第8章 声表面波传感技术

1第8章声表面波传感技术8.1概述8.2声表面波技术基础知识8.3研究声表面波的基础理论8.4声表面波传感器技术8.5典型声表面波传感器及应用28.1概述声表面波（SAW）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19世纪80年代在研究地震波过程中偶然发现的。1965年，美国的R.M.White和F.M.Voltmov发明了能在压电材料表面激励声表面波的金属叉指换能器（IDT），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。3（1）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；（3）晶体表面传播的弹性波，不涉及晶体内部电子的迁移过程；（4）采用单晶材料和用平面工艺制造，故重复性和一致性好，易于大批量生产。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、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，SAW器件正在朝着GHz频段到10GHz频段的超高频化发展。可以预测它将在信号检测、信号处理中发挥越来越重要的作用。声表面波器件5用SAW器件研制、开发新型传感器始于20世纪80年代，起初，人们发现外界因素(如温度、压力、磁场、电场、某种气体等)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。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。6尽管SAW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、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SAW传感器的开发研究极为关注。从80年代至90年代，SAW传感器在欧美，特别是在日本，获得了迅速发展，出现了十几种类型的SAW传感器。近十几年来，SAW技术、电子技术和微平面工艺的不断发展，使SAW振荡器的频率不断提高，器件和电路Q值不断增大，这为SAW传感器的发展提供了良好契机。78.2声表面波技术的基础知识1.什么是声表面波SAW泛指沿表面或界面传播的各种模式的波机械波在表面传播，能量集中在厚度不超过1个波长的表层8SAW9SAW的激发1.基于压电材料的压电效应与逆压电效应电能机械能电能2.波在不连续介质处的反射10Concept:IDT吸声材料接地电极外加电压接收端压电基体11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，因此描述声波的变量还要有电势，一共四个量。222333332111112233333111110ElkiklmmikilmimimimskiklimiklimilimcexxxxtexxxxSAW的描述122.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(Rayleighwaves)、漏波(LeakySAW)、广义瑞利波（GeneralizedRayleighwaves）、水平剪切波(SH-SAW)、电声波(B-Gwaves)、兰姆波(Lambwaves)等。在层状结构的基片存在有乐甫波(Lovewaves)、西沙瓦波(Sezawawaves)、斯东莱波（Stoneleywaves）等。133.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波，SAW技术中所应用的绝大部分是瑞利波，它具有特点：①非色散波，即波速与频率无关；②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；③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1~2个波长的深度范围内；④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。14目前SAW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，SAW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。4.SAW技术应用与器件155.SAW器件材料SAW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SAW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、各向异性因子、插入与传播损耗、密度、弹性模量与杨氏模量等。16目前使用的SAW基片材料主要有：压电单晶：石英（SiO2）、铌酸锂(LiNbO3)、钽酸锂（LiTaO3）、铌酸钾（KNbO3）等，重复性好、可靠性高、传播损耗小，一般它们是各向异性材料，难以同时满足机电耦合系数高，而温度系数又要小的要求；压电陶瓷：机电耦合系数最大，一致性差，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，一般只适宜作低频器件。压电薄膜：如ZnO，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，使声表面波信号处理器件或传感器与外围电路集成化17Materials188.3SAW问题的基础理论1.压电效应及其本构方程EijijklklkijkSiiklklikkTcSeEDeSE2.压电体内的波动方程2,,2,,00EiijklkljkijkjSiklkliikkiucueteu193.压电介质中的Christofel方程各种SAW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。24400EijklljijkkijkjsikllikikkicnnvAennAennAnnA204.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）按Christofel方程和边界条件来计算某个切向条件下的声表面波速度(包括自由化表面和金属化表面)、机电耦合系数（K2）、能流角（PFA）、延时温度系数（TCD）等特性参数，这是进行SAW器件设计的基础和出发点。218.4声表面波传感器技术工作原理：利用外界物理量（如温度、压力等）的变化引起声表面波的传播特性发生变化的原理来敏感被测量。22结构型式SAW传感器一般采用振荡器电路形式，其中SAW振荡器是传感器的核心。SAW传感器的基本工作原理就是利用了SAW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。移相器匹配网络SAW振荡器放大器匹配网络声表面波振荡电路SchematicofSAWoscillatorcircuit23SAW振荡器通常有延迟型（SAWD）和谐振型（SAWR）两种结构.SAWD由两个叉指换能器（IDT）的中心距决定相位反馈，由IDT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：2Evfnl24（a）单端对谐振器（b）双端对谐振器SAWR由左右两个反射栅阵列构成谐振腔，声表面波在两个反射栅之间来回反射、叠加、共振形成驻波。对于叉指间隔和反射栅指条间隔均匀分布的SAWR，谐振型振荡器的振荡频率为：2PvvflSAWR器件的品质因数Q值高、插损小，由于Q值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SAW传感器灵敏度和分辨率。25vlPl任何量只要能引起、或发生变化，就会使SAW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偏移与待测量之间的关系。若在两叉指电极或反射栅之间涂覆一层对某种气体或湿度敏感的材料就可制成SAW气体或湿度传感器。26无源遥测是SAW传感器的一大优势，从结构上看，无线SAW传感器也可分为延迟型和谐振型两种，但工作原理不同于一般的SAW传感器，以延迟型为天线压电基片IDT反射栅吸声材料例，传感器由压电基片、叉指换能器、反射栅及读写器（高频激励∕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IDT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栅反射回来，再通过IDT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。27脉冲信号从发射到接收的返回时间主要由读写器与IDT天线的距离、IDT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28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“1”或“0”，相同结构的器件就变成了用于目标辨识的SAW标签（ID-Tag）。虽然目前SAW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、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SAW标签是对IC射频标签的一个有力补充。29SAW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7-10SAW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LNA带通滤波对数放大放大A/D转换射聘本振70MHz晶振开关收发开关功放混频器数据处理中心418MHz中频滤波带通滤波混频器限幅输出RSSI带通滤波天线图7-11发射接收系统框图LNA带通滤波对数放大放大A/D转换射聘本振70MHz晶振开关收发开关功放混频器数据处理中心418MHz中频滤波带通滤波混频器限幅输出RSSI带通滤波天线LNA带通滤波对数放大放大A/D转换射聘本振70MHz晶振开关收发开关功放混频器数据处理中心418MHz中频滤波带通滤波混频器限幅输出RSSI带通滤波天线图7-11发射接收系统框图31SAW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(01itB90°功分器)cos(0tA)cos(01tA)sin(01tA低通滤波低通滤波arctanIQ32一选择零温度系数切型二差动法三数字补偿法四浮动零点法SAW传感器的温度补偿33１）高精度，高灵敏度；２）准数字输出；３）微型化，低功耗；４）便于实现无线、无源化；５）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SAW传感器特点34到日前为止，已经研制出的SAW传感器，归纳起来可分为三大类：1物理量传感器：力(压力、应力)传感器、扭矩传感器、加速度传感器、角速度传感器（陀螺）、温度传感器、位移传感器、倾斜度传感器、磁场传感器、电压传感器、流量传感器、水声传感器等2化学量传感器：气体传感器、露点传感器、湿度传感器、微质量传感器(微量天平)等；3生物传感器：酶传感器、免疫传感器、液体识别传感器、离子识别传感器等。种类358.5声表面波传感器的应用VibrationandAccelerationSAWSensorTorqueSAWSensorSAWGyroscopeFlowSAWSensorLiquidSAWSensorGasSAWSensorApplicationsofSAWDeviceinAutomobile36VibrationandAccelerationSAWSensor37TorqueSAWSensor38FlowSAWSensor39SAWGyr