声表面波传感技术概述

1第第8章章 声表面波传感技术声表面波传感技术8.1 概述概述8.2 声表面波技术基础知识声表面波技术基础知识 8.3 研究声表面波的基础理论研究声表面波的基础理论8.4 声表面波传感器技术声表面波传感器技术 8.5 典型声表面波传感器及应用典型声表面波传感器及应用28.1 概述概述 声表面波（声表面波（SAW）是一种能量集中在表面传播）是一种能量集中在表面传播的弹性波。最早是由英国物理学家瑞利在的弹性波。最早是由英国物理学家瑞利在19世纪世纪80年代在研究地震波过程中偶然发现的。年代在研究地震波过程中偶然发现的。1965年，美国的年，美国的R.M.White和和F.M.Voltmov发明发明了能在压电材料表面激励声表面波的金属叉指换能了能在压电材料表面激励声表面波的金属叉指换能器（器（IDT），大大加速了声表面波技术的发展，相继），大大加速了声表面波技术的发展，相继出现了许多各具特色的声表面波器件，使这门年轻出现了许多各具特色的声表面波器件，使这门年轻的学科逐步发展成为一门新兴的、声学和电子学相的学科逐步发展成为一门新兴的、声学和电子学相结合的边缘学科。结合的边缘学科。3（1）具有较低的传播速度和较短的波长；）具有较低的传播速度和较短的波长；（2）沿固体表面传播的，且传播速度较慢；）沿固体表面传播的，且传播速度较慢；（3）晶体表面传播的弹性波，不涉及晶体内）晶体表面传播的弹性波，不涉及晶体内部电子的迁移过程；部电子的迁移过程；（4）采用单晶材料和用平面工艺制造，故重）采用单晶材料和用平面工艺制造，故重复性和一致性好，易于大批量生产。复性和一致性好，易于大批量生产。声表面波特点声表面波特点（相比电磁波）4滤波器、延迟线、振荡器、混频器、放大器、卷积器、滤波器、延迟线、振荡器、混频器、放大器、卷积器、相关器、编码器、声光调制器、声光偏转器、声光开相关器、编码器、声光调制器、声光偏转器、声光开关、超声马达、射频标签和传感器等。特别是其作为关、超声马达、射频标签和传感器等。特别是其作为一种快速、超小型的频率控制、选择和信号处理器件，一种快速、超小型的频率控制、选择和信号处理器件，对电子和通信系统的发展起着极为重要的作用。目前，对电子和通信系统的发展起着极为重要的作用。目前，SAW器件正在朝着器件正在朝着GHz频段到频段到10GHz频段的超高频化频段的超高频化发展。可以预测它将在信号检测、信号处理中发挥越发展。可以预测它将在信号检测、信号处理中发挥越来越重要的作用。来越重要的作用。声表面波器件声表面波器件 5 用用SAW器件研制、开发新型传感器始于器件研制、开发新型传感器始于20世纪世纪80年代，起初，人们发现外界因素年代，起初，人们发现外界因素(如温度、压力、如温度、压力、磁场、电场、某种气体等磁场、电场、某种气体等)对声表面波传播特性会对声表面波传播特性会造成影响，进而研究这些影响与外界因素的关系。造成影响，进而研究这些影响与外界因素的关系。根据这些函数关系设计了各种所需结构用于测根据这些函数关系设计了各种所需结构用于测量各种化学的、物理的、生物的被测参数。量各种化学的、物理的、生物的被测参数。6 尽管尽管SAW传感器的历史并不长，在实用化方面尚有传感器的历史并不长，在实用化方面尚有很多困难，但由于它的符合信号系统小型化、数字化、很多困难，但由于它的符合信号系统小型化、数字化、智能化和集成化、高精度的发展方向，因而越来越受到智能化和集成化、高精度的发展方向，因而越来越受到传感器行业的青睐，世界上许多国家对传感器行业的青睐，世界上许多国家对SAW传感器的开传感器的开发研究极为关注。从发研究极为关注。从80年代至年代至90年代，年代，SAW传感器在欧传感器在欧美，特别是在日本，获得了迅速发展，出现了十几种类美，特别是在日本，获得了迅速发展，出现了十几种类型的型的SAW传感器。近十几年来，传感器。近十几年来，SAW技术、电子技术技术、电子技术和微平面工艺的不断发展，使和微平面工艺的不断发展，使SAW振荡器的频率不断提振荡器的频率不断提高，器件和电路高，器件和电路Q值不断增大，这为值不断增大，这为SAW传感器的发展传感器的发展提供了良好契机。提供了良好契机。78.2 声表面波技术的基础知识声表面波技术的基础知识1.什么是声表面波什么是声表面波 SAW泛指沿表面或界面传播的各种模式的波泛指沿表面或界面传播的各种模式的波 机械波机械波在表面传播，能量在表面传播，能量集中在厚度不超过集中在厚度不超过1 1个波长的表层个波长的表层8SAW9SAW的激发的激发1.基于压电材料的压电效应与逆压电效应基于压电材料的压电效应与逆压电效应电能电能机械能机械能电能电能2.波在不连续介质处的反射波在不连续介质处的反射10Concept:IDT11v声波可以用质点离开平衡位置的位移来表示，对声波可以用质点离开平衡位置的位移来表示，对于压电体，声波的传播还伴随着电场和电势，因于压电体，声波的传播还伴随着电场和电势，因此描述声波的变量还要有电势，一共四个量。此描述声波的变量还要有电势，一共四个量。222333332111112233333111110Elkiklmmikilmimimimskiklimiklimilimcex xx xtex xx x SAW的描述的描述122.声表面波的类型声表面波的类型 不同的边界条件和传播介质条件可以激发出不同不同的边界条件和传播介质条件可以激发出不同模式的声表面波。模式的声表面波。在半无限基片上存在的声表面波有瑞利波在半无限基片上存在的声表面波有瑞利波(Rayleigh waves)、漏波、漏波(Leaky SAW)、广义瑞利波、广义瑞利波（Generalized Rayleigh waves）、水平剪切波）、水平剪切波(SH-SAW)、电声波、电声波(B-G waves)、兰姆波、兰姆波(Lamb waves)等。等。在层状结构的基片存在有乐甫波在层状结构的基片存在有乐甫波(Love waves)、西沙瓦波西沙瓦波(Sezawa waves)、斯东莱波（、斯东莱波（Stoneley waves）等。）等。133.瑞利波特点瑞利波特点 瑞利波是在半无限基片边界条件下沿介质表面传播的声瑞利波是在半无限基片边界条件下沿介质表面传播的声波，波，SAW技术中所应用的绝大部分是瑞利波，它具有特点：技术中所应用的绝大部分是瑞利波，它具有特点：非色散波，即波速与频率无关；非色散波，即波速与频率无关；质点作椭圆偏振，偏振平面不一定在弧矢平面内，椭圆的质点作椭圆偏振，偏振平面不一定在弧矢平面内，椭圆的主轴也不一定与传播方向或表面法线平行；主轴也不一定与传播方向或表面法线平行；质点通常有三个位移分量，并随深度方向呈衰减振荡，能质点通常有三个位移分量，并随深度方向呈衰减振荡，能量几乎集中在量几乎集中在12个波长的深度范围内；个波长的深度范围内；波的相速度依赖于晶体的切向和波的传播方向，除沿纯模波的相速度依赖于晶体的切向和波的传播方向，除沿纯模方向外，能流方向一般也不平行于传播方向。方向外，能流方向一般也不平行于传播方向。14 目前目前SAW技术的应用已涉及地震学、天文学、技术的应用已涉及地震学、天文学、雷达通讯及广播电视中的信号处理、航空航天、石雷达通讯及广播电视中的信号处理、航空航天、石油勘探、无损检测、识别定位和传感器等许多学科油勘探、无损检测、识别定位和传感器等许多学科领域。随着电子学、声学、微平面工艺的飞速发展，领域。随着电子学、声学、微平面工艺的飞速发展，SAW技术的发展也越来越迅速，目前已成为电子、技术的发展也越来越迅速，目前已成为电子、超声领域最为活跃的学科分支之一。超声领域最为活跃的学科分支之一。4.SAW技术应用与器件技术应用与器件155.SAW器件材料器件材料 SAW器件的特性在很大程度上是由压电基片材器件的特性在很大程度上是由压电基片材料决定的，一般描述料决定的，一般描述SAW器件材料的性能指标有：器件材料的性能指标有：机电耦合系数，延时温度系数，相速度、各向异性机电耦合系数，延时温度系数，相速度、各向异性因子、插入与传播损耗、密度、弹性模量与杨氏模因子、插入与传播损耗、密度、弹性模量与杨氏模量等。量等。16目前使用的目前使用的SAW基片材料主要有：基片材料主要有：压电单晶压电单晶：石英（：石英（SiO2）、铌酸锂）、铌酸锂(LiNbO3)、钽酸锂、钽酸锂（LiTaO3）、铌酸钾（）、铌酸钾（KNbO3）等，重复性好、可靠性高、）等，重复性好、可靠性高、传播损耗小传播损耗小，一般它们是各向异性材料，一般它们是各向异性材料，难以同时满足机电，难以同时满足机电耦合系数高，而温度系数又要小的要求；耦合系数高，而温度系数又要小的要求；压电陶瓷压电陶瓷：机电耦合系数最大：机电耦合系数最大，一致性差，一致性差，工作频率受到多，工作频率受到多晶晶粒大小和晶粒间界状况、内部气孔大小的限制，一般只适晶晶粒大小和晶粒间界状况、内部气孔大小的限制，一般只适宜作低频器件。宜作低频器件。压电薄膜压电薄膜：如：如ZnO，表面波传播特性由压电薄膜和衬底的特性，表面波传播特性由压电薄膜和衬底的特性共同决定，它可以很方便的与半导体电子器件集成为单片器件，共同决定，它可以很方便的与半导体电子器件集成为单片器件，使声表面波信号处理器件或传感器与外围电路集成化使声表面波信号处理器件或传感器与外围电路集成化 17Materials188.3 SAW问题的基础理论问题的基础理论 1.压电效应及其本构方程压电效应及其本构方程 EijijklklkijkSiiklklikkTcSe EDe SE2.压电体内的波动方程压电体内的波动方程 2,2,0 0Eiijklk ljkijkjSiklk liikkiucuete u 193.压电介质中的压电介质中的Christofel方程方程 各种各种SAW问题的解都是从上述公式出发，问题的解都是从上述公式出发，结合各个问题的对称性和边界条件来求得。结合各个问题的对称性和边界条件来求得。24400Eijklljijkkijkjsikllikikkic nnvAe n n Ae nn An n A204.声表面波特性的理论分析声表面波特性的理论分析 声表面波特性的理论分析就是根据给定的材料常声表面波特性的理论分析就是根据给定的材料常数（包括弹性常数、压电常数、介电常数、密度、数（包括弹性常数、压电常数、介电常数、密度、热膨胀系数及其相应的一阶和二阶温度系数常数）热膨胀系数及其相应的一阶和二阶温度系数常数）按按Christofel方程和边界条件来计算某个切向条件下方程和边界条件来计算某个切向条件下的声表面波速度的声表面波速度(包括自由化表面和金属化表面包括自由化表面和金属化表面)、机、机电耦合系数（电耦合系数（K2）、能流角（）、能流角（PFA）、延时温度系）、延时温度系数（数（TCD）等特性参数，这是进行）等特性参数，这是进行SAW器件设计的器件设计的基础和出发点。基础和出发点。218.4 声表面波传感器技术声表面波传感器技术工作原理：工作原理：利用外界物利用外界物理量（如温度、理量（如温度、压力等）的变化压力等）的变化引起声表面波的引起声表面波的传播特性发生变传播特性发生变化的原理来敏感化的原理来敏感被测量。被测量。22结构型式结构型式 SAW传感器一般采用振荡器电路形式，其中传感器一般采用振荡器电路形式，其中SAW振振荡器是传感器的核心。荡器是传感器的核心。SAW传感器的基本工作原理就是利传感器的基本工作原理就是利用了用了SAW振荡器这一频控元件受各种物理、化学和生物量振荡器这一频控元件受各种物理、化学和生物量的作用而引起振荡频率的变化，通过精确测量振荡频率的的作用而引起振荡频率的变化，通过精确测量振荡频率的变化，从而实现检测上述物理量及化学量变化的目的。变化，从而实现检测上述物理量及化学量变化的目的。移相器移相器匹配匹配网络网络SAW振荡器振荡器放大器放大器匹配匹配网络网络声表面波振荡电路声表面波振荡电路Schematic of SAW oscillator circuit23 SAW振荡器通常有延迟型（振荡器通常有延迟型（SAWD）和）和谐振型（谐振型（SAWR）两种结构）两种结构.SAWD由两个叉指换能器（由两个叉指换能器（IDT）的中心）的中心距决定相位反馈，由距决定相位反馈，由IDT的选频作用和反馈放的选频作用和反馈放大器产生固定频率的振荡。其振荡频率为：大器产生固定频率的振荡。其振荡频率为：2Evfnl24（a）单端对谐振器）单端对谐振器（b）双端对谐振器）双端对谐振器 SAWR由左右两个反射栅阵由左右两个反射栅阵列构成谐振腔，声表面波在两个列构成谐振腔，声表面波在两个反射栅之间来回反射、叠加、共反射栅之间来回反射、叠加、共振形成驻波。对于叉指间隔和反振形成驻波。对于叉指间隔和反射栅指条间隔均匀分布的射栅指条间隔均匀分布的SAWR，谐振型振荡器的振荡频率为：谐振型振荡器的振荡频率为：2Pvvfl SAWR器件的品质因数器件的品质因数Q值高、插损小，由于值高、插损小，由于Q值值是决定振荡器频率稳定性的重要参数之一，因此这种高是决定振荡器频率稳定性的重要参数之一，因此这种高Q值谐振器结构可以进一步提高值谐振器结构可以进一步提高SAW传感器灵敏度和分传感器灵敏度和分辨率。辨率。25vlPl 任何量只要能引起任何量只要能引起 、或或 发生变化，就会发生变化，就会使使SAW振荡器的振荡频率发生变化。通过振荡振荡器的振荡频率发生变化。通过振荡电路检测出振荡频率的变化就可以建立起频率电路检测出振荡频率的变化就可以建立起频率偏移与待测量之间的关系。偏移与待测量之间的关系。若在两又指电极或反射栅之间徐覆一层对若在两又指电极或反射栅之间徐覆一层对某种气体或湿度敏感的材料就可制成某种气体或湿度敏感的材料就可制成SAW气体气体或湿度传感器。或湿度传感器。26无源遥测是无源遥测是SAW传感器的传感器的一大优势，从结构上看，一大优势，从结构上看，无线无线SAW传感器也可分为传感器也可分为延迟型和谐振型两种，但延迟型和谐振型两种，但工作原理不同于一般的工作原理不同于一般的SAW传感器，以延迟型为传感器，以延迟型为例，传感器由压电基片、叉指换能器、反射栅及读写器例，传感器由压电基片、叉指换能器、反射栅及读写器（高频激励（高频激励接收装置）组成。工作时读写器发射出脉冲激接收装置）组成。工作时读写器发射出脉冲激励信号，由敏感基片的天线接收无线信号，并通过励信号，由敏感基片的天线接收无线信号，并通过IDT将电将电磁信号转换为声表面波。声表面波经过一段延迟后由反射磁信号转换为声表面波。声表面波经过一段延迟后由反射栅反射回来，再通过栅反射回来，再通过IDT将信号转换为电磁波信号，并经天将信号转换为电磁波信号，并经天线发射出去，再由读写器接收处理。线发射出去，再由读写器接收处理。27 脉冲信号从发射到接收的返回时间主要由读写脉冲信号从发射到接收的返回时间主要由读写器与器与IDT天线的距离、天线的距离、IDT与反射栅之间的距离以与反射栅之间的距离以及声表面波波速来决定，即脉冲信号从读写器发射及声表面波波速来决定，即脉冲信号从读写器发射到回收的传播时间为：到回收的传播时间为：22lLvc在遥测时，读写器与敏感基片之间距离的变化也会引起传在遥测时，读写器与敏感基片之间距离的变化也会引起传播时间的变化，为解决这一问题，在基片上设置多个反射播时间的变化，为解决这一问题，在基片上设置多个反射栅，反射栅之间的时延只反映器件本身的状态，而不受读栅，反射栅之间的时延只反映器件本身的状态，而不受读写器与敏感基片之间距离的影响。在实际测量中，由于时写器与敏感基片之间距离的影响。在实际测量中，由于时延值非常小，常采用测量相位的方法来代替对时延的测量延值非常小，常采用测量相位的方法来代替对时延的测量 28 如果相应位置上的反射栅被布置或抽取，则该如果相应位置上的反射栅被布置或抽取，则该位置上的脉冲可表示编码位置上的脉冲可表示编码“1”或或“0”，相同结构的，相同结构的器件就变成了用于目标辨识的器件就变成了用于目标辨识的SAW标签（标签（ID-Tag）。虽然目前）。虽然目前SAW辨识标签没有随时改写的功辨识标签没有随时改写的功能，但与其它类型的辨识标签相比，具有误码率低、能，但与其它类型的辨识标签相比，具有误码率低、读取时间快、作用距离远、不受光遮盖和读取方向读取时间快、作用距离远、不受光遮盖和读取方向影响、可在金属液体表面读取等优点，因而影响、可在金属液体表面读取等优点，因而SAW标签是对标签是对IC射频标签的一个有力补充。射频标签的一个有力补充。29SAW传感器信号检测传感器信号检测压力信号SAW振荡器1SAW振荡器2低通滤波器放 大 器频率测量微处理器混频输出图7-10 SAW传感器信号检测与处理电路框图被测量环境温度30SAW传感器信号检测传感器信号检测31SAW传感器信号检测传感器信号检测图7-12 正交相位检波原理0功分器)cos()(0itBtS)cos(01itB)cos(01itB90功分器)cos(0tA)cos(01tA)sin(01tA低通滤波低通滤波arctanIQ32一一 选择零温度系数切型选择零温度系数切型二二 差动法差动法三三 数字补偿法数字补偿法四四 浮动零点法浮动零点法SAW传感器的温度补偿传感器的温度补偿33）高精度，高灵敏度；）高精度，高灵敏度；）准数字输出）准数字输出；）微型化，低功耗；）微型化，低功耗；）便于实现无线、无源化）便于实现无线、无源化；）多参数敏感性，抗干扰能力强；）多参数敏感性，抗干扰能力强；6）结构工艺性好，便于大批量生产结构工艺性好，便于大批量生产SAW传感器特点传感器特点34 到日前为止，已经研制出的到日前为止，已经研制出的SAW传感传感 器，归纳器，归纳起来可分为三大类：起来可分为三大类：1 物理量传感器物理量传感器：力力(压力、应力压力、应力)传感器、扭矩传传感器、扭矩传感器、加速度传感器、感器、加速度传感器、角速度传感器（陀螺）、温角速度传感器（陀螺）、温度传感器、位移传感器、倾斜度传感器、磁场传感度传感器、位移传感器、倾斜度传感器、磁场传感器、电压传感器、流量传感器、水声传感器等器、电压传感器、流量传感器、水声传感器等2 化学量传感器化学量传感器：气体传感器、露点传感器、湿度气体传感器、露点传感器、湿度传感器、微质量传感器传感器、微质量传感器(微量天平微量天平)等；等；3 生物传感器生物传感器：酶传感器、免疫传感器、液体识别酶传感器、免疫传感器、液体识别传感器、离子识别传感器等。传感器、离子识别传感器等。种类种类358.5 声表面波传感器的应用声表面波传感器的应用Vibration and Acceleration SAW SensorTorque SAW SensorSAW GyroscopeFlow SAW SensorLiquid SAW SensorGas SAW SensorApplications of SAW Device in Automobile36Vibration and Acceleration SAW SensorVibration and Acceleration SAW Sensor37Torque SAW SensorTorque SAW Sensor38Flow SAW SensorFlow SAW Sensor39SAW Gyroscope40Liquid SAW SensorLiquid SAW Sensor41Gas SAW SensorGas SAW Sensor SO2、H2S、CO、NO2、H2 etc42Application Examples of SAW Application Examples of SAW technology in Automobiletechnology in Automobilev electronic IDv Smart Tirev Exhaust-gas v detection43Electronic ID44Smart Tire45思考题思考题什么叫声表面波？有什么特点与用途？什么叫声表面波？有什么特点与用途？叉指换能器的作用原理是什么？叉指换能器的作用原理是什么？什么叫声表面波传感器？简述其结构组成和性能特点。什么叫声表面波传感器？简述其结构组成和性能特点。简述简述SAW传感器的信号检测与处理方法。传感器的信号检测与处理方法。声表面波传感器为什么要特别注意温度补偿？常用的补偿声表面波传感器为什么要特别注意温度补偿？常用的补偿方法有哪些？方法有哪些？试说明声表面波压力传感器的组成和工作原理。试说明声表面波压力传感器的组成和工作原理。试说明声表面波传感器的组成和工作原理。试说明声表面波传感器的组成和工作原理。什么是声表面波标签？试说明其工件原理与特点。什么是声表面波标签？试说明其工件原理与特点。1.举例说明声表面波传感器的应用。举例说明声表面波传感器的应用。46参考资料参考资料（插（插 图）图）47484950