1、1,第8章 聲表面波傳感技術(shù),8.1 概述 8.2 聲表面波技術(shù)基礎(chǔ)知識(shí) 8.3 研究聲表面波的基礎(chǔ)理論 8.4 聲表面波傳感器技術(shù) 8.5 典型聲表面波傳感器及應(yīng)用,2,8.1 概述,聲表面波（SAW）是一種能量集中在表面?zhèn)鞑サ膹椥圆āＷ钤缡怯捎?guó)物理學(xué)家瑞利在19世紀(jì)80年代在研究地震波過程中偶然發(fā)現(xiàn)的。 1965年，美國(guó)的R.M.White和F.M.Voltmov發(fā)明了能在壓電材料表面激勵(lì)聲表面波的金屬叉指換能器（IDT），大大加速了聲表面波技術(shù)的發(fā)展，相繼出現(xiàn)了許多各具特色的聲表面波器件，使這門年輕的學(xué)科逐步發(fā)展成為一門新興的、聲學(xué)和電子學(xué)相結(jié)合的邊緣學(xué)科。,3,（1）具有較低的傳播速

2、度和較短的波長(zhǎng)； （2）沿固體表面?zhèn)鞑サ模覀鞑ニ俣容^慢； （3）晶體表面?zhèn)鞑サ膹椥圆ǎ簧婕熬w內(nèi)部電子的遷移過程； （4）采用單晶材料和用平面工藝制造，故重復(fù)性和一致性好，易于大批量生產(chǎn)。,聲表面波特點(diǎn)（相比電磁波）,4,濾波器、延遲線、振蕩器、混頻器、放大器、卷積器、相關(guān)器、編碼器、聲光調(diào)制器、聲光偏轉(zhuǎn)器、聲光開關(guān)、超聲馬達(dá)、射頻標(biāo)簽和傳感器等。特別是其作為一種快速、超小型的頻率控制、選擇和信號(hào)處理器件，對(duì)電子和通信系統(tǒng)的發(fā)展起著極為重要的作用。目前，SAW器件正在朝著GHz頻段到10GHz頻段的超高頻化發(fā)展。可以預(yù)測(cè)它將在信號(hào)檢測(cè)、信號(hào)處理中發(fā)揮越來越重要的作用。,聲表面波器件,5,用

3、SAW器件研制、開發(fā)新型傳感器始于20世紀(jì)80年代，起初，人們發(fā)現(xiàn)外界因素(如溫度、壓力、磁場(chǎng)、電場(chǎng)、某種氣體等)對(duì)聲表面波傳播特性會(huì)造成影響，進(jìn)而研究這些影響與外界因素的關(guān)系。根據(jù)這些函數(shù)關(guān)系設(shè)計(jì)了各種所需結(jié)構(gòu)用于測(cè)量各種化學(xué)的、物理的、生物的被測(cè)參數(shù)。,6,盡管SAW傳感器的歷史并不長(zhǎng)，在實(shí)用化方面尚有很多困難，但由于它的符合信號(hào)系統(tǒng)小型化、數(shù)字化、智能化和集成化、高精度的發(fā)展方向，因而越來越受到傳感器行業(yè)的青睞，世界上許多國(guó)家對(duì)SAW傳感器的開發(fā)研究極為關(guān)注。從80年代至90年代，SAW傳感器在歐美，特別是在日本，獲得了迅速發(fā)展，出現(xiàn)了十幾種類型的SAW傳感器。近十幾年來，SAW技術(shù)、電

4、子技術(shù)和微平面工藝的不斷發(fā)展，使SAW振蕩器的頻率不斷提高，器件和電路Q值不斷增大，這為SAW傳感器的發(fā)展提供了良好契機(jī)。,7,8.2 聲表面波技術(shù)的基礎(chǔ)知識(shí),1. 什么是聲表面波 SAW泛指沿表面或界面?zhèn)鞑サ母鞣N模式的波,機(jī)械波,在表面?zhèn)鞑?，能量集中在厚度不超過1個(gè)波長(zhǎng)的表層,8,SAW,9,SAW的激發(fā),1. 基于壓電材料的壓電效應(yīng)與逆壓電效應(yīng),2. 波在不連續(xù)介質(zhì)處的反射,10,Concept: IDT,11,聲波可以用質(zhì)點(diǎn)離開平衡位置的位移來表示，對(duì)于壓電體，聲波的傳播還伴隨著電場(chǎng)和電勢(shì)，因此描述聲波的變量還要有電勢(shì)，一共四個(gè)量。,SAW的描述,12,2. 聲表面波的類型,不同的邊界條

5、件和傳播介質(zhì)條件可以激發(fā)出不同模式的聲表面波。 在半無限基片上存在的聲表面波有瑞利波(Rayleigh waves)、漏波(Leaky SAW)、廣義瑞利波（Generalized Rayleigh waves）、水平剪切波(SH-SAW)、電聲波(B-G waves)、蘭姆波(Lamb waves)等。 在層狀結(jié)構(gòu)的基片存在有樂甫波(Love waves)、西沙瓦波(Sezawa waves)、斯東萊波（Stoneley waves）等。,13,3. 瑞利波特點(diǎn),瑞利波是在半無限基片邊界條件下沿介質(zhì)表面?zhèn)鞑サ穆暡?，SAW技術(shù)中所應(yīng)用的絕大部分是瑞利波，它具有特點(diǎn)： 非色散波，即波速與頻率無關(guān)

6、； 質(zhì)點(diǎn)作橢圓偏振，偏振平面不一定在弧矢平面內(nèi)，橢圓的主軸也不一定與傳播方向或表面法線平行； 質(zhì)點(diǎn)通常有三個(gè)位移分量，并隨深度方向呈衰減振蕩，能量幾乎集中在12個(gè)波長(zhǎng)的深度范圍內(nèi)； 波的相速度依賴于晶體的切向和波的傳播方向，除沿純模方向外，能流方向一般也不平行于傳播方向。,14,目前SAW技術(shù)的應(yīng)用已涉及地震學(xué)、天文學(xué)、雷達(dá)通訊及廣播電視中的信號(hào)處理、航空航天、石油勘探、無損檢測(cè)、識(shí)別定位和傳感器等許多學(xué)科領(lǐng)域。隨著電子學(xué)、聲學(xué)、微平面工藝的飛速發(fā)展，SAW技術(shù)的發(fā)展也越來越迅速，目前已成為電子、超聲領(lǐng)域最為活躍的學(xué)科分支之一。,4. SAW技術(shù)應(yīng)用與器件,15,5. SAW器件材料,SAW器

7、件的特性在很大程度上是由壓電基片材料決定的，一般描述SAW器件材料的性能指標(biāo)有：機(jī)電耦合系數(shù)，延時(shí)溫度系數(shù)，相速度、各向異性因子、插入與傳播損耗、密度、彈性模量與楊氏模量等。,16,目前使用的SAW基片材料主要有： 壓電單晶：石英（SiO2）、鈮酸鋰(LiNbO3)、鉭酸鋰（LiTaO3）、鈮酸鉀（KNbO3）等，重復(fù)性好、可靠性高、傳播損耗小 ，一般它們是各向異性材料 ，難以同時(shí)滿足機(jī)電耦合系數(shù)高，而溫度系數(shù)又要小的要求； 壓電陶瓷：機(jī)電耦合系數(shù)最大 ，一致性差 ，工作頻率受到多晶晶粒大小和晶粒間界狀況、內(nèi)部氣孔大小的限制，一般只適宜作低頻器件。 壓電薄膜：如ZnO ，表面波傳播特性由壓電薄

8、膜和襯底的特性共同決定，它可以很方便的與半導(dǎo)體電子器件集成為單片器件，使聲表面波信號(hào)處理器件或傳感器與外圍電路集成化,17,Materials,18,8.3 SAW問題的基礎(chǔ)理論,1. 壓電效應(yīng)及其本構(gòu)方程,2. 壓電體內(nèi)的波動(dòng)方程,19,3. 壓電介質(zhì)中的Christofel方程,各種SAW問題的解都是從上述公式出發(fā)，結(jié)合各個(gè)問題的對(duì)稱性和邊界條件來求得。,20,4. 聲表面波特性的理論分析,聲表面波特性的理論分析就是根據(jù)給定的材料常數(shù)（包括彈性常數(shù)、壓電常數(shù)、介電常數(shù)、密度、熱膨脹系數(shù)及其相應(yīng)的一階和二階溫度系數(shù)常數(shù)）按Christofel方程和邊界條件來計(jì)算某個(gè)切向條件下的聲表面波速度(

9、包括自由化表面和金屬化表面)、機(jī)電耦合系數(shù)（K2）、能流角（PFA）、延時(shí)溫度系數(shù)（TCD）等特性參數(shù)，這是進(jìn)行SAW器件設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)和出發(fā)點(diǎn)。,21,8.4 聲表面波傳感器技術(shù),工作原理：,利用外界物理量（如溫度、壓力等）的變化引起聲表面波的傳播特性發(fā)生變化的原理來敏感被測(cè)量。,22,結(jié)構(gòu)型式,SAW傳感器一般采用振蕩器電路形式，其中SAW振蕩器是傳感器的核心。SAW傳感器的基本工作原理就是利用了SAW振蕩器這一頻控元件受各種物理、化學(xué)和生物量的作用而引起振蕩頻率的變化，通過精確測(cè)量振蕩頻率的變化，從而實(shí)現(xiàn)檢測(cè)上述物理量及化學(xué)量變化的目的。,23,SAW振蕩器通常有延遲型（SAWD）和諧振型（

10、SAWR）兩種結(jié)構(gòu) . SAWD由兩個(gè)叉指換能器（IDT）的中心距決定相位反饋，由IDT的選頻作用和反饋放大器產(chǎn)生固定頻率的振蕩。其振蕩頻率為：,24,SAWR由左右兩個(gè)反射柵陣列構(gòu)成諧振腔，聲表面波在兩個(gè)反射柵之間來回反射、疊加、共振形成駐波。對(duì)于叉指間隔和反射柵指條間隔均勻分布的SAWR，諧振型振蕩器的振蕩頻率為：,SAWR器件的品質(zhì)因數(shù)Q值高、插損小，由于Q值是決定振蕩器頻率穩(wěn)定性的重要參數(shù)之一，因此這種高Q值諧振器結(jié)構(gòu)可以進(jìn)一步提高SAW傳感器靈敏度和分辨率。,25,任何量只要能引起 、 或 發(fā)生變化，就會(huì)使SAW振蕩器的振蕩頻率發(fā)生變化。通過振蕩電路檢測(cè)出振蕩頻率的變化就可以建立起頻

11、率偏移與待測(cè)量之間的關(guān)系。,若在兩叉指電極或反射柵之間涂覆一層對(duì)某種氣體或濕度敏感的材料就可制成SAW氣體或濕度傳感器。,26,無源遙測(cè)是SAW傳感器的一大優(yōu)勢(shì)，從結(jié)構(gòu)上看，無線SAW傳感器也可分為延遲型和諧振型兩種，但工作原理不同于一般的SAW傳感器，以延遲型為,例，傳感器由壓電基片、叉指換能器、反射柵及讀寫器（高頻激勵(lì)接收裝置）組成。工作時(shí)讀寫器發(fā)射出脈沖激勵(lì)信號(hào)，由敏感基片的天線接收無線信號(hào)，并通過IDT將電磁信號(hào)轉(zhuǎn)換為聲表面波。聲表面波經(jīng)過一段延遲后由反射柵反射回來，再通過IDT將信號(hào)轉(zhuǎn)換為電磁波信號(hào)，并經(jīng)天線發(fā)射出去，再由讀寫器接收處理。,27,脈沖信號(hào)從發(fā)射到接收的返回時(shí)間主要由讀

12、寫器與IDT天線的距離、IDT與反射柵之間的距離以及聲表面波波速來決定，即脈沖信號(hào)從讀寫器發(fā)射到回收的傳播時(shí)間為：,在遙測(cè)時(shí)，讀寫器與敏感基片之間距離的變化也會(huì)引起傳播時(shí)間的變化，為解決這一問題，在基片上設(shè)置多個(gè)反射柵，反射柵之間的時(shí)延只反映器件本身的狀態(tài)，而不受讀寫器與敏感基片之間距離的影響。在實(shí)際測(cè)量中，由于時(shí)延值非常小，常采用測(cè)量相位的方法來代替對(duì)時(shí)延的測(cè)量,28,如果相應(yīng)位置上的反射柵被布置或抽取，則該位置上的脈沖可表示編碼“1”或“0”，相同結(jié)構(gòu)的器件就變成了用于目標(biāo)辨識(shí)的SAW標(biāo)簽（ID-Tag）。雖然目前SAW辨識(shí)標(biāo)簽沒有隨時(shí)改寫的功能，但與其它類型的辨識(shí)標(biāo)簽相比，具有誤碼率低、

13、讀取時(shí)間快、作用距離遠(yuǎn)、不受光遮蓋和讀取方向影響、可在金屬液體表面讀取等優(yōu)點(diǎn)，因而SAW標(biāo)簽是對(duì)IC射頻標(biāo)簽的一個(gè)有力補(bǔ)充。,29,SAW傳感器信號(hào)檢測(cè),30,SAW傳感器信號(hào)檢測(cè),31,SAW傳感器信號(hào)檢測(cè),圖7-12 正交相位檢波原理,32,一 選擇零溫度系數(shù)切型 二 差動(dòng)法 三 數(shù)字補(bǔ)償法 四 浮動(dòng)零點(diǎn)法,SAW傳感器的溫度補(bǔ)償,33,）高精度，高靈敏度； ）準(zhǔn)數(shù)字輸出 ； ）微型化，低功耗； ）便于實(shí)現(xiàn)無線、無源化 ； ）多參數(shù)敏感性，抗干擾能力強(qiáng)； 6） 結(jié)構(gòu)工藝性好，便于大批量生產(chǎn),SAW傳感器特點(diǎn),34,到日前為止，已經(jīng)研制出的SAW傳感 器，歸納起來可分為三大類： 1 物理量傳

14、感器： 力(壓力、應(yīng)力)傳感器、扭矩傳感器、加速度傳感器、 角速度傳感器（陀螺）、溫度傳感器、位移傳感器、傾斜度傳感器、磁場(chǎng)傳感器、電壓傳感器、流量傳感器、水聲傳感器等 2 化學(xué)量傳感器： 氣體傳感器、露點(diǎn)傳感器、濕度傳感器、微質(zhì)量傳感器(微量天平)等； 3 生物傳感器： 酶?jìng)鞲衅?、免疫傳感器、液體識(shí)別傳感器、離子識(shí)別傳感器等。,種類,35,8.5 聲表面波傳感器的應(yīng)用,Vibration and Acceleration SAW Sensor,Torque SAW Sensor,SAW Gyroscope,Flow SAW Sensor,Liquid SAW Sensor,Gas SAW S

15、ensor,Applications of SAW Device in Automobile,36,Vibration and Acceleration SAW Sensor,37,Torque SAW Sensor,38,Flow SAW Sensor,39,SAW Gyroscope,40,Liquid SAW Sensor,41,Gas SAW Sensor,SO2、H2S、CO、NO2、H2 etc,42,Application Examples of SAW technology in Automobile,electronic ID Smart Tire Exhaust-gas detection,43,Electronic ID,