声表面波传感技术创新-课件

科技成果——智能电网用声表面波温度传感器

科技成果——智能电网用声表面波温度传感器技术开发单位中国电子科技集团公司重庆声光电有限公司技术简介声表面波技术最早应用于雷达、通信以及电子对抗等军用领域。

随着技术的不断发展，该技术逐步扩展到民用领域。

无源无线的声表面波（Surface Acoustic Wave，SAW）温度传感器利用压电材料的声表面波特性，可用在智能电网电缆接头、开关柜触头等位置的温度实时监测，可有效保障电网运行的安全。

该技术属于高电压设备安全在线监测方面一项颠覆性技术，可替代传统的红外线测温、光纤测温技术和RFIC测温技术。

技术指标工作频率：423.92-443.92MHz（fc±20kHz）工作温度：-20到65℃测温范围：-40到150℃测温距离：≤3m（视射频环境而定）测温精度：±1℃通道数量：6通道（可按照用户要求定制，扩展至12通道或更多）天线端口：4个（每个阅读器）天线接口：SMA型发射功率：10dBm（最大）扫频时间：50ms天线切换：300ns功耗：3W（最大）总线接口：RS485、RS232，Smart mesh IP供电要求：直流5V，交流220V固定方式：螺钉紧固技术特点声表面波温度传感器主要技术特点为：无源无线：传感器完全不需电池供电，声表面波传感器与阅读器间无需电缆连接，实现无线测温；电磁兼容性好：通过压电材料自身谐振频率与温度的关系实现温度测量，避免了对电力设备的干扰；维护性好：传感器结构、材质、安装、封装采用高可靠性技术方法，可实现传感器10年免维护；在线实时温度监测：测温速度快（小于50ms），可通过多种有线（Modbus，Profibus等）、无线通讯协议（Zigbee Pro，Smart mesh IP等）实现温度数据的实时上传。

技术水平国内先进可应用领域和范围智能电网，中低压开关柜在线测温。

专利状态已取得专利3项技术状态小批量生产、工程应用阶段合作方式技术转让、合作开发、融资投入需求500万元转化周期半年预期效益该技术属于高电压设备安全在线监测方面一个颠覆性技术，可替代传统的红外线测温。

声表面波器件制作工艺介绍63页PPT

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71、既然我已经踏上这条道路，那么，任何东西都不应妨碍我沿着这条路走下去。——康德 72、家庭成为快乐的种子在外也不致成为障碍物但在旅行之际却是夜间的伴侣。——西塞罗 73、坚持意志伟大的事业需要始终不渝的精神。——伏尔泰 74、路漫漫其修道远，吾将上下而求索。——屈原 75、内外相应，言行相称。——韩非
声关。 32、鼓腹无所思。朝起暮归眠。 33、倾壶绝余沥，窥灶不见烟。
34、春秋满四泽，夏云多奇峰，秋月扬明辉，冬岭秀孤松。 35、丈夫志四海，我愿不知老。
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工作任务4-1声电传感器电子课件中职传感器技术及应用(高教版)(共29张PPT)

电路工作过程由声传感器话筒MIC拾取的话音信号经C3加
到IC1的“1”脚，经放大后从“6”脚输出，经 C7分两路：一路经R6、C9加到IC2的“1”脚，经功率放大后从“6”脚输出。由C13耦合经VD1与 VD2整流，C14滤波后加到IC4的“5”脚，触发 IC4导通，从“2”“3”脚输出电源给发射电路供电。IC3得电后工作。而信号的另一路由C8加到IC3的“18”脚与“1”脚，IC3对信号进行调制后从“7”脚输出，经L2、C24谐振带通滤波后从天线ANT发射出去。
消磁电路中最后电流虽然很小，但仍然有电流通过，所产生的微弱交变磁场会对图像产生影响，而且消磁电阻长期通电发热也容易发热损坏。因此如电路图所示，采用双刀双掷开关继电器对消磁电路进行控制，只要消磁完毕后，继电器释放断开，就不会再有交变电流通过消磁线圈产生的交变磁场影响图像了。
1.话筒
传声器又称话筒，是一种声-电换能器件，可以分为电动式和静电式两种。目前在广播、电视和娱乐等方面使用的传声器，绝大多数是动圈式和静电电容式。
安装电路注意事项
（4）要按装配工艺要求进行焊接和安装；
（5）要选择合适的电源电压，不能随意变动电源的电压，否则电路不能正常工作；
（6）测试电路参数时要按规范操作仪器设备，不得在带电的情况下进行元器件的焊接与安装。
电路组成和功能作用
电路由消磁线圈、正温度系数热敏电阻PTC、消磁电阻、继电器JK电路组成。电路主要是给彩色电视机CRT显像管在电视机开机时进行消磁。
（6）测试电路参数时要按规范操作仪器设备，不得在带电的情况下进行元器件的焊接与安装。
电路组成和功能作用除话筒MIC外，由IC1 TA7330等元件组成
了话音信号的前置放大电路，IC2 TA7331等元件组成了功率放大电路，IC3 BA1404等元件组成了高频发射电路，由IC4 TWH8778等元件组成了电子开关电路。

传感技术课件 9

现代传感器技术
<8>
8.2 声表面波技术的基础知识
SAW
现代传感器技术
<9>
8.2 声表面波技术的基础知识
1. 基于压电材料的压电效应与逆压电效应
电能
机械能
2. 波在不连续介质处的反射
电能
现代传感器技术
<10>
8.2 声表面波技术的基础知识
概念：金属叉指换能器 IDT
现代传感器技术
<11>
声表面波滤波器
现代传感器技术
<6>
本章内容
8.1 8.2 8.3 8.4 8.5
概述声表面波技术基础知识研究声表面波的基础理论声表面波传感器技术典型声表面波传感器及应用
现代传感器技术
<7>
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
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
现代传感器技术
<19>
5. SAW器件材料
现代传感器技术
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），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.
现代传感器技术
<3>
8.1 概述
SAW器件是近代声学中的表面波理论、压电学研究成果和微电子技术有机结合的产物。

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。

声表面波器件制作工艺介绍(PPT 61页)

自动粘片
49
主要工艺－点焊（自动铝丝键合）
降到第一焊点
加超声能量键合
上升到线弧高度
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主要工艺－点焊（自动铝丝键合）
降到第二焊点
加超声形成第二个焊点
断线
51
主要工艺－点焊
6400型自动点焊机
52
主要工艺－点焊线拉力和芯片剪切力测试
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主要工艺－预焊
预焊工序用于将表贴器件的盖板与基座固定起来。
39
主要工艺－光刻
M2000涂胶显影机
3“、4”标准圆片的光刻胶涂覆及曝光后图形显影，满足特征尺寸CD≥0.5μm声表面波器件的光刻胶涂覆及曝光后图形显影工艺制作要求；
涂敷光刻胶均匀性和一致性：3＂片内为 ±2%，片与片之间达到±2%；
显影均匀性和一致性：当以CD=0.5um 作为测试线宽时，3＂片内为±6%，片
声表面波器件制作工艺介绍
一.声表面波器件的用途
2
滤波器: 电子通讯
移动设备无线宽带广播电视 -------------------------------
谐振器: 移动设备
无匙安全系统
3
射频识别：鉴别：身份识别，
物体识别，运输方式跟踪 -----------------------------------------
同样利用电阻放电原理，使用大型电容组对焊接面进行充电，放电瞬间在封焊面形成高热，融化器件封焊环，达到焊接到目的，同时对器件内部水汽含量也可以进行控制。
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主要工艺－测试
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主要工艺－测试
自动SMD测试分选系统
60
成品
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镀层材料 AL、AL-CU2%合金、TI 产量 3英寸 36片/炉 4英寸 18片/炉

声表面波

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常用的声表面波器件材料

制作 SAW 器件的基片材料，必须是压电材料。压电材料的特性将直接影响所制作的 SAW 器件的各项性能，进而对SAW传感器的性能指标产生重要影响。

表征压电材料性能的重要参数有介电常数、弹性常数、压电常数、介质损耗、机械品质因数、居里温度、温度系数以及机电耦合系数等，它们分别描述了压电材料的弹性、压电、介电、热学性质。

从应用角度来看，不同用途的压电材料对上述各参数有不同的要求。
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常用的声表面波器件材料

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，同时这种基片材料还要易于生产，电材料（重复性好、可靠性高、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，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，工作频率受限，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，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。

SAWD设计简单，但稳定性较差。
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8.4.1 SAW传感器的结构形式与基本原理

谐振型（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，SAW波长和IDT周期长度满足： v v
2l P

SAW辨识标签具有误码率低、读取时间快、作用距离远、不受光遮盖和读取方向影响等优点，因而 SAW标签是对 IC射频标签的一个有力补充。

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：

声敏传感器pptPPT演示课件

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2.2压电声敏传感器
压电声敏传感器是利用压电晶体的压电效应制成的。下图为压电传感器的结构图。
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2.3电容式声敏传感器（静电型）
下图为电容式送话器的结构示意图。它由膜片、外壳及固定电极等组成，膜片为一片质轻而弹性好的金属薄片，它与固定电极组成一个间距很小的可变电容器。
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2.4音响传感器
②散射引起的衰减声波在传播过程中遇到不同声阻抗介质组成的界面时，将产生散射，实际材料的金属
结晶组织的不均性或界面的晶粒粗大引起的散射，使部分超声波能量以热能的形式损耗。
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③介质吸收引起的衰减由于介质的粘滞性而造成质点间的内摩擦，从而将消耗部分声能，并且介质的热传导及介质的稠密和稀疏部分之间的热交换都能导致声能的损耗。
当A为发射探头，B为接收探头时，超声波
传播速度为
c

v
cos t1
，于是L 顺流传播时间t1
c v cos
为
当B为发射探头，A为接受探头时，超声波
传播速度为c v cos ，于是逆流传播时间为 t2 ： 39
时差为：
L
t2 c v cos
2Lv c os t t2 t1 c2 v2 cos2
声敏传感器的种类很多，下面将介绍4种声敏传感器，包括：电阻变换型声敏传感器、压电声敏传感器、电容式声敏传感器（静电型）及音响传感器。
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2.1电阻变换型声敏传感器
按照转换原理将这类传感器分为接触阻抗型和阻抗变换型两种。接触阻抗型声敏传感器的一个典型实例是碳粒式送话器，如下图为其工作原理图。
重复频率 f2 为：
音响传感器包括：将声音载于通信网的电话话筒；将可听频带范围（20Hz~20kHz）的声音真实地进行电变换的放音、录音话筒；从媒质所记录的信号还原成声音的各种传感器等。根据不同的工作原理（有电磁变换、静电变换、电阻变换和光电变换等），可制成多种音响传感器。下面主要介绍一下医用音响传感器。

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。