙江大学硕i ：学位论文 h o r i z o n t a ls u r f a c e a c o u s t i c w a v e ) 等等，这里不再赘述。 2 1 2 传播声表面波的材料 现代声表面波器件通常都采用压电晶体作为基片材料，声表面波被叉指换能 器( i d t ) 在压电晶体上激发、传播和接收的过程中，压电晶体起到了非常重要 的作用。下面先介绍压电效应。 2 - 2 - 1 压电效应 某些电介质物体，在沿一定方向对其施加压力或拉力而使之形变时，在它们 的表面上产生电荷，当外力去掉时，它们又重新回到不带电的状态，这种现象称 为正压电效应，或简称压电效应；在电介质的极化方向施加电场，电介质会在一 定方向上产生机械形变或机械压力，当外电场去除后，形变或应力随之消失，此 现象称为逆压电效应。 具有这种压电效应的物体称为压电材料。在一定的温度范围之内，压电材料 的压电性质一直存在，但温度超过这个范围之后，压电性质完全消失，这个高温 点称为“居里点( 或居里温度) ”。 2 2 - 2 声表面波器件压电材料 声表面波器件所用的各种压电基片材料有压电单晶体( 如石英、锗酸铋、铌 酸锂和钽酸锂等) 、压电陶瓷( 如p z t 陶瓷) 和压电薄膜( 如氧化锌薄膜) l 3 1 。 由于声表面波的能量仅集中在表面一薄层内，所以压电体本身不必很厚。 l 、压电单晶材料 上面列举的4 种压电单晶材料中，石英和锗酸铋为非铁电性压电晶体，铌酸 锂和钽酸锂为铁电性压电晶体。 ( 1 ) 石英( s i 0 2 ) 压电效应就是首先在石英中发现的，它本来是一种天然晶体，但现在可用人 工培养的方法制造高化学纯度和结构完善的石英晶体。在几百度的温度范围内， 压电系数不随温度变化；石英的居里点为5 7 5 ，故石英可在相当高的温度环境 5 一 中使用。 选择合适的切向，便可使石英具有很好的温度稳定性，如室温时，a h t 切石 英晶体的温度系数为零。石英晶体的优点是它不需要人工极化处理，介电常数和 压电常数的温度稳定性好。同时，它还具有机械强度高、绝缘性能好等优点| 4 】口 但它的缺点是机电耦合系数小。 ( 2 ) 锗酸铋( b i l 2 g e 0 2 0 ) 锗酸铋晶体的特点是传播速度比较慢，所以适用于制作延迟线，但其延迟线 温度系数比铌酸锂大。 ( 3 ) 铌酸锂( l i n b 0 3 ) 铌酸锂的机电祸合系数大，传播损耗小，根据切向和传播方向的不同，铌酸 锂的声表面波特性也不同。它的居里温度点更高，达到1 2 1 0 。 铌酸锂的优点是机电耦合系数高，用较少的叉指电极便能激励出较强的声 波，有利于器件小型化；其缺点是存在显著的温度效应。s a w 气体传感器的基 片材料一般选用y - z 切铌酸锂。 ( 4 ) 钽酸锂( u r a 0 3 ) 钽酸锂的声表面波特性随切片方向和传播方向不同相差很大。v 切向z 传播 的l i t a 0 3 和x 切向1 1 2 。y 传播的i j t a 0 3 的机电耦合系数较小，而6 3 6 。y 切向 x 传播的i j t a 0 3 的温度系数较好。 l i t a 0 3 是制作温控、高频声表面波振荡器的优良材料。它与“n b o ，在结构 和性能上很相似，常称它们为具有铌酸锂型结构的晶体；由于两种晶体都具有很 高的居里温度，因而又称为高温铁电体嘲。不过，i j l a 0 3 的居里温度点比i j n b 0 3 低，为6 6 5 。它们是目前应用量最大的铁电性压电晶体。 表2 1 列出了常见压电单晶材料的切型和它们的声表面波特性i 引。 本课题研究中选用的是3 6 。y x 的u t a 【0 3 材料，因为3 6 。漏s a w 机电耦 合系数大，为4 7 ，传播损耗可以忽略不计；而且由它激发的声表面波为s h 型，非常适合液相检测。 2 、压电陶瓷材料 这一类压电材料也有很多种，而p z t 陶瓷是压电陶瓷的代表。p z t 系列压 电陶瓷的居里点约在3 0 0 以上，性能也比较稳定。压电陶瓷制作的声表面波器 一 表2 - l 常婿压电单晶材料的切犁和它们的声表短波特性 速度耦合系数温度系数 晶体名称切型传播方向传播损耗 m ，s p p l l l ， s tx3 1 5 80 1 40 0 9 5 yx3 1 5 9o 2 3- 2 2 0 8 2 斫英单品 3 6 yz 5 0 8 8 o n0 咖 x 3 9 4 8 0 1 1 0 yz3 4 8 54 58 5o - 3 1 6 4 yx4 7 4 21 1 3 7 9 l i n b 0 3 1 2 8 yx3 9 9 25 5 7 2 1 3 1 yx 4 0 0 0 5 j - 7 4o 2 6 x1 1 2 y3 2 9 50 6 4 - 4 5 l 1 h 0 3 yz3 2 3 0o 7 4_ 3 7 3 6 yx4 2 1 24 7- 3 0 4 5 xz3 4 加1 o0 “b 4 0 7 4 5 x9 0 z 4 9 1 5 0 1 4 5 0 b i l 2 g e 0 2 0 ( 1 0 0 )( 0 1 1 )1 6 8 l 1 5 1 3 0 o 8 9 件具有价格低、温度特性好、机电耦合系数比较高等特点，但由于陶瓷材料本身 的多孔性、不均匀性、重复性比较差，限制了它的应用范围。 3 、压电薄膜材料 通常使用的压电薄膜材料有z n 0 、c d s 、0 0 3 等，它们在制作中按照一定 取向成膜，所以既不需要定向、切割，也不需要再研磨、抛光。不过，因为薄膜 厚度一般仅为一个声表面波波长，因此需要将压电薄膜附着于载体( 如宝石、玻 璃等) 表面上。为保证薄膜的平整光滑，衬底材料必须经过研磨、抛光才能使用。 用压电薄膜制成的声表面波器件，即使使用同一种材料的压电薄膜，如果薄 膜的厚度和衬底材料改变时，声表面波的传播速度、表面波器件的中心频率、延 迟时间及其温度特性也随之改变吼 表2 2 列出了常见压电薄膜材料及其性能f 6 】o 尽管有如此多的压电材料，不管选择哪种材料，必须先考虑以下几点1 6 l ： ( 1 1 为了能形成叉指电极，必须有良好的表面，希望表面平整度最好在微米 级以下。但另一方面，又要求体波激励要小。这一般通过打毛基片底部来实现。 r 为了提高换能效率，要求机电耦合系数尽可能地高，k 2 值必须在0 5 以上，最好在2 以上。 7 一 袭2 - 2 常_ l j 声表面波压电薄膜材料及其性能 形成衬底声表面波机电耦台湿度 材料结晶性膜厚，波k 方法材料 传播速度( k 州s )系数( ) 系数 z n 0 射频溅射玻璃c 轴取向 3 1 57 70 0 31 5 z n o 直流溅射熔融石英c 轴取向 2 6 11 50 3 6 z oc v d监宝彳i外延生长2 81 4o 8 z n 0射频溅射监宝石外延生欧 5 09 50 1 33 0 a l n射频溅射蓝宝t i外延生长 5 54 20 2 4 a j n c v d 蓝宝石外延生 6 18 90 24 2 c d s 真空蒸发熔融石英c 轴取向 1 71 1 8 k n b 0 3m o c v ds n j o b 外延生k 2 10 2 4 ( 3 ) 传播损耗要小，在o 2 d b 以下。 ( 4 ) 传播速度的温度系数要小。温度变化时，基底材料发生热胀冷缩，声传 播路径长度发生变化，同时基底的弹性系数、密度、介电常数和压电系数等均发 生改变，这些变化都将影响s a w 的波速。 ( 5 ) 重复性要好，可靠性要高，且适合于批量生产。 ( 6 ) 成本要低。 2 2 - 3 叉指换能器( i n t e r d i g n a lt r a n s d u c e r ，i d t ) 1 9 6 5 年，w h i t e 和、r o l h l l e r 提出，可在压电晶体表面制作上金属叉指电极， 来激励和检测声表面波同，这为声表面波器件和技术的大规模发展、应用奠定了 基础。 营鏊薯 簟由触善 圆删圃l 图2 4 声表面波器件( 延迟线型) 基本结构 声表面波器件( 延迟线型) 的基本结构如图2 4 所示，它是在压电基片上制 8 一 作两个声一电换能器，即发射( 输入) 叉指换能器和接收( 输出) 叉指换能器。 因换能器在压电基片上的形状犹如交叉手指的两只手，故称为叉指换能器。 它是通过金属沉积在基片表面后蚀刻而成，实现声一电之间的换能作用。 声表面波器件的工作原理是：当左端的发射换能器有外加的交变电压时，换 能器就通过逆压电效应将输入的电信号转变为声信号。声信号沿基片表面传播， 最终由右端的接收换能器通过正压电效应接收得到，再转变为电信号输出。 l d t 是s a w 器件的核心部分，其基本结构如 图2 5 所示。可见，一个i d t 通常由两排汇流条( 总 线) 组成，每排汇流条又有若干根电极，这些电极 相互间隔分布，便构成了一个叉指换能器。常见的 i d t 是将金属镀于压电材料的表面，然后利用光刻 及蚀刻技术刻出所需的电极形状。 图2 _ 5 】d t 结构 组成l d t 的参数主要有：电极对数或周期，i d t 声孔径或电极重叠长度职 叉指电极宽度口，叉指电极间隔6 和叉指电极金属层厚度 。图2 5 所示是一个 均匀i d t ，它的声孔径等长，即为常数，电极宽度口= 电极间隔6 。i d t 的电 极宽度。、电极间隔6 和压电基片的材料系数共同决定了该换能器的中心频率，0 。 a )( b )( c ) 圃巫 ( e ) ( f ) 卿i l | 哑勋啦卿 ( g )( h ) 班 图2 - 6 儿种i d t 结构；( a ) 单指m t ；( b ) 双指( 分裂指) m t ；( c ) 扇形i d t ；( d ) 单 端谐振器；( e ) 开路反射栅、双端谐振器：短路反射栅、双端谐振器；( g ) 双金 属层s p u d t o o 浮动电极s p u d t 不过在设计i d t 时，通常是先决定器件工作的中心频率而，若压电基片已选 9 一1wl生 皿 浙江人学硕| i 学位论文 定，则其上传播的声表面波速度h 就可知道，这样就可以算出工作于中心频率下 时的波长，有a ；匕，0 。若确定换能器结构为均匀i d t ，则有 ；2 n + 拍：4 口。 从而得出口= 6 = k 4 矗。 图2 6 是常见的几种叉指换能器的结构嘲，此外还可根据要求，对图中所列 的多种i d t 结构作变迹( a p o d i z e d ，或称为变指长) 或抽指等处理。 2 - 3 声表面波传感器的原理和优点 前面已经提到，声表面波器件的工作原理，声表面波传感器正是基于这个基 本原理为出发点制成的。s a w 传感器暴露在某种环境下，当声波的传播路径上 受到环境因素( 湿度、温度、压力、质量、粘度、密度等) 的影响，导致声波的 波速( 频率、相位) 发生了变化；或者是由于环境对声波的能量产生了吸收或散 射作用，使得声波能量发生衰减( 振幅) 。从而最终体现在接收到的信号和参考 信号之间的差异上，如频率、相位或者幅度等，通过检测这些量的变化，并进一 步建立它们与被测物理量的联系，这就是声表面波传感器最基本的传感原理。 声表面波传感器是基于声表面波谐振器的频率特性实现的，即基于谐振器的 频率随着被测量的变化而改变来实现对被测量的检测的。因此，声表面波传感器 的关键器件就是声表面波谐振器，它有两种实现方式，即声表面波谐振器型( s a w r e s o a t o f ) 和声表面波延迟线型( s a wd e l a v “n e ) 。 谐振器型分为单端口谐振器和双端口谐振器。它们的共同点是，在换能器的 两侧有许多周期性排列的反射栅。当s a w 的波长接近于栅周期的2 倍时，反射 栅的作用就像一面镜子。在该频率范围内，由m t 激励的声波在两侧的反射栅 之间相互叠加，达到谐振。因此能得到一个q 值很高的窄带信号。 在前面的i d t 结构中已经提到单端口谐振器和双端口谐振器的结构，分别 如图2 6 ( d ) 和( e ) 所示。单端口谐振器只有一个i d t ，它既作信号的输入端，又作 信号的输出端；双端口谐振器有两个i d t ，一个为输入，另一个为输出，有时还 在两个i d t 之间加上耦合器。一般来说，单端口谐振器具有低的互扰和低的插 入损耗，但它本身没有1 8 0 。的相移，因此在电路设计时还需考虑这一点；相比 单端口谐振器，双端口谐振器的传播损耗大，但其设计灵活，可按要求来设计结 1 0 浙江大学硼i ：学位论文 构。 延迟线型传感器的结构示意图如图2 4 所示。它没有谐振器那样的反射栅， 相反，在基片两侧的边缘涂覆了吸声胶，以减少声波在基片边缘的反射。因此， 从声波能量利用率这点上看，普通的双向延迟线型振荡器不足5 0 ，故相比谐 振器型s a w 振荡器，延迟线型的q 值要低很多。采用延迟线型声表面波传感器 的优点在于，可以在两个i d t 之间涂覆一层敏感膜，这样可以测量气体、湿度、 抗体抗原等。 由上面的比较可以看出，谐振器型声表面波传感器适合作物理传感器，如检 测湿度、温度等；延迟线型声表面波传感器适合作生化传感器，如检测化学气体、 抗体抗原等。 声表面波传感器具有以下几个优点【9 】： l 、高精度、高灵敏度，非常适合微小量程的测量。例如，若3 0 0m h z 的s a w 压力传感器可检测出1h z 的频率变化时，则该传感器可反映出lp a 的压力变化。 2 、结构工艺性好，便于批量生产。s a w 传感器为平面片状结构，设计灵活， 易于大规模生产。 3 、体积、质量小，功耗低，易于集成。由于声表面波9 0 以上的能量集中 于距表面一个波长的深度内，因而损耗低，适合工作于恶劣环境。 4 、与微处理器相连，接口简单。s a w 传感器直接将被测量的变化转换成频 率的变化( 为准数字时式信号) ，便于传输与进一步处理。 2 - 4 声表面波传感器研究的现状和发展 目前，声表面波传感技术已经比较成熟，s a w 传感器因其诸多优点，已经 广泛应用于各个领域，如温度传感器、压力传感器、扭矩传感器、质量传感器、 露点腽度传感器、气敏传感器和生物传感器等【埘。 gs e h f a ，v k 、k a d 姐等人用基于s h s a w 的双通道传感器做成电子舌，并 结合主分量分析( p r i n c i p a lc o m p o n c n t sa n a l y s i s ，p c a ) 方法，可识别草莓汁、 去离子水、可口可乐和百事可乐i l l i ，1 0 0 识别水、橙汁和牛奶，并能检牛奶的 测脂肪的含量和新鲜度【1 2 1 ，在没有使用生物敏感膜的情况下，能识别酸、甜、苦、 咸四种味道吲。 1 l 浙江犬学碗士学位论文 美国国家环境保护组织( e p a ) 已经把s a w 气体传感器作为环境监测的手 段之一【1 4 】。 美国s a n d i a 国家实验室开发了名为m i c m c h e m l a b 的微型化学检测器，如图 2 7 所示。它内部有8 个制作于同芯片上的s a w 传感器，包括2 个石英s a w 传感器阵列，个g a a s 多路相位检测芯片和无源匹配部分，它们都安装在一块 混合氧化铝( h v b r i da l u m i n a ) 基片上。该系统工作于5 1 0m h z ，能同时检测多 种化学气体【1 5 】。 图2 - 7m i c r 0 c h c m l a b 内部结构及仪器 美国加州e l e c 咖n i cs c n s o rt c c h n o l o g y 公司，开发的电子鼻z n o s e 系列就是 基于s a w 传感器和0 c m ( 石英微天平) 的快速气相色谱质谱法( g d m s ) 检 测仪器。例如，4 2 0 0 型号为手持式气体分析仪，可在1 0 秒钟内，检测出气体中 化学物质的浓度1 1 6 】，如图2 - 8 所示。 图2 培z n o s e ( 4 2 0 0 型) 美国m i c r o s e n s o rs y s t c 脚m c ( m s i ) 是世界领先的专门从事s a w 化学传感器 的公司，该公司生产的化学战剂检测产品均基于s a w 传感技术，能快速、精确 地检测有害的化学战剂和工业有毒化学物质。图2 9 所示的是m s i 公司其中的一 一 个产品，型号为s a wm i l l i c a dm ki l ，它能同时检测痕量级的神经毒剂和糜烂性 毒剂，并对这些毒剂具有高度的选择性【1 7 】。 s a w 传感器现在f 朝着以下几个方向发展： l 茎l2 - 9s a w m i l l i c a d n l l ( m s i ) 图2 - 1 0s a w 无线湿度传感器 1 、无源无线化。由于s a w 传感器工作于射频微波段，传感信号本身就易于 发射而无需进步处理，因此s a w 传感器有其它传感器无可比拟的优势。目前 基于s a w 技术的无线传感技术是一个研究热点，如图2 1 0 所示为一个1 2 5m h z 单端口谐振器型s a w 无线湿度传感器的示意图【1 8 l 。 2 、阵列化。化学传感器基片表面所涂的特异敏感材料虽对某类物质具有较 好的选择性，但当检测对象基体较复杂时，干扰将会很严重，而且有时单个传感 器的灵敏度也不够高。有人提出将一些相同的或不同的s a w 传感器集成在同一 ：芯片上构成传感器阵列，采用模式识别方式或神经网络技术，通过多元数据分析 而获得被测物的相关信息【4 j 。另外，阵列化技术更能发挥s a w 传感器质量体积 小、灵敏度高等优点，而且从前面列举的成熟s a w 产品来看，基本上都采用了 传感器阵列技术。 3 、集成化。由于s a w 传感器质量体积小，而且采用i c 加工工艺，很容易 实现集成。由于g a a s 材料同时具有半导体和压电特性【1 9 】，以及压电薄膜( z i i o 、 朋n ) i 捌的应用，采用m e m s 工艺，可以把s a w 传感器可以和检测电路集成在 一个芯片中。这不但减小了体积和成本，还有利于提高系统的稳定性。 参考文献 【l 】 刻德忠，刘焕文等，表面声波传感器的发展与应用。化学传感器，第1 5 卷第4 期， 1 9 9 5 年1 2 月。2 4 1 - 2 5 7 。 2 】 刘德忠，姚守拙，声表面波传感器的发展与应用。化学传感器，1 9 9 5 ，1 5 ( 4 ) - 2 4 1 2 5 7 ，2 7 2 a 【3 j 朱长纯，卢文科，声表面波式小波变换器件于应用。国防工业出版社，北京，2 0 0 4 。 一 【4 】 【5 】 【6 】 f 7 1 f 8 】 f 9 】 【1 0 1 【1 l 】 【1 2 】 1 3 】 【1 4 】 【1 9 】 【2 0 】 徐秀明，于俊德等，o c m 和s a w 传感器的原理及其在现场检测中的应用。化学进展， 2 0 0 5 年1 7 卷5 期，8 7 6 8 8 0 。 张福学，王丽坤，现代压电学( 中册) 。科学出版社，北京，2 0 0 2 。 郝俊杰，徐廷献，声表面波用基片材料。硅酸盐通报，2 0 0 0 年0 6 期，3 2 3 6 。 r m w h i t e em v 0 1 t m e ld i e c tp i e z o e l e c t r j cc o n p l h gt os u 抽c ee j a s t i cw a v e s ，1 9 6 5 a p p l p h y s c k c a m p b e l l a p p l i c a d o n so fs u r f a c ea u s t i ca n ds h “l o wb u l ka c o u s t i cw a v e d e v i c e s p r o c e e d i n g so ft h el e e e ，v o l7 7 ，n o 1 0 o c t d b e r1 9 8 9 樊尚春，刘广玉，新型传感技术及应用，中国电力出版社，北京，2 0 0 5 。 b md r a f i s a u s t i cw a v e 钯c h n o l o g ys e n s o r s ，e et r n s a c n o n so n m i c r o w 蚋，e ” e o r y a n dt e c h n l o u e s ，v o l4 9 ，n o 4 ，a p r l l2 0 0 1 ，7 9 5 - 8 0 2 s lj a c e s k o ，t j i 甜吐d e s i g no fam i c r 0n u i d i cc e l lu s i n gm i c r o s i e m o1 i l h i o g r a p h yf o r e l e c t f o n i ct o n g u ea p p h c 蚶，i n ：p r o c e e d 吨so f t h cs p m ，v 0 1 5 0 5 5 ，2 0 0 3 ，p p 1 4 弘1 5 3 m c o l e ，gs e h r a 盯口f ，d e v e l o p m e n t0 fs 瑚r tt 0 n g i l ed e v i c e sf o rm e a s u r e m e n to fl i q u i d p 】咧j j e e es e n s o r sj o u r n a lv o l4 n o 5 ，o c 玎) b e r2 0 0 4 ，p p5 4 3 _ 5 5 0 gs e h i a ，m c o l ed 口f ，m 血i 硪l rt a s t e 辨n s i n gs y s t e n lb a s e do nd 啦ls h s a ws e n s o r d e v i c e ：a ne l e c o n i ct 0 g l i e s e n s o r s 柚da c t u a l o r sb1 0 3 ( 2 0 0 4 ) 2 3 孓之3 9 美国环境保护机构官方网站h 丛p 必塑盟锺g ：g q y ，b i o n s 。r sf o r 血a l y t i c a l m o d i t o 血嘻，2 0 0 3 h 鲰；2 幽型! s b 放i 4 ：艘妫堂魁墅理囱型坚强! 塑竖巳地型幽啦p ! q s 丝i 堡噬a 盟h ! m ! b ! ! p ；f f 鲤照堕：s ! 笪! 嫂里坐致d h 盟s ：b ! 婴i 丛! p ；碰堡i 鲤q s 曼塾艘盟y ! 堡：盟堡细致照女盟s 盘堡i 世：鱼照! m d i e r k e s ，u i i l k 血g m a 衄t e k m e t d cs 删f a c ea 鲫s i i cw a v es e n s o if o rh u i n i d 蚵 a d v 柚c e si nr a d i 0s c i e n c cc 2 0 0 3 ) 1 ：1 3 1 一1 3 3 m r a p p ，j r e i b e l ，s 蹦盯甜以刚旧a s ：g a sa n a l y z i n g 辩n s o rs y s t e l mb a s e do ns u r f a c e a c o u s t i cw a v ed e v i c c s - 柚i s s 眦o fc o 埘m f c i a u z a i i o no fs a ws e n rc e c h n o l o g y 【q 1 9 9 7 l e e eh t e 珊t i o n a lf r e q u 锄c yc o n 们ls y n l p o s i u m v m h k t a l a ，s ac 昭a l 蛐o v og f 以m 0 n 0 h t h i c6 6s u r f a c ea c o u s i i cw a v ec h e m i c a l t n i c 工os e n s o ra m l y 【c 】2 咖m e em t t s y m p o s i u md i g e s t 1 4 坫垢玎堪 一兰 第三章声表面波传感器的加工工艺 尽管瑞利在1 8 8 5 年就从理论上阐述了声表面波的存在，但由于当时条件的 限制，此发现并未得到广泛应用。 随着半导体平面工艺的发展和计算机技术的发展，s a w 从6 0 年代中期开始 才得以充分开发。1 9 6 5 年w h i t e 等人提出，在压电晶体表面制作上金属叉指电 极能激励和检测声表面波之后，s a w 的研究在世界范围内便如雨后春笋般开展 起来，用s a w 做成的s a w 器件才获得广泛实际应用。 因此，声表面波技术的发展离不开半导体工艺等相关技术的发展，而半导体 工艺也已渗透到声表面波器件加工的诸多步骤中。一般地，声表面波元件的制作 可分为晶圆清洗、镀金属膜、上光刻胶、显影、蚀刻、去光刻胶、切割划片、封 装等相关步骤。本章对涉及声表面波传感器加工的某些工艺作一介绍。 3 - 1 真空镀膜技术 先于真空镀膜技术出现的是化学镀膜技术，它最早用于在光学元件表面制备 保护膜，1 9 世纪5 0 年代以后，化学溶液镀膜法逐步被真空镀膜取代。 镀膜技术也叫薄膜技术，是在真空条件下采用物理或化学方法，使物体表面 获得所需的膜体。所以，获得并保持所需的真空环境，是镀膜的必要条件。 基本的薄膜制各技术有真空蒸发、溅射和离子镀等，通常将它们统称为物理 气相沉积法。其中真空蒸发和溅射这两种真空物理镀膜工艺，是迄今在工业上制 备光学薄膜的两种最主要的工艺。 3 - 1 - 1 真空蒸发镀膜法 真空蒸发镀膜法是在真空室中，加热蒸发容器中待形成薄膜的原材料，使其 原子或分子从表面气化逸出，形成蒸气流，入射到固体( 称为衬底或基片) 表面， 凝结形成固态薄膜的方法。 蒸发源是蒸发装置的关键部件，根据蒸发源不同，真空蒸发镀膜法又可以分 为下列几种【1 1 。 一 1 、电子束蒸发源蒸镀法 电子束蒸发法是将蒸发材料放入水冷坩蜗中，直接利用电子束加热，使蒸发 材料气化蒸发后凝结在基板表面形成膜，是真空蒸发镀膜技术中的一种重要的加 热方法和发展方向，特别适合制作低熔点薄膜材料和高纯薄膜材料。 它有以下几个优点： ( 1 ) 电子束轰击热源的束流密度高。获得的能量密度大。可以使高熔点材料 蒸发，并且能有较高的蒸发速度； ( 2 ) 由于被蒸发材料是置于水冷坩埚内，因而可避免容器材料的蒸发，以及 容器材料与蒸镀材料之间的反应，从而提高镀膜的纯度； ( 3 ) 热量可直接加到蒸镀材料的表面，因而热效率高，热传导和热辐射的损 失少。 ( 4 ) 在同一蒸发沉积装置中可以安置多个坩埚，这使得人们可以同时或分别 蒸发和沉积多种不同的物质。为多层蒸发沉积薄膜提供了一个好的工具。 2 、电阻蒸发源蒸镀法 电阻加热蒸发法就是采用钨、钼等高熔点金属，做成适当形状的蒸发源，其 上装入待蒸发材料，让电流通过，对蒸发材料进行直接加热蒸发，或者把待蒸发 材料放入坩埚中进行间接加热蒸发。 此方法的优点是镀膜设备构造简单、造价便宜、使用可靠，可用于熔点不太 高的材料的蒸发镀膜，尤其适用于对膜层质量要求不太高的大批量的生产。缺点 是加热所能达到的最高温度有限，加热器的寿命也较短。 3 、高频感应蒸发源蒸镀法 高频感应蒸发法是将装有蒸发材料的石墨或陶瓷坩埚放在水冷的高频螺旋 线圈中央，使蒸发材料在高频带内磁场的感应下产生强大的涡流损失和磁滞损失 ( 对铁磁体) ，使蒸发材料升温，直至气化蒸发。 4 、激光束蒸发源蒸镀法 采用激光束蒸发源的蒸镀技术是一种理想的薄膜制备方法。由于激光器可安 装在真空室之外，这样不但简化了真空室内部的空间布置，减少了加热源的放气， 而且还可完全避免蒸发气对被镀材料的污染，达到了膜层纯洁的目的。此外，激 光加热可以达到极高的温度，能够对某些合金或化合物进行快速蒸发。激光蒸发 一 镀的缺点是制作大功率连续式激光器的成本较高，所以它的应用范围有一定的限 制。 3 - 1 - 2 溅射镀膜法 在各种溅射工艺中，应用最多的是磁控溅射，下面着重对它进行介绍。 磁控溅射技术是在普通直流( 射频) 溅射技术的基础上发展起来的。早期的 直流( 射频) 溅射技术是利用辉光放电产生的离子轰击靶材来实现薄膜沉积的。 但这种溅射技术的成膜速率较低，工作气压高( 2 1 0 p a ) 。为了提高成膜速率、 解决等离子体的离化率低和基片的热效应明显的问题，在靶材的背面加上了磁 场，这就是最初的磁控溅射技术1 2 】。 磁控溅射系统在阴极靶材的背后加上与电场垂直的磁场，真空室充入o 1 1 0p a 的惰性气( a r ) 作为气体放电的载体。在高压作用下a f 原子电离成为加+ 离子和电子，电子在既与电场垂直又与磁场垂直的方向上做回旋运动，其轨迹是 一圆滚线，这样增加了电子和带电粒子以及气体分子相撞的几率，提高了气体的 离化率，降低了工作气压，同时，电子又被约束在靶表面附近，不会达到阴极， 从而减小了电子对基片的轰击，降低了由于电子轰击而引起基片温度的升高【2 】【3 1 。 溅射系统沉积镀膜粒子能量通常为1 1 0e v ，溅射镀膜理论密度可达9 8 。 比较蒸镀0 1 le v 的粒子能量和9 5 的镀膜理论密度而言，溅镀薄膜