槽型光栅对聚合物传感膜涂层反射器构成的单端压电声波谐振器灵敏度的影响

《IEEE Sensors Journal》：Effect of Groove Gratings on the Sensitivity of One-Port SAW Resonators Composed of Polymer Sensing Film-Coated Reflectors

　　摘要：本工作实验研究了利用具有可控深度的凹槽来提高标准几何构型单端口表面声波（SAW）谐振器的Q值的可能性，该谐振器由涂覆聚合物传感薄膜的反射器组成，同时评估了该方法对器件灵敏度的影响。考虑到粘弹性聚合物薄膜作为室温下SAW传感介质的广泛应用，所提出的方案旨在利用凹槽结构所引起的反射器电极反射率提升来克服SAW的粘性阻尼，从而改善传感器分辨率。通过在ST-X石英基板上制作Al金属电极，制造了工作频率约98 MHz的传统设计单端口SAW谐振器，并在两个不同深度（约161 nm和约333 nm）下对基板进行反应离子蚀刻。为表征谐振器对反射器内部SAW扰动的响应，制作了厚度约700 nm的S1805正性光刻胶（PR）薄膜以全面覆盖反射器，随后使涂层器件暴露于相对湿度（RH）变化中。引入约161 nm深的凹槽后，本工作所制造的涂层器件噪声水平降低至原来的近三分之一，尽管器件将反射器内部SAW速度变化转化为谐振频率相应偏移的能力有所下降。通过改进的散射矩阵方法确定，c_r的下降是由凹槽结构在腔体谐振频率处引起的反射器反射系数Γ的相位斜率趋平所致。I. 引言表面声波（SAW）传感器因其高灵敏度、稳定性、准确性、体积小、成本低、易于集成以及与无线读出方式兼容等优势，已被广泛应用于射频（RF）电子、无线通信、物联网（IoT）、医学诊断和环境监测等领域。SAW传感器的构型通常分为两类：延迟线和谐振器，其中谐振器可进一步分为单端口和双端口谐振器。在这些构型中，单端口SAW谐振器由叉指换能器（IDT）和两组对称放置的反射器阵列组成，具有结构简洁、占位面积小以及高品质因数（Q值）等优点，Q值通常在300至14000之间，使其适用于广泛的传感应用。