声表面波传感器的综述

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1、声表面波传感器的综述摘要：声表面波（SAW）是一种在固体浅表面传播的弹性波，SAW传感器是电子技术与材料科学相结合的产物。由于SAW传感器具有非接触、快速、无电源、抗干扰、易编码、保密性好、成本低等优点，目前已广泛应用于许多领域。同时，SAW传感器也朝着更高精度更智能化等发展趋势发展。关键字：声表面波特点应用发展趋势1.声表面波的基本原理声表面波(surfaceacousticwave，SAW)是英国物理学家瑞利在19世纪80年代研究地震波的过程中偶尔发现的一种能量集中于地表面传播的声波。声表面波是一种在固体浅表面传播的弹性波，它存在若干模式，主要包括Raylei

2、gh波、Love波、Lamb波、B2G波、漏剪切声表面波以及快速声表面波模式的准纵漏声表面波等[1]。瑞利波是应用比较广泛的声表面波，瑞利波质点的运动是一种椭圆偏振，它是相位差为90°的纵振动和横振动合成的结果。表面质点作反时针方向的椭圆振动，其振幅随离开表面的深度而衰减如图1所示，但纵振动与横振动的衰减不一致，其衰减规律如图2所示。图1在各向同性固体中，瑞利波质点运动随深度的变化图图2在各向同性固体中，瑞利波的纵震动与横震动随深度的变化图由图可见，瑞利波能量集中在约1个波长深的表面层内。频率愈高，集中能量层愈薄。这一特点使SAW较体波更易获得高声强，同时该特点也

3、使基片背面对SAW传播的影响很小，因而就SAW器件本身而言，对基片的厚度及背面质盘无严格要求[2]。2.SAW传感器1965年，美国怀特和沃尔特默发表题为“一种新型声表面波声——电转化器”的论文，取得了声表面波技术的关键性突破，首次采用叉指换能器IDT激发SAW，加速了声表面波技术的发展。SAW传感器是电子技术与材料科学相结合的产物，它由SAW振荡器、敏感的界面膜材料和振荡电路组成。SAW传感器的核心部件是SAW振荡器，由压电材料基片和沉积在基片上不同功能的叉指换能器所组成，有延迟线型(DL型)和谐振器型(R型)两种。如下图所示[3]。图3延迟线型SAW传感器图4

4、谐振器型SAW传感器延迟线型SAW振荡器由声表面波延迟线和放大电路组成。输入换能器IDT1激发出声表面波，传播到换能器IDT2转换成电信号，经放大后反馈到IDT1以便保持振荡状态。只要放大器的增益足够高，足以抵消延迟线及外围电路的损耗，并且满足一定的相位条件，这一系统就能产生振荡。谐振器型SAW振荡器，声表面波在反射栅阵列之间来回反射多次，当反射栅2个相邻的指条之间的距离为半波长的整数倍时，就形成驻波，这时在2个反射栅阵列之间就形成谐振腔。将2个IDT置于驻波场的波腹处，就可以构成谐振腔。发射和接收IDT用来完成声电转换。当对发射叉指换能器加以交变信号时，相当于在

5、压电衬底材料上加交变电场。这样材料表面就产生与所加电场强度成比例的机械形变，产生SAW，只要放大器的增益能补偿谐振器及其连接导线的损耗，同时又能满足一定的相位条件，这样组成的振荡器就可以起振并维持振荡。在实际应用中，SAW传感器往往使用双通道结构，如图5所示。1个通道用于测量，另1个通道用于对环境温度、湿度、压力等因素的补偿。图5双通道延迟线SAW振荡器3.SAW传感器的特点SAW传感器是继陶瓷、半导体等传感器的一支后起之秀。与传统传感器相比，它具有性能高、体积小、能承受极端工作条件(如高温、强电磁辐射)等优点。此外，SAW传感器可实现无源化，无须外部供电，这使得

6、它比传统的传感器更能胜任无接触测量，例如：高速转子、快速移动物体以及密封物体内部等各种条件下的物理化学参数检测。3.1由于采用压电基片上的叉指换能器，不需要另外能量即可完成电磁波—声表面波—电磁波能量转换过程，而且声表面波换能没有阈值，效率极高，极少电磁波能量就能完成电磁波的收发过程。因此，SAW传感器不需额外能量，即它是真正无源元器件。由此，它具有不需维护，使用寿命长等优点，特别适合用于难以维护或需要长期工作的场合。3.2由于叉指换能器可与射频辐射天线直接相连，达到收发射频信号的目的，所以能直接完成无线应用，大大简化了SAW传感器节点的结构。最简单的SAW传感器

7、节点仅由声表面波压电编码传感单元芯片和直接相连的天线组成，成本低，适于推广应用。3.3由于声表面波声速比电磁波光速低许多，声表面波传播4mm距离，即可延时一微秒左右。一微秒延迟时间，足以避免近距（<100米）内射频多次反射杂波的干扰，大大提高了有效回波的信噪比，有利于增加反射延迟型SAW传感器的读写距离或减小读写器的射频辐射功率。3.4由于声表面波换能过程中没有载流子参与，所以SAW传感器耐辐射，抗干扰能力特强，可以用于多种恶劣环境。3.5SAW传感器可工作于较宽的环境温度范围。采用常用的压电晶体，器件最高工作温度可大于200℃。采用特别的封装，已证实能较长期工作

8、在300℃