声表面波的应用

声表面波传感器的应用一．声表面波简介声表面波（SAW）技术是声学和电子学相结合而形成的一门新兴边缘学科。在该技术的基础上,现已经成功地研制出声表面波带通滤波器、振荡器、表面波卷积器和传感器等声表面波器件。由于声表面波器件具有体积小、可靠性高、一致性好以及设计灵活等优点,所以在雷达、通信等领域的研究得到了广泛的应用。把声表面波技术应用于传感器技术领域在近十年来得到了很大的发展。目前,采用技术来研制力、加速度、温度、湿度、气体及电压等一系列新型传感器的工作逐渐成为传感器研究的一个热点。二．声表面波传感器工作原理SAW传感器构成的识别系统由一个SAW传感器标签、一个带主动式天线的阅读器和一个信号后处理单元组成。SAW标签由传感器天线、压电模式、指换能器和经传感器体外编码的反射区组成。传感器天线接收由远处阅读器发送来的访问电磁脉冲信号,通过叉指换能器转化为声表面波,遇到反射条后形成回波,回波通过叉指换能器重新转化为电磁波并再次通过天线发射出去。这些回波信号形成了由晶体表面的反射条的数目和位置决定的脉冲序列,它类似于条形码图案,每个脉冲的时间延迟取决于SAW传播速度。信号后处理单元对脉冲延迟变进行估计,实时解调出识别码。天线接收到询问信号后,由IDT将电信号转换为声波信号,声波信号撞击反射区。反射区位置不同,个数不同,会产生不同的振幅和不同的相位变化。三．声表面波传感器的应用（1）LiNb03的声表面波应用声表面波器件(SAW)的基本原理是在压电基体上通过光刻的方法制出由相互交叉的电极(一般为铝电极)组成的叉指电极(叉指换能器)，利用基片的压电效应激发起沿着表面层传播的高频超声波，从而实现滤波、延时、脉冲压缩与扩展、卷积等多种电子学功能。叉指换能器的基本构造如图，换能器的中心频率f0由声表面波的相速vs和电极的周期λ0确定:fo=vs/λ0，即声表面波器件的中心频率和声波的传播速率成正比，与电极的周期成反比，所以提高器件的中心频率主要在于如何提高声表面波的传播速率和缩短电极周期，又因为光刻技术的限制不可能无限制地缩短电极周期，因此当前制作高频声表面波器件的关键在于选择合适的基体材料和不断提高改进基体的晶体质量和提高压电性能，同时降低传输损耗。常用的声表面波器件有表面波带通滤波器、延迟线、匹配滤波器、振荡器和表面卷积器等。随着信息技术的发展，为解决移动通讯系统长期存在的频段拥挤和频带有效利用问题，SAW器件逐渐向着高频、低损的方向发展。这就给用于制作SAW器件的压电基片的性能和质量提出了更高的要求，即要求在高频的基础上具有较高的稳定性和较好的综合性能。2002年，SHUIY等研究了在低损耗声表面波滤波器中广泛使用的电极宽度控制单相单向转换器(EWC-SPUDT),滤波器的插人损耗和分级带宽与EWC(electrodewidthcontrolled)单元的反射能力紧密相关，因此为了同时满足宽带和低损耗的要求就必须提高反射能力。在1280Y-XLiNbO,衬底上制备EWC-SPUDT，得到了宽带低损耗的声表面波滤波器，通过实验证明了理论计算值，3dB带宽为3.9，插人损耗为2.9dB。2002年，R.G.Kryshtal等研究J一种新型的以LiNbO,声表面波延迟线为基础的气体敏感器，这种敏感器具有测温SAW敏感器的某些特性，不仅对于挥发性物质的蒸气比较敏感，而且还能根据气体的热学性质进行探测。与已知的测温SAW敏感器相比，这种新的敏感器具有高温稳定性和快速响应两大优点。同年，R.T.Syme等研究了用于卫星通信的声表面波滤波器。石英滤波器由于其低质量、低成本、高的温度稳定性和可靠性被广泛应用于卫星通信系统。但近年来，大容量信息传输成为通信系统的主流趋势，石英滤波器难以满足带宽的需要。R.T.Syme等设计和研制了新型的LiNbO,声表面波滤波器，其具有理想的带宽，适用于大容量卫星信号处理系统。（2）声表面波传感器在智能血凝仪中的应用现代止血与血栓分析仪的雏形出现于上世纪50年代之后60年代出现了光学浊度法的血凝仪，但是血凝仪的真正发展与普遍使用乃是始于微电子技术、免疫化学技术的迅速发展的上世纪70-80年代。然而在现有的检测原理中，都有不同程度的缺陷和不足。在光学比浊法中，为了克服黄疽、高血脂的影响，往往将样品本底浊度扣除，这实际是以牺牲有效信号为代价的，从而降低了信噪比，所以“一般采用光学系统进行测定的仪器不能对血脂高的、黄疽或溶血的血浆得出精确的结果”;对于磁珠法而言，在样品凝固的过程中，钢珠的运动幅度逐渐减小，从而以检测这种幅度的变化来检测血液的凝固点，然而在钢珠的运动过程中，容易引起血液凝固物随钢珠一起运动的情况，从而降低了检测的精度。为此，需要寻找更有效的检测方法。根据SAW传感器的工作原理，如果在压电基片上负载溶液，溶液的物理特性，如粘滞系数、介电常数、电导率等，会改变基片的力学与电学边界条件，从而影响声表面波的振幅及传播速度，由于血浆在凝固的前后，粘度发生了明显的变化，只要将声表面波传感器转变成单一的力学特性的检测，就可以根据此原理来精确检测血浆的凝固点。下图是一种声表面波传感器的结构原理图，由叉指换能器(InterdigitalTransducer，简称IDT)与基片材料构成。基片材料是由具有压电效应的晶体在特定的方向上切割而成，叉指换能器(IDT)是用集成电路工艺沉积在基片材料上而成。在输人叉指换能器加人射频电压信号时，由于逆压电效应，在基片材料上产生与射频信号相同频率的声表面波，声表面波沿着基片传输到输出叉指换能器时，又因正压电效应转换为相同频率的电信号，声表面波的波长几决定于叉指的间距Ws，和叉指的宽度Wf，λ=2X(Ws+Wf)，声表面波的波速为V，则声表面波的频率f=V/A，从而通过测量SAW振荡器的频率就能测出声表面波的波速。因此，当把配制好血液样品置于该传感器的基片上的时候(不与IDT接触，避免对IDT的腐蚀)，根据血液在凝固的前后粘度的变化，就可测量出频率的变化，从而以频率的变化来确定血液的凝固点。但由于此参数同时受到力学与电学边界条件的影响，即频率的变化量包含有血液的电学边界特性信息，因此必须要排除这种信息的干扰，使检测参数变为单一的力学特性的检测，在这里我们可以在传感器与血液的接触面上镀一层非常薄的金属膜，质量负载趋于零，使电学边界短路，此时被测参量的变化就只反映了血液的粘滞系数的大小。（3）声表面波器件在射频识别系统中的应用射频识别(RFID)技术是一种无接触白动识别技术，一般由两个部分组成，即电子标签和阅读器。应用中，电子标签附着在待识别的物品上，是射频识别系统真正的数据载体。一般情况下，电子标签由标签天线和标签专用芯片组成。依据电子标签供电方式的不同，电子标签可以分为有源电子标签(Activetag)和无源电子标签(Passivetag)。有源电子标签内装有电池，无源射频标签没有内装电池。阅读器可以是读或写装置，当附着电子标签的待识别物品通过其读出范围时，电子标签与阅读器之间通过祸合元件实现射频信号的空间(无接触)祸合、在祸合通道内，根据时序关系，实现能量的传递、数据的交换，自动以无接触的方式将电子标签中的约定识别信息取出。声表面波(SAW)是传播于压电晶体表面的机械波，其声速仅为电磁波速的十万分之一，传播衰耗很小，SAW器件是用压电基片按照平面电极结构制作电声换能器和反射器祸合器等，利用基片材料的压电效应，通过输入叉指换能器(IDT)将电信号转换成声信号在基片表面传播，可根据需要在声通道上进行变换或取样，输出IDT将声信号恢复成电信号，从而获得各种用途的SAW器件。采用了先进的微电子加工技术进行制造的声表面波器件，体积小，重量轻，可靠性高，一致性好，多功能以及设计灵活等优点,在通信，电视,遥控和报警系统中已得到了广泛应用。随着加工工艺的飞速发展，SAW器件的工作频率己覆盖10MHz-2.5GHz，满足射频识别系统应用。由于SAW器件具有无源无线的特点，在RFID系统中被作为无源电子标签得到广泛应用。无源电子标签Passive-tag没有内装电池，在阅读器的读出范围之外时，电子标签处于无源状态，在阅读器的读出范围之内时，电子标签从阅读器发出的射频能一最中提取其工作所需的电源。Passive-tag一般均采用反射调制方式完成电子标签信息向阅读器的传送。下面介绍SAW标签的基本结构。声表面波电子标签的基本结构图声表面波电子标签的工作原理SAW标签是由叉指换能器(IDT)和若干反射器组成，换能器的两条总线与天线相连接。通过阅读器的天线周期地发送高频询问脉冲。当被SAW标签上的工DT通过天线接受后，将有一部分转变成声表面波，从而在晶体中传播。事先可以把反射器按某种特定的顺序设计，在每个反射器上，表面波的一小部分被反射，并返回到工DT，由声脉冲重新转变成高频电脉冲。由于声表面波传播速度低，这样的多个脉冲在经过几微秒的延迟时间后才到达阅读器，这期问，来自阅读器周围的干扰反射己衰减，声表面波电子标签正是具有这种关键性的优点从而实现了自动识别。四．小结声表面波器件传感器是一种新型的结合电学和声学的传感器，它在信号处理、频率控制、频率选择及信号获取等方面有着十分广阔的应用前景。随着当前军用、民用电子系统向小型化、高可靠性、抗干扰、保密等方向的进一步发展，声表面波传感器必将获得更加广泛的应用。0803432孙海龙2009-6-20