具有主动抑制声能损失功能的薄膜体声波传感器及方法

摘要

本发明提出利用主动控制技术提高薄膜体声波传感器灵敏度的方法，以及实现该方法的一种薄膜体声波传感器结构，其是在常规薄膜体声波谐振器或传感器的敏感压电层下面与衬底之间增加一层主动控制压电层及相应的金属电极，在进行检测时，需要在对敏感压电层施加电信号的同时，对主动控制压电层施加一个电信号，以补充部分损失的声能和提高体声波传感器的品质因子，达到提高体声波传感器灵敏度的目的。本传感器具有结构简单，可以采用常规薄膜体声波谐振器或传感器的微加工工艺流程制作等优点，为提高薄膜体声波传感器的灵敏度提出了一种解决方案，也可应用于其它声波传感器和声波谐振器。

主权项

具有主动抑制声能损失功能的薄膜体声波传感器，其包括硅基片、微加工在基片上的绝缘层、敏感压电层，以及分别位于敏感压电层上、下表面的电极，其特征在于，在所述敏感压电层下电极与绝缘层之间微加工一主动控制压电层及相应的底部电极，所述底部电极位于主动控制压电层与绝缘层之间；在进行检测时，通过对主动控制压电层施加一个与敏感压电层检测电压相关的控制电压，实现对损失的声能进行补偿，达到提高传感器灵敏度的目的；所述对主动控制压电层施加的控制电压与对敏感压电层施加的检测电压的关系通过以下方法确定：(1)假设以薄膜体声波传感器第i阶振动频率的变化来确定待测量，首先仅对所述薄膜体声波传感器的敏感压电层施加幅值为V0的交变检测电压，测得所述薄膜体声波传感器与第i阶振动频率对应的品质因子Q0，即每次振动损失的声能为 E c max = 2 πE p max 0 Q 0 - - - ( 1 ) 其中Epmax0表示传感器在检测电压V0作用下振动时的最大弹性势能，Ecmax表示传感器在每一个振动周期内损失的声能；(2)当施加在敏感压电层上的交变检测电压幅值为Vm，施加在主动控制压电层上的交变控制电压幅值为Vc时，根据传感器的期望品质因子Qe和由上一步测得的声能损失特性，得到每一次振动需要从主动控制压电层得到补充的声能为 E s = 2 πE p max Q 0 - 2 πE p max Q e - - - ( 2 ) 其中Epmax是传感器在振动过程中的最大弹性势能，根据第i阶振动的品质因子Q0和振型，得到Epmax与Vm和Vc的关系，即Epmax＝Epmax(Vm，Vc，Q0) (3)若检测电压幅值Vm不变，根据传感器第i阶振动的振型，得到Vc与每一个振动周期通过控制压电层补充到传感器中的声能Es的关系，即Es＝Es(Vm，Vc，Q0) (4)(3)将公式(3)和公式(4)带入公式(2)，得到与特定检测电压Vm和期望品质因子Qe对应的控制电压Vc。