聲表面波傳感技術(shù)

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8.1概述2

聲表面波（SAW）是一種能量集中在表面?zhèn)鞑サ膹椥圆?。最早是由英國物理學(xué)家瑞利在19世紀80年代在研究地震波過程中偶然發(fā)現(xiàn)的。

1965年，美國的R.M.White和F.M.Voltmov發(fā)明了能在壓電材料表面激勵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。

壓電效應(yīng)：某些電介質(zhì)在沿一定方向上受到外力的作用而變形時，其內(nèi)部會產(chǎn)生極化現(xiàn)象，同時在它的兩個相對表面上出現(xiàn)正負相反的電荷。當外力去掉后，它又會恢復(fù)到不帶電的狀態(tài)，這種現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。當作用力的方向改變時，電荷的極性也隨之改變。相反，當在電介質(zhì)的極化方向上施加電場，這些電介質(zhì)也會發(fā)生變形，電場去掉后，電介質(zhì)的變形隨之消失，這種現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)，或稱為電致伸縮現(xiàn)象。依據(jù)電介質(zhì)壓電效應(yīng)研制的一類傳感器稱為為壓電傳感器。壓電效應(yīng)分類

壓電效應(yīng)可分為正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)。

正壓電效應(yīng)是指：當晶體受到某固定方向外力的作用時,內(nèi)部就產(chǎn)生電極化現(xiàn)象,同時在某兩個表面上產(chǎn)生符號相反的電荷；當外力撤去后，晶體又恢復(fù)到不帶電的狀；當外力作用方向改變時，電荷的極性也隨之改變；晶體受力所產(chǎn)生的電荷量與外力的大小成正比。壓電式傳感器大多是利用正壓電效應(yīng)制成的。

逆壓電效應(yīng)是指對晶體施加交變電場引起晶體機械變形的現(xiàn)象。用逆壓電效應(yīng)制造的變送器可用于電聲和超聲工程。壓電敏感元件的受力變形有厚度變形型、長度變形型、體積變形型、厚度切變型、平面切變型5種基本形式。壓電晶體是各向異性的，并非所有晶體都能在這5種狀態(tài)下產(chǎn)生壓電效應(yīng)。例如石英晶體就沒有體積變形壓電效應(yīng)，但具有良好的厚度變形和長度變形壓電效應(yīng)。3所謂叉指換能器，就是在壓電基片表面上形成形狀像兩只手的手指交叉狀的金屬圖案，它的作用是實現(xiàn)聲一電換能。叉指換能器是構(gòu)成聲表面波器件最基本的單元，工作原理是，基片左端的換能器（輸入換能器）通過逆壓電效應(yīng)將輸入的電信號轉(zhuǎn)變成聲信號，此聲信號沿基片表面?zhèn)鞑?，最終由基片右邊的換能器（輸出換能器）將聲信號轉(zhuǎn)變成電信號輸出。整個聲表面波器件的功能是通過對在壓電基片上傳播的聲信號進行各種處理，并利用聲一電換能器的待性來完成的。4當我們把電壓加載在壓電晶體如石英的電極上，那么由于壓電效應(yīng)就會在壓電晶體的晶格中形成機械畸變。所謂的聲表面波就是在壓電基片材料表面產(chǎn)生并傳播、并且其振幅隨深入基片材料的深度的增加而迅速減少的彈性波。聲表面波濾波器的基本結(jié)構(gòu)是在具有壓電特性的基片材料拋光面上制作兩個0.1μm厚的鋁膜構(gòu)成的電極結(jié)構(gòu)即聲電換能器（叉指換能器）。叉指換能器就是采用半導(dǎo)體集成電路的平面工藝，在壓電基片表面蒸鍍一定厚度的鋁膜，再把設(shè)計好的兩個IDT的掩膜圖案利用光刻方法沉積在基片表面，分別作為輸入換能器和輸出換能器。聲電轉(zhuǎn)換器的形狀是指狀電極結(jié)構(gòu)，即手指相互交叉的形式。每兩個這種相互交叉的指狀系統(tǒng)構(gòu)成一個指間轉(zhuǎn)換器或者叉指換能器。其工作原理是：輸入換能器將電信號轉(zhuǎn)換成聲波信號，沿晶體表面?zhèn)鞑?，輸出換能器再將接收到的聲波信號轉(zhuǎn)換成電信號輸出。56

（1）聲表面波具有極低的傳播速度和極短的波長，它們各自比相應(yīng)的電磁波的傳播速度的波長小十萬倍。在同一頻段上，聲表面波器件的尺寸比相應(yīng)電磁波器件的尺寸減小了很多，重量也隨之大為減輕。表聲表面波技術(shù)能實現(xiàn)電子器件的超小型化。聲表面波特點（相比電磁波）

（2）沿固體表面?zhèn)鞑サ?，且傳播速度較慢：由于聲表面波系沿固體表面?zhèn)鞑?，加上傳播速度極慢，這使得時變信號在給定瞬時可以完全呈現(xiàn)在晶體基片表面上。于是當信號在器件的輸入和輸出端之間行進時，就容易對信號進行取樣和變換。這就給聲表面波器件以極大的靈活性，使它能以非常簡單的方式去．完成其它技術(shù)難以完成或完成起來過于繁重的各種功能。比如脈沖信號的壓縮和展寬，編碼和譯碼以及信號的相關(guān)和卷積。7三氧化二鋁(Al2O3)晶體基片

Al2O3單晶（Sapphire,又稱白寶石，藍寶石）有著很好的熱特性，極好的電氣特性和介電特性，并且防化學(xué)腐蝕，它耐高溫，導(dǎo)熱好，硬度高，透紅外，化學(xué)穩(wěn)定性好。廣泛用于耐高溫紅外窗口材料和III-V族氮化物及多種外延薄膜基片材料，8（3）晶體表面?zhèn)鞑サ膹椥圆?，不涉及晶體內(nèi)部電子的遷移過程：聲表面波器件的抗輻射能力強，動態(tài)范圍很大，可達100dB。這是因為它利用的是晶體表面的彈性波而不涉及電子的遷移過程。（4）由于聲表面波器件是在單晶材料上用半導(dǎo)體平面工藝制作的，所以它具有很好的一致性和重復(fù)性，易于大量生產(chǎn)，而且當使用某些單晶材料或復(fù)合材料時，聲表面波器件具有極高的溫度穩(wěn)定性。910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、射頻標簽和傳感器等。特別是其作為一種快速、超小型的頻率控制、選擇和信號處理器件，對電子和通信系統(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?？梢灶A(yù)測它將在信號檢測、信號處理中發(fā)揮越來越重要的作用。聲表面波器件

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用SAW器件研制、開發(fā)新型傳感器始于20世紀80年代，起初，人們發(fā)現(xiàn)外界因素(如溫度、壓力、磁場、電場、某種氣體等)對聲表面波傳播特性會造成影響，進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)計了各種所需結(jié)構(gòu)．用于測量各種化學(xué)的、物理的、生物的被測參數(shù)。12

盡管SAW傳感器的歷史并不長，在實用化方面尚有很多困難，但由于它的符合信號系統(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，世界上許多國家對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。SAW傳感器特點13（1）高精度，高靈敏度由于SAW能量集中在介質(zhì)表面，對外界物理參量的擾動非常靈敏，因而SAW傳感器具有很高的靈敏度，它可以檢測到常規(guī)傳感器難以檢測到的微小變化。如：SAW壓力傳感器，其精度可達0.01％，靈敏度可達0.3×l0-6／Pa。若傳感器的中心頻率為300MHz，檢測器能檢測出1Hz的頻率變化，那么該傳感器可反應(yīng)出1Pa的壓力變化。這是非常適用于微壓測量的。SAW溫度傳感器，理論上分辨率可達10℃（2）準數(shù)字輸出SAW傳感器工作時以頻率信號輸出，不需經(jīng)A／D轉(zhuǎn)換便可與計算機接口，因而既便于傳輸處理，同時也減小了數(shù)字化帶來的誤差.14（3）微型化，低功耗聲表面波傳感器利用半導(dǎo)體制作工藝，可以使集成化技術(shù)得到充分應(yīng)用，容易將信息敏感器件與信息處理功能電路集成在一起，大大減小傳感器的體積和重量，做到傳感器微型化。同時因為SAW的能量集中在介質(zhì)表面，因而損耗低，加上SAW傳感器電路簡單，所以整個傳感器的功耗很小。這對于煤礦、油井或其他有防爆要求的場合特別重要

15４）便于實現(xiàn)無線、無源化SAW器件的工作頻率一般在幾十MHz到幾個GHz，處于射頻頻段，因而可直接發(fā)射，進行遙測。同時利用SAW敏感器件的低損耗和壓電基片的機電轉(zhuǎn)換特性及其對電磁波能量的貯存能力，還可以實現(xiàn)聲表面波傳感器的無源化。這對于運動部件、密閉腔、易燃、易爆、輻射、高溫等特殊環(huán)境的檢測更為有利。16５）多參數(shù)敏感性，抗干擾能力強；聲表面波對壓力、溫度、氣體、濕度、電場、磁場等多種物理、化學(xué)量敏感，通過選擇合適的基片材料及切向可以制成多種類型的傳感器。同時由于聲表面波器件利用的是晶體表面的彈性波而不涉及晶體內(nèi)部電子的遷移過程，因而SAW傳感器具有良好的抗電磁干擾能力。17

6）結(jié)構(gòu)工藝性好，便于大批量生產(chǎn)SAW傳感器是平面結(jié)構(gòu)，設(shè)計靈活；片狀外形，易于組合；能比較方便地實現(xiàn)單片多功能化、智能化；安裝容易，并能獲得良好的熱性能和機械性能。SAW傳感器中的關(guān)鍵部件—SAW諧振器或延遲線，采用半導(dǎo)體平面制作工藝，結(jié)構(gòu)牢固，質(zhì)量穩(wěn)定，重復(fù)性及可靠性好，易于大批量生產(chǎn)。188.2聲表面波技術(shù)的基礎(chǔ)知識191.什么是聲表面波聲表面波是指在固體半空間表面存在的一種沿表面?zhèn)鞑ィ芰考杏诒砻娓浇膹椥圆?。從嚴格意義上說，聲表面波泛指沿表面或界面?zhèn)鞑サ母鞣N模式的波，不同的邊界條件和傳播介質(zhì)條件可以激發(fā)出不同模式的聲表面波。2.聲表面波的類型20

不同的邊界條件和傳播介質(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(Rayleighwaves)、漏波(LeakySAW)、廣義瑞利波（GeneralizedRayleighwaves）、水平剪切波(SH-SAW)、電聲波(B-Gwaves)、蘭姆波(Lambwaves)等。在層狀結(jié)構(gòu)的基片存在有樂甫波(Lovewaves)、西沙瓦波(Sezawawaves)、斯東萊波（Stoneleywaves）等。3.瑞利波特點21

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：①非色散波，即波速與頻率無關(guān)；②質(zhì)點作橢圓偏振（相位差為90的縱振動和橫振動的合成），但偏振平面不一定在弧矢平面(即傳播方向與表面法線決定的平面)內(nèi)，橢圓的主軸也不一定與傳播方向或表面法線平行；③質(zhì)點通常有三個位移分量，并隨深度方向呈衰減振蕩，能量幾乎集中在1~2個波長的深度范圍內(nèi)。頻率愈高，集中能量層愈薄。這一特點使SAW較體波更易獲得高聲強，同時該特點也使基片背面對SAW傳播的影響很??；④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22聲表面波的主要性質(zhì)反射及模式轉(zhuǎn)換：聲表面波與一般波動一樣遇到聲阻抗不連續(xù)便會發(fā)生反射,對于瑞利波由于其質(zhì)點作橢圓振動,即既有橫振動又有縱振動,因此遇到阻抗不連續(xù)時,入射波除了以瑞利波形式反射回來外,還有一部分能量反射時會轉(zhuǎn)換成體波,這種現(xiàn)象稱為模式轉(zhuǎn)換,23例子叉指換能器的金屬指在基片表面也構(gòu)成聲阻抗不連續(xù)區(qū),因此瑞利波在換能器下傳播時在指邊緣會產(chǎn)生反射,通常因聲阻抗變化不大,因而反射量很小,屬于二階效應(yīng)。但當指條數(shù)很多,而且各反射訊號又不同相位時,對器件的性能會造成很大的影響,因此在器件設(shè)計中常要采取一些措施抑制這種二階效應(yīng)。另一方面又可利用這種效應(yīng)來完成一些功能,例如分布式反射陣就是由許多條等間距的金屬條或溝槽組成,在每根條子的邊緣反射小量的瑞利波,但在某個特定頻率,這些反射波同相相加,當條子足夠多時,就可以得到兒乎百分之百的反射波,而轉(zhuǎn)換成體波的能量很少。這是目前獲得瑞利波兒乎全反射的唯一辦法24波束偏離與衍射效應(yīng)對于有一定寬度的波束,由于存在波束偏離與衍射等效應(yīng),在傳播過程中,波束的方向及其中的振幅與相位會發(fā)生變化。波束偏離：向異性固體中波的相速與群速或者相位傳播方向與能量傳播方向一般講是不一致的,其間的夾角小稱為偏離角度。表面波器件絕大部分是用各向異性的單晶作為基片,因此也有此現(xiàn)象存在。從由于波束偏離效應(yīng),接收換能器只能接收到波束的一部分能量,由此導(dǎo)致能量損失。功愈大,換能器愈短,距離愈遠,能接收到的能量愈少。衍射：和一般波動一樣,聲表面波也存在著衍射現(xiàn)象,引起波束的發(fā)散。25聲表面波的衰減1)表面波與材料熱聲子相互作用引起的衰減,這是材料固有的衰減,也可以說是衰減所能達到的最小極限。其大小決定于材料的性質(zhì),且與溫度有關(guān),溫度愈低,衰減愈小。其值還與頻率有關(guān),一般講與頻率的平方成正比,因此一般要在較高的頻率時才顯出其重要性。（2）因材料表面的晶體缺陷、雜質(zhì)或麻點、刻痕(拋光工藝所造成)引起表面波散射所產(chǎn)生的衰減,其大小與材料質(zhì)量和拋光工藝的水平有關(guān),與溫度無關(guān)。(3)表面波在傳播時不斷向表面上氣體中輻射聲波引起的衰減,其值與表面上氣體性質(zhì)和氣壓有關(guān)。一般可采取真空密封的辦法來消除這種衰減。264.SAW技術(shù)應(yīng)用與器件27

目前SAW技術(shù)的應(yīng)用已涉及地震學(xué)、天文學(xué)、雷達通訊及廣播電視中的信號處理、航空航天、石油勘探、無損檢測、識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。

5.SAW器件材料28

SAW器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有：機電耦合系數(shù)，延時溫度系數(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。29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，難以同時滿足機電耦合系數(shù)高，而溫度系數(shù)又要小的要求；壓電陶瓷：機電耦合系數(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，使聲表面波信號處理器件或傳感器與外圍電路集成化308.3SAW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)的波動方程313.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)合各個問題的對稱性和邊界條件來求得。

324.聲表面波特性的理論分析（258）

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算某個切向條件下的聲表面波速度(包括自由化表面和金屬化表面)、機電耦合系數(shù)（K2）、能流角（PFA）、延時溫度系數(shù)（TCD）等特性參數(shù)，這是進行SAW器件設(shè)計的基礎(chǔ)和出發(fā)點。

33348.4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量。結(jié)構(gòu)型式35SAW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，通過精確測量振蕩頻率的變化，從而實現(xiàn)檢測上述物理量及化學(xué)量變化的目的。移相器匹配網(wǎng)絡(luò)SAW振蕩器放大器匹配網(wǎng)絡(luò)聲表面波振蕩電路SchematicofSAWoscillatorcircuit36SAW振蕩器通常有延遲型（SAWD）和諧振型（SAWR）兩種結(jié)構(gòu).SAWD由兩個叉指換能器（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：37（a）單端對諧振器（b）雙端對諧振器SAWR由左右兩個反射柵陣列構(gòu)成諧振腔，聲表面波在兩個反射柵之間來回反射、疊加、共振形成駐波。對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)可以進一步提高SAW傳感器靈敏度和分辨率。

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任何量只要能引起、或發(fā)生變化，就會使SAW振蕩器的振蕩頻率發(fā)生變化。通過振蕩電路檢測出振蕩頻率的變化就可以建立起頻率偏移與待測量之間的關(guān)系。

若在兩又指電極或反射柵之間徐覆一層對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。39無源遙測是SAW傳感器的一大優(yōu)勢，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∕接收裝置）組成。工作時讀寫器發(fā)射出脈沖激勵信號，由敏感基片的天線接收無線信號，并通過IDT將電磁信號轉(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將信號轉(zhuǎn)換為電磁波信號，并經(jīng)天線發(fā)射出去，再由讀寫器接收處理。40

脈沖信號從發(fā)射到接收的返回時間主要由讀寫器與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，即脈沖信號從讀寫器發(fā)射到回收的傳播時間為：在遙測時，讀寫器與敏感基片之間距離的變化也會引起傳播時間的變化，為解決這一問題，在基片上設(shè)置多個反射柵，反射柵之間的時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。在實際測量中，由于時延值非常小，常采用測量相位的方法來代替對時延的測量