当前位置：文档之家 › 声表面波传感技术概述.ppt

声表面波传感技术概述.ppt

  • 格式：ppt
  • 大小：3.29 MB
  • 文档页数：51

下载文档原格式

  / 51

合集下载

声表面波传感器的原理及应用综述

声表面波传感器的原理及应用综述
ｄｅｔａｉｌ．Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ＳＡＷ ｉｎ ｆｉｅｌｄ ｏｆ ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ ｓｕｂｓｔａｔｉｏｎ，ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ ｅｑｕｉｐｍｅｎｔ，ｔｒａｉｎ，ｈｕｍｉｄｉｔｙ ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ，ａｎｄ ｉｎ ｃｏｍｐｌｅｘ ｖａｒｉａｂｌｅ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｓ ａｒｅ ｒｅｖｉｅｗｅｄ ｉｎ ｄｅｔａｉｌｓ．Ｏｕｔｌｏｏｋ ｏｆ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ＳＡＷ ｓｅｎｓｏｒｓ ｉｓ ｂｒｉｅｆ ｌｙ ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ．
谐振型声表面波传感 器将 ＩＤＴ置 于 ２个全反 射的反射 栅间。激励的声表 面波 的频 率与谐 振器 频率 相 等时 ，声表 面波 在反 射栅 间 形成 驻波 ，反射 栅 反射 的能 量 达到 最大 。 外部激励信号 加载 在输 入 ＩＤＴ上 ，ＩＤＴ将 电信 号转 换为 声 表面波 ，声表面波沿压 电晶体表 面向两边传 播 ，经两侧 反射 栅反射叠加 由输 出 ＩＤＴ输 出 ，最终实现声／电转换 。
２０１８年 第 ３７卷 第 ４期
。 、
综述与评论 （Ｉ
ｓ ｃｅｒ ａｎｄ Ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ） ＤＯＩ：１０．１３８７３／Ｊ．１０００－９７８７（２０１８）０４－０００１－－０４
声 表 面 波传 感 器 的原 理 及 应 用 综 述
潘 小山 ，刘芮彤 ，王 琴 ，李功燕
（１．中国科 学院 微电子研究所 。北京 朝 阳 １０００２９； ２．国网辽宁省电力有 限公司 电力科学研 究院 ，辽宁 沈 阳 １１０００６）
摘 要 ：详 细论 述了声表面波传感器 的工作模式 、工作原理 ；结合 目前声表 面波传感 器的发展 状况 ，详细 论述 了声表 面波在智 能变电站 、电力设 备 、列车 、湿度检测以及在复杂多变环境 中的应用 ；对声表面波传感 器 的发 展 给 出 了展 望 。 关键词 ：声表面 波 ；传感器 ；工作原理 ；应 用 中图分 类号 ：ＴＰ２１２．９ 文献标识码 ：Ａ 文章 编号 ：１０００－９７８７（２０１８）０４－０００１－０４

表面声波

表面声波

简介
表面声波（Surface acoustic wave）是一种沿弹性材料表面传播，其振幅随深入表面深度指数衰减的弹性 波。 1885年瑞利首先解析表面声波的性质及其传播特性。表面声波有广泛的应用；主要依据它的二方面特性：
1.表面声波在材料表面传播的性质，和材料的相互作用规律。
2.利用压电材料，将电信号转换成声信号应用，后再转换为电信号；
例如：表面声波传感器，将电讯号变为声波传输；而它易受物理现象影晌，之后，分析声波的振幅、相位、 频率和时间延迟等，再变回电讯号，和原来输入讯号对比而感知信息 。
传感器及其应用
自上世纪60年代提出利用叉指换能器在压电晶体表面激发表面声波以来，新型表面声波器件的应用已有40余 年的历史。应用最广泛的是表面声波滤波器，包括射频和中频带通滤波器，特别是通信滤波器。其次是表面声波 传感器，由于表面声波的传播速度和衰减与传播的环境和介质的参量有紧密的，利用表面声波器件制作传感器具 有很高的灵敏度。
传感器结构及应用
1.瑞利波传感器
瑞利波传感器通常亦称为表面声波传感器，一般利用128°YX-LiNbO3或ST-(X传播)石英晶片等为基片，前 者有高压电系数，后者温度稳定性较好。制作瑞利波传感器工艺过程比较简单，因此最容易达到商品化。由于瑞 利波的质点位移为椭圆形轨道，位移存在法向分量，在液固界面传播时，其能量会漏向液体，不适合用于液体介 质的传感检测，因此只能应用于气体环境。由于传感器的频率明显受多种物理量的影响，如测定压力时会受温度 变化的影响，因此常需保持在恒温条件下进行传感、检测，或者压力和温度同时测定。
2.切向水平板模传感器
由于环境科学及生物工程与技术的发展，检测环境污染及生物物质的需求不断增加。传感器主要是用于液体 环境，因此瑞利波传感器不能使用，通常选择切向水平位移的声波模式，如水平切向声板波模式(SH APM)以及 Love波等表面波模式。

声表面波传感器产品简介(温度传感器)

声表面波传感器产品简介(温度传感器)

112 mm x 81 mm x 36mm 配备卡槽，固定于 35mm 导轨上 约 2m（取决于读取器发射功率，可调）
432 MHz ~444MHz RS485
AC 85 ~265V,50 ~60HZ
DC 5V,1A 95mm x95mm x113mm 嵌入式，开孔尺寸：92mm x92mm(±0.5mm)
江苏声立传感技术有限公司
江苏声立传感技术有限公司
SAW 无源无线温度监测系统
系统概述
电力系统中，各类设备的开断接触点可能因为松动、老化、电弧冲击等原因造成接触电 阻增大。这会使触点的温度不断上升，给电网安全带来隐患。如果不及时发现，容易引起起 火爆炸、大面积停电、人员伤亡等灾难事故，直接和间接经济损失巨大。因此，对电力设备 的温度进行在线监测并及时排除隐患，越来越得到行业的认可和重视。
公司开发成功的无源无线温度传感系统采用了声表面波传感技术。其传感器具有完全无 源、可无线读取的优点，尤其适合电力、化工、采矿、冶金等特殊环境。该产品从声表面波 温敏器件、无线读取器到信号处理软件都具有完全自主知识产权，填补了国内空白，可替代 进口同类产品。目前该产品已经通过了中国电力科学研究院的检测认证，并开始在电力行业 推广应用。 地址：南通市崇川路 58 号南通产业技术研究院 3 号楼 8 楼 806 室 电话：0513—55080001 13552700090 18210365488 技术支持：0513—55080012 传真：0513—55080012
安装方式 无线传输距离 无线频率范围
下行接口 电源输入 电源输出 外形尺寸 安装方式 下行接口 上行接口 电源输入
功耗 外形尺寸 安装方式 数据存储
工作环境
安全性能 产品认证
接触式测温

SAW传感器

SAW传感器

SAW传感器SAW传感器即表面声波传感器，它是基于声表面波（Surface Acoustic Wave）技术的一种应变传感器。

它能够检测出EPS操控与动力系应用中的扭矩和温度，以及TPM系统中的压力和温度。

尤其适合于检测旋转部件或者那些接触起来很难活很危险的部件。

SAW传感器的特点1、高精度，高灵敏度。

将被测量转换成频率进行测量，频率测量精度很高，有效检测范围线性好，抗干扰能力强，适合于远距离传输。

2、数字化频率信号易于传输，处理，与计算机接口。

3、制作与集成电路技术兼容，易集成化，智能化，重复性和可靠性好，适于批量生产。

4、体积小，重量轻，功耗低，可获得良好的热性能和机械性能。

SAW传感器的设计因素SAW传感器在设计时应注意以下因素：1）面对一般干扰环境因素；2）面对的恶意干扰环境因素；3）人机界面接口；4）参数的自我收敛性能；5）内、外各类信息、能量的交流新能等。

SAW传感器的基本原理SAW传感器的基本原理是：利用被铡量对saw元件作用，改变sAw的传播速度，于是波长也相应变化，进而改变了通过延迟线的相位变化△φ=2πL／λ(L为延迟线长度)，破坏了振荡器的相位平衡条件；由于IDT有一定的迎频带，所以改变振荡频率，重新达到相位平衡条件。

振荡频率变化和SAW 传播速度变化应满足下列关系：因为延迟线上相位变化要保持不变，即SAW传感器由于是利用振茴频率变化测出传播速度的变化，所以它的灵敏度很高(百万分之一)。

同时，它同数字数据系统相适应，对放大器的要求也不高。

SAW传感器的测量方法SAW传感器的测量方法有多种，主要有四种如下图所示：(a)网络分析仪测量频谱变化，(b)矢量电压表测定相位变化，(C)谐振回路测定频移，以及(d)为消除环境变化(如温度变化)引起的误差，采用双通道差分方法测定频移，测量更准确、方便。

在实际测量中，可根据具体条件选择适当的方法。

SAW传感器与QCM传感器的比较石英晶体微量天平（quartz crystal microbalance，QCM）和表面声波器件（surface acoustic wave，SAW）。

声表面波传感技术

声表面波传感技术

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。
2
• 压电效应：某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其 内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电 荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压 电效应。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。相反，当 在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去 掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应，或称为电 致伸缩现象。依据电介质压电效应研制的一类传感器称为为压电传感 器。 • 压电效应分类 压电效应可分为正压电效应和逆压电效应。 • 正压电效应是指：当晶体受到某固定方向外力的作用时,内部就产生电 极化现象,同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力撤去后， 晶体又恢复到不带电的状；当外力作用方向改变时，电荷的极性也随 之改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。压电式传感 器大多是利用正压电效应制成的。 • 逆压电效应是指对晶体施加交变电场引起晶体机械变形的现象。用逆 压电效应制造的变送器可用于电声和超声工程。压电敏感元件的受力 变形有厚度变形型、长度变形型、体积变形型、厚度切变型、平面切 变型5种基本形式。压电晶体是各向异性的，并非所有晶体都能在这5 种状态下产生压电效应。例如石英晶体就没有体积变形压电效应，但 具有良好的厚度变形和长度变形压电效应。 3
程。
• （4）由于声表面波器件是在单晶材料上用半导体平面工
艺制作的，所以它具有很好的一致性和重复性，易于大量 生产，而且当使用某些单晶材料或复合材料时，声表面波 器件具有极高的温度稳定性。

第8章声表面波

第8章声表面波

5
常用的声表面波Biblioteka 件材料在实际应用中， 在实际应用中，对压电基片材料的基本要求包括较大的机电耦 合系数，零或较小的温度延时系数，较低的传播损耗， 合系数，零或较小的温度延时系数，较低的传播损耗，同时这 种基片材料还要易于生产，便于加工，价格合理。 种基片材料还要易于生产，便于加工，价格合理。 目前使用的SAW基片材料有单晶压电材料（重复性好、 目前使用的SAW基片材料有单晶压电材料（重复性好、可靠性 SAW基片材料有单晶压电材料 声表面波传播损耗小， 高、声表面波传播损耗小，但是一般难以同时满足机电耦合系 数高，而温度系数又要小的要求，且一般它们是各向异性材料， 数高，而温度系数又要小的要求，且一般它们是各向异性材料， 所以需要有高精度的定向切割技术）、压电陶瓷（ 所以需要有高精度的定向切割技术 、压电陶瓷（机电耦合系 数大，其横向各向同性，容易制成任意形状，价格低廉， 数大，其横向各向同性，容易制成任意形状，价格低廉，工作 频率受限，一致性差） 压电薄膜（ 频率受限，一致性差）和压电薄膜（压电薄膜和非压电衬底形 成了多层结构， 成了多层结构，表面波传播特性则由压电薄膜和衬底的特性共 同决定，方便集成）三种。 同决定，方便集成）三种。
2
8.1 概述
声表面波SAW（Surface Acoustic Wave）是一 （ 声表面波 ） 种能量集中在介质表面传播的弹性波， 种能量集中在介质表面传播的弹性波，最早是 由英国物理学家瑞利在1885 1885年研究地震波传播 由英国物理学家瑞利在1885年研究地震波传播 过程时发现的。 过程时发现的。 1965年美国的 利用叉指换能器 1965年美国的White和Volrmov利用叉指换能器 年美国的 和 利用 IDT（ Interdigital Transducer） 直接在 压电介 （ ） 直接在压电介 上有效地激励出SAW后，SAW技术才很快地 质上有效地激励出 后 技术才很快地 发展起来。 发展起来。

声表面波扭矩传感器的原理及应用综述

声表面波扭矩传感器的原理及应用综述

2021年第40卷第3期传感器与微系统（Transducer and MicrosystemTechnologies)5DOI：10. 13873/J.1000-9787(2021)03-0005-03声表面波扭矩传感器的原理及应用综述$李志鹏，孟旭，张超，王博男(东北林业大学交通学院,黑龙江哈尔滨150040)摘要：阐述了声表面波(SAW)及其器件的分析理论、模型、工作模式;论述了声表面波扭矩传感器的工作原理;结合目前声表面波扭矩传感器的应用情况,论述了声表面波扭矩传感器在航空发动机、种植义齿稳定性检测、载运工具领域中的应用;分析了制约声表面波扭矩传感器发展所存在的问题并提出了改进方向。

关键词：声表面波；扭矩传感器；工作原理；应用中图分类号：TP212.9 文献标识码：A文章编号：1000-9787(2021)03-0005-03 Review of princijile and application of SAW torque sensor**LI Zhipeng, MENG Xu, ZHANG Chao, WANG Bonan(College of Transportation，Northeast Forestry University，Harbin150040,China)Abstract：The analysis theory，model and working m ode of surface acoustic wave(SAW)and its devices aredescribed in detail.The working p rinciple of SAW torque sensor is bined with the application ofSAW torque sensor at present,the application of SAW torque sensor in the field of aeroengine，implant denturestability detection and transportation tools is discussed in detail.The problems that restrict the development ofSAW torque sensor are analyzed and the improvement direction is put forward.Keywords：surface acoustic wave(SAW) ；torque sensor；operating principle；application0引言扭矩是反映转动工作系统工作状态的重要参数之一，扭矩的实时监测已经在航空航天、载运工具、机械设备等众 多领域中拥有着广泛的应用[1]。

声表面波传感器

声表面波传感器
输出 A 选择性 吸附膜
化学战剂检测器—— 以SAW化学传感器 对 化学毒剂进行检 测。
SAW传感器的应用
3. 温度传感器
当温度变化时，SAW振荡器的 振荡频率会发生变化，从而可以制 成SAW温度传感器。SAW温度传感 器具有长期稳定性，灵敏度很高， 可测量出10-4～10-6℃的微小温 度变化。SAW温度传感器可以用于 气象测温、粮仓测温、火灾报警等。
膜片
压力
SAW传感器的应用 SAW传感器的应用
2. SAW气体传感器
SAW气体传感器是在SAW传播路径上和IDT区域淀积一层 化学界面膜，当界面膜吸附被测气体后，引起SAW传播频率变 化，可以通过测量SAW频率的变化测量气体浓度。已经开发出 来的SAW气体传感器有SO2、水蒸气、丙酮、甲醇、氢气、H2S、 NO2等传感器。
SAW传感器的应用
4. SAW无源电子标签技术，射频识别
a，SAW标签由叉指换能器和若干反射器组成。 b，阅读器的天线周期地发送高频询问脉冲，电子标 签天线将接收到的高频脉冲通过叉指换能器转换 为声表面波，并在晶体表面传播。 c，反射器组将声表面波反射回叉指换能器，重新转 换为高频脉冲串后通过天线发送出去。 d，如果反射器组按照某种特定的规律设计，则其反 射信号中将含有该物体的特定编码信息，通过解 调达到自动识别的目的。
SAW传感器的应用
1.
SAW压力传感器
SAW谐振式力学量传感器包括压力传感器和加速度传 感器，SAW器件在基底压电材料受到外界作用力时，谐振 器的结构尺寸、压电材料的密度、弹性系数等发生变化， 从而导致SAW的波长、频率和传播速度等 A 输出 发生变化。通过测量SAW传感器 的频率变化可以得知压力的大小。 SAW压力传感器由SAW振荡器、 敏感模片、基底等组成。

超声波导入原理和功效

超声波导入原理和功效

超声波导入原理和功效
超声波导入，也称为声表面波（SAW）技术，是一种传输、测量及检测信号的新型方式。

它是由高频超声波微波传送到物体或介质上，产生比传统电磁波要高太多倍的能量，而这些能量被物体或介质所吸收，从而达成信号传输的目的。

该技术可以帮助传感器收集更多的数据，并能够准确的显示和测量。

超声波导入的优点，主要有：
1. 能量利用率高：由于超声波本身的振幅很高，因此它可以比电磁波传输到物体或介质中要更有效地吸收和释放能量，而不需要耗费太多资源。

2. 无损伤：超声波载体比其他传感器信号来得更加精确，因此可以在不破坏物体或介质的情况下，准确收集到信号，从而减少对物体或介质的损伤。

3. 稳定性好：超声波导入对环境变化具有良好的抗干扰能力，可以有效地抵御外界环境的干扰，以保证信号的准确性。

另外，超声波导入技术也可以用来放大信号，特别是在极低信号强度的时候更为有效，这样就可以有效地提高传感器的分辨率和准确度。

超声波导入技术是当今许多新兴传感技术的基础，因此，它也逐渐受到越来越多的关注，得到了广泛的应用。

它可以帮助传
感器准确的显示和测量物体的变化，并且不会破坏物体的结构，从而大大提高实际应用的精准性和可靠性。

声表面波传感器的原理及应用综述

声表面波传感器的原理及应用综述

声表面波传感器的原理及应用综述潘小山;刘芮彤;王琴;李功燕【摘要】详细论述了声表面波传感器的工作模式、工作原理;结合目前声表面波传感器的发展状况,详细论述了声表面波在智能变电站、电力设备、列车、湿度检测以及在复杂多变环境中的应用;对声表面波传感器的发展给出了展望.%Operating mode and operating principle of surface acoustic wave(SAW)sensors are discussed in detail.Application of SAW in field of intelligent substation,electrical equipment,train,humidity detection,and in complex variable environments are reviewed in details. Outlook of development of SAW sensors is briefly discussed.【期刊名称】《传感器与微系统》【年(卷),期】2018(037)004【总页数】4页(P1-4)【关键词】声表面波;传感器;工作原理;应用【作者】潘小山;刘芮彤;王琴;李功燕【作者单位】中国科学院微电子研究所,北京朝阳100029;国网辽宁省电力有限公司电力科学研究院,辽宁沈阳110006;中国科学院微电子研究所,北京朝阳100029;中国科学院微电子研究所,北京朝阳100029【正文语种】中文【中图分类】TP212.90 引言声表面波(surface acoustic wave,SAW)传感器是近年来发展起来的一种新型微声传感器[1～8],是一种用声表面波器件作为传感元件，将被测量的信息通过声表面波器件中声表面波的速度或频率的变化反映出来，并转换成电信号输出的传感器[9]。

声表面波传感器能够精确测量物理、化学等信息(如温度、应力、气体密度)。

声表面波传感器课件

声表面波传感器课件

声表面波传感器
2.表面波的基本理论
【
表面波的基本理论
】
波的分类： 在无边界各向同性的固体中传播的声波成为体波或体声波。 当固体有界时，由于边界的限制，可出现各种类型的面波，也叫表面波。 对于体波，根据质点的振动方向可将它分为纵波与横波，纵波质点振动平行于 传播方向，横波质点垂直于传播方向：
ES (1 S ) vl S (1 S )(1 2S )
【表面波的基本理论】
声表面波的基本性质： 1.声表面波的反射和模式转换。 在声表面波传播表面上常会发生声阻抗不连续。声表面波与 一般的波动一样，当遇到声阻抗不连续时便会发生反射。 对于瑞利波，由于其质点作椭圆振动，既有横振动又有纵振 动，因此遇到阻抗不连续时，入射波除了以瑞利波形式反射 回来外，还有一部分能量在反射时会转换为体波，这种现象 称为模式转换。 2.波束偏离与衍射效应。 在各向异性固体中，波的相速与群速或 者说相位传播方向与能量传播方向一般 是不一致的，这种现象称为波束偏离。 两者之间的角度Φ称为偏离角度。
【表面波的基本理论】
瑞利波质点运动是一种椭圆的偏振，是相位差为 90° 的纵振动和横振动合成的结果。 在图中不难看出，瑞利波能 量集中在一个约一个波长深 度的表面层内，频率越高， 集中能量的层越薄。
这一特点使声表面波较体波更容易获得高声强，同时该特点也 使基片对声表面波传播的影响很小，因此就声表面波器件本身， 对基片的厚度无严格的要求。 在各向异性晶体材料中，瑞利波基本上保持了上述特点。
【声表面波叉指换能器】
一个叉指换能器IDT，各叉指重叠长度相等，对有N对指的换能器（2N+1根指， 2N个间隔），当考虑到Δ ω / ω 0<<1时，其转移函数为：

声表面波传感器的综述

声表面波传感器的综述

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( surface acoustic wave，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Rayleigh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。

  1. 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
  2. 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
  3. 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。

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。
4
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。
xx i1 k1 l1
2 k
il
33 i1 m1
s 2 imxixm
0
11
2. 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 (Rayleigh waves)、漏波(Leaky SAW)、广义瑞利波 （Generalized Rayleigh waves）、水平剪切波(SHSAW)、电声波(B-G waves)、兰姆波(Lamb waves) 等。
ciE jklnlnj v2ijAkekijnknjA40
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
1
8.1 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。
在层状结构的基片存在有乐甫波(Love waves)、
西沙瓦波(Sezawa waves)、斯东莱波（Stoneley
waves）等。
12
3. 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。
接收端
接地电极 压电基体
10
SAW的描述
❖ 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。
3
i1
3 l1
m31ciEklmxi2xlm
3
i1
3
emik t2
3 3 3
e ikl
13
4. SAW技术应用与器件
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。
14
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。
2
声表面波特点（相比电磁波）
（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。
3
声表面波器件
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
6
8.2 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
7
SAW
8
SAW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
9
Concept: IDT
外加电压 吸声材料
16
Materials
17
8.3 SAW问题的基础理论
1. 压电效应及其本构方程
Tij
cE ijkl
Skl
ekij Ek
Di
eikl Skl
S ik
Ek
2. 压电体内的波动方程
ciEjkluk,lj ekij ,kj
2ui t2
0
eikluk,li
S ik
,ki 0
18
3. 压电介质中的Christofel方程
5
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。
5. 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。
15
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