声表面波气体传感器的原理及研究进展

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表面声波原理的应用有哪些

表面声波原理的应用有哪些1. 简介表面声波（Surface Acoustic Wave，SAW）是一种通过固体表面传播的声波。

这种声波在固体和流体相互作用时产生了一系列有趣的应用。

本文将介绍一些表面声波原理的应用领域。

2. 电子设备中的应用2.1 压力传感器表面声波传感器可用于测量压力变化。

在传感器表面的声波发射和接收器之间布置压阻材料，当物体施加压力时，材料的表面形态发生变化，从而改变表面声波的传播特性，进而测得压力变化。

2.2 温度传感器类似于压力传感器的原理，表面声波传感器也可以用于测量温度变化。

通过将导热薄膜放置在表面声波传感器之间，当温度变化时，导热薄膜的热导率发生变化，导致表面声波的传播速度改变，进而可以测得温度的变化。

2.3 振荡器表面声波振荡器是一种基于表面声波原理的振荡电路，可以在微波频率范围内产生高质量的谐振信号。

这种振荡器具有体积小、功耗低、频率稳定性好等特点，在无线通信、雷达系统等电子设备中被广泛应用。

3. 传感器和检测器3.1 气体传感器利用表面声波技术可以制作高灵敏的气体传感器。

例如，将可以吸附气体的材料涂覆在声波传感器表面，当目标气体与涂层相互作用时，涂层的质量或几何形态发生变化，引起声波的传播特性变化，通过测量这种变化可以检测目标气体的存在和浓度。

3.2 生物传感器表面声波技术在生物传感领域也得到了广泛应用。

通过将特定的生物识别分子固定在声波传感器表面，当目标生物分子与识别分子发生作用时，引起声波的传播特性改变，可以实现对生物分子的快速检测和分析。

4. 液体处理和微流控4.1 表面声波混合器使用表面声波技术可以实现高效的液体混合。

通过在微流控芯片上布置声波发射器和接收器，并将声波沿着芯片表面传播，可以使液体产生强烈的旋涡效应，从而促进液体内各种溶质的混合效果。

4.2 表面声波泵表面声波泵是一种无机械移动部件的微型流体泵。

它通过表面声波的传播作用将介质推动到某一方向。

气体成分测量

气体成分测量气体检测在工业生产、环境保护、安全检查、航空航天等领域中发挥着重要作用。

近年来频发的煤矿爆炸,有毒气体泄漏事件,使人们深刻认识到气体监测的必要性。

石油、化工、煤矿、汽车等工业的飞速发展致使大气污染日益严重,酸雨、温室效应和臭氧层的破坏引起了全世界的关注。

机场、车站、比赛场馆爆炸物的探测和危险源的定位对人们生命财产保障起到重要作用。

另外,在飞船，潜艇等密闭环境中,气体监测对保证仓内人员安全具有重要意义。

因此,对人类生存和生产环境中的各种有害的危险气体进行准确的识别和浓度测量是非常重要的。

1.MOS 气体传感器1.1 SnO2 传感器工作原理SnO2 气体传感器是一种表面电阻控制型气敏器件,其结构多为多孔制烧结体,即由很多晶粒集合而成。

许多学者的研究表明,晶粒间通过晶界或颈部沟道彼此相连,因晶粒自身体电阻较低,整个器件的电阻取决于晶界部分电阻(或颈部电阻)。

该模型及等效电路可用图表示,图中 a)为烧结体模型,b)为晶粒集合形式,c)为模型等效电路,图中 Rb 表示体电阻, Rn 表示晶界部分电阻或颈部电阻,由于晶界或颈部电子密度很小,电阻率要比晶粒内部大很多,所以 Rn 决定整个器件的气敏电阻。

气敏材料表面特性非常活泼,很容易吸附气体分子"吸附分为物理吸附和化学吸附两种,物理吸附是靠偶极子、四极子和感应偶极子的库仑力形成的,化学吸附是靠交换电子或共有电子形成的。

在常温下一般是物理吸附,高温下发生物理吸附加化学吸附。

例如,在洁净空气中,将 SnO2 气敏材料加热到一定温度,空气中的氧gas O 2就在气敏材料表面发生化学吸附变成-2O ,-O 以及-2O ,氧发生化学吸附存在如下平衡:式中 S 为可被占据的化学吸附位,α的值可为 1/2,1 和 2,分别代表-2O ,-O 以及 -2O ,s O 2 为在吸附位 S 上化学吸附的氧。

由于对氧发生化学吸附,在多晶半导体晶界处会形成空间电荷层即势垒,该势垒能阻碍电子在电场作用下的漂移运动,自由电子浓度下降引起气敏材料电阻升高。

直接附着式声表面波气体传感器的灵敏度分析

第３２卷第４期　２０１０年８月　压电与声光　

ＰＩＥＺＯＥＬＥＣＴＲＩＣＳ＆ＡＣＯＵＳＴＯＯＰＴＩＣＳ　Ｖｏ１．３２　Ｎｏ．４　

Ａｕｇ．２０１０　

文章编号：１００４—２４７４（２０１Ｏ）０４　０５２４一Ｏ４　

直接附着式声表面波气体传感器的灵敏度分析　刘久玲，李红浪，何世堂　（中国科学院声学研究所，北京１００１９０）　摘要：分析了直接附着式声表面波气体传感器的灵敏度。运用分层介质理论，对压电基底表面附着液膜后　液膜参数变化所引起的频率变化进行分析，给出了相应的计算结果；然后计算了在５００　ＭＨｚ工作频率、考虑液膜　轻度粘滞性时，声表面波气体传感器的检测下限，结果为１ｏ　量级；最后将计算结果与实验结果进行比较并得到验　证。　关键词：气体传感器；声表面波；气相色谱；灵敏度　中图分类号：ＴＮ６５　文献标识码：Ａ　

Ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｎ　Ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ　ｏｆ　Ｓｕｒｆａｃｅ　Ａｃｏｕｓｔｉｃ　Ｗａｖｅ　Ｇａｓ　Ｓｅｎｓｏｒ　ｗｉｔｈ　Ｄｉｒｅｃｔ－Ｃｏｎｄｅｎｓａｔｉｏｎ　Ｍｏｄｅ　

ＬＩＵ　Ｊｉｕｌｉｎｇ，ＬＩ　Ｈｏｎｇｌａｎｇ，ＨＥ　Ｓｈｉｔａｎｇ　（Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ａｃｏｕｓｔｉｃｓ，Ｔｈｅ　Ｃｈｉｎｅｓｅ　Ａｃａｄｅｍｙ　ｏｆ　Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ　１００１　９０，Ｃｈｉｎａ）　Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ　ａｎａｌｙｓｉｓ　ｏｎ　ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ　ｏｆ　ｓｕｒｆａｃｅ　ａｃｏｕｓｔｉｃ　ｗａｖｅ　ｇａｓ　ｓｅｎｓｏｒ　ｗｉｔｈ　ｄｉｒｅｃｔ—ｃｏｎｄｅｎｓａｔｉｏｎ　ｍｏｄｅ　ｗａｓ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ　ｉｎ　ｔｈｉｓ　ｐａｐｅｒ．Ｔｈｅ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｖａｒｉｅｔｙ　ｃａｕｓｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｖａｒｉｅｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｌｉｑｕｉｄ　ｔｈｉｎ　ｌａｙｅｒ　ｃｏｈｅｒｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｓｕｒｆａｃｅ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ　ｓｕｂｓｔｒａｔｅ　ｗａｓ　ａｎａｌｙｚｅｄ　ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｔｈｅｏｒｙ　ｏｆ　ｌａｙｅｒｅｄ　ｍａｔｅｒｉａｌ　ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．Ｔｈｅ　ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ　ｔｈｅｏｒｙ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｒｅｓｕｌｔｓ　ｗｅｒｅ　ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ．Ｔｈｅｎ　ｔｈｅ　ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｓｕｒｆａｃｅ　ａｃｏｕｓｔｉｃ　ｗａｖｅ　ｇａｓ　ｓｅｎｓｏｒ　ｗｉｔｈ　ｄｉｒｅｃｔ—ｃｏｎｄｅｎｓａｔｉｏｎ　ｍｏｄｅ　ｗａｓ　ｃａｌｃｕｌａｔｅｄ　ｔＯ　ｂｅ　ｐｐｂ　ｌｅｖｅｌ　ｏｎ　ｔｈｅ　ｃｏｎｄｉｔｉｏｎ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｗｏｒｋｉｎｇ　ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ｗａｓ　５００　ＭＨｚ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｌｉｑｕｉｄ　ｔｈｉｎ　ｌａｙｅｒ　ｗａｓ　ｃｏｎｓｉｄｅｒｅｄ　ｌｏｗ－ｇｒａｄｅ　ｖｉｓｃｏｓｉｔｙ．Ｔｈｅ　ｔｈｅｏｒｙ　ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ　ｗａｓ　ｖａｌｉｄａｔｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ｒｅｓｕｌｔｓ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｇａｓ　ｓｅｎｓｏｒ；ｓｕｒｆａｃｅ　ａｃｏｕｓｔｉｃ　ｗａｖｅ（ＳＡＷ）；ｇａｓ　ｃｈｒｏｍａｔｏｇｒａｐｈｙ（ＧＣ）；ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ　

SAW技术解析

4.5 声表面波传感器
声表面波传感器是利用声表面波器件为转换元件，将感受到的被测量参数转换成可用于输出信号的传感器。例如，当外界因数（如压力、温度、加速度、气体、化学和生物环境变化等）对声表面波传播特性产生影响时，在声表面波器件的各项参数上就可以反映出来，因此可以利用这种现象制备各种压力、温度、加速度、流量、化学、生物传感器，用于测量和监控各种化学和物理参数。
SAW振荡器的优点：
SAW振荡器能够弥补LC振荡器、晶体振荡器各方面之不足，它具有优良的频率温度性、高纯净频谱和低相位噪声，可靠性高，体积小，质量轻，电磁兼容性好，工作温度范围宽等特点。
由于其独特的优越性，声表面波振荡器在现代电子系统和军事装备应用中已成为一种重要的微波频率源。目前应用于SAW传感器的振荡器大致有两种，一种是延迟线型振荡器另外一种是谐振器型振荡器。延迟线型振荡器由于本身能够提供足够长的延时,设计相对简单。一般SAW气体传感器所采用的是延迟线型振荡器谐振器型振荡器的频率噪声特性优越于延迟线型的振荡器，它具有高质量因子、低损耗、高频率稳定度的特点，被用于液体传感器
4.3声表面波振荡器
振荡器是用来产生重复电子讯号（通常是正弦波或方
波）的电子元件
传统振荡器的不足：
随着现代电子技术和军事装备的发展，电子设备中信号处理的工作频率不断提高，虽然对LC振荡器、晶体振荡器进行多次的频率变换能得到微波频段的信源，但是： 1、在微波频段的LC型信源存在着严重的温度稳定性问题 2、晶体型振荡器在多次的频率变换导致频谱性能恶化，同时在多次的频率变换中使用大量的元器件，使信源器件体积大、成本高、可靠性变差等 3、晶体振荡器难以实现宽的可控频率变化范围和调制频率偏移。

二氧化碳气体传感器研究进展及计量现状

二氧化碳气体传感器的种类很多，各有优缺点。以下介绍了二氧化碳气体传感器的原理，分析其市场应用现状，结合现阶段二氧化碳气体分析仪器的市场应用状况及目前客户的送检情况，关于二氧化碳气体分析仪的计量依据状况发表了自己的看法。１二氧化碳气体传感器的原理
二氧化碳气体传感器主要有以下几种类型：红外吸收型、电化学型、热导型、质量敏感型和半导体型。
０引言二氧化碳是引起温室效应的主要气体，因此引
起了人们的广泛关注，另外，二氧化碳含量过高会对人的生命安全造成威胁。随着科学技术的进步及社会各行业的不断发展，二氧化碳在各领域中的监测越来越重要，ＣＯ２分析仪也被列入了《中华人民共和国强制检定的工作计量器具目录》，这些都促进了二氧化碳气体检测技术的发展。
电化学型二氧化碳气体传感器（尤其是固体电解质二氧化碳气体传感器）的研究一直深受广大国内外科研工作者的关注，基于电化学原理的二氧化碳报警器在市场上很常见，尤其在连续监测二氧化碳浓度方面应用广泛。
虽然关于热导式二氧化碳气体传感器的研究报道非常少，但是热导式二氧化碳分析仪早已商品化，目前市场上也有不少应用。主要用于检测大量程，百分比含量的二氧化碳的浓度。
红外吸收型二氧化碳气体传感器是基于气体的
吸收光谱随物质的不同而存在差异的原理制成的。主要有可调谐二极管激光吸收光谱、光声光谱技术、腔增强光谱技术和非分光红外光谱技术等，其中非分光红外二氧化碳传感器研究的较多。红外吸收型传感器优点很多，灵敏度高、分析速度快、稳定性好等，因此得到了较多研究工作者的关注，着重于改性方面。
ＲｅｓｅａｒｃｈＰｒｏｇｒｅｓｓｏｆＣａｒｂｏｎＤｉｏｘｉｄｅＧａｓＳｅｎｓｏｒａｎｄＥｘｉｓｔｉｎｇＭｅａｓｕｒｅｍｅｎｔＳｉｔｕａｔｉｏｎ

新型抗腐蚀结构声表面波湿度传感器的研究

ＮｎｉｇＵｎｖｒｉ，ａｊｎ１０３ＣｉａａｊｉｅｓｙＮｎｉｇ２０９，ｈｎ；ｎｔ
２ＷｕｉｎｅＥｅｔｏｉｓｃｎｅａｄＴｃｎｌｙＣ．ｔＷｕｉ１１５Ｃｉａ．ｘＱｉｇｌｒｎｃｉｃｎｅｈｏｏｏＬｄ，ｘ２４２，ｈｎ）ｃＳｅｇ
ｉｆｅｔｖｏａｕｒｎｍｉｉｙｓｅｆｃｉｅｆｒｍｅｓｉｇｈｕｄｔ．
Ｋｅｒｓｕａｅａｏｓｃｗｖ（Ａ）ｕｉｉｅｓｒｉｔｄｇａｔｎｄｃｒＩＴ；ｎｉｒｓｎｓｃｙｗｏｄ：ｓｒｃｃｕｔａｅＳＷ；ｈｍｄｔｓｎｏ；ｎｒｉｔｌｒｓｕｅ（Ｄ）ａｔｏｒｉｔ — ｆｉｙｅｉａｃｏｏｒｕ
Ａｂｓｒｃ：ＡｏｅｔｕｃｕｅｏｕｆｃｃｕｓｉｖｕｍｉｔｅｏｓｐｅｓｎｅＡｗｔｃｕｒｓｐｒｓｎｅｔａｔｎｖｌｓｒｔｒｆｓｒａｅａｏｔｃｗａｅｈｄｉｓｎｓｒｉｒｎｅｔｄ．ｎｅｓｒｔｅｉｅｅｔｄｙｕｂａｅｉｒｖｓｄＳＡＷｅｓｎｔｒＴＯｓｕｓｄａｌｃｒｄｅｍａｅｉｌＳｉＮ４ｉｓｄａｒｔｃｉｅｌｙｒｓｔｅｅｎｓｄＯｌｅｉｅｒｏａｏ．Ｉｉｅｓｅｅｔｏｔｒａ，３ｓｕｅｓｐｏｅｔｖａｅｐｕｔｒｄｏ
Ｉｎｅｅｔｒ，ｎｉｍｉｅｉｓｄａｅｓｉｅｍａｅｉｌｓｉｏｔｄｂｔｅＤＴａｄｒｆｃｏ．ｌｔｎｈｐＤＴａｄｒｆｃｏｓａｄｐｌｄｓｕｅｓｓｎｉｖｔｒａｐｎｃａｅｅｗｅｎＩｎｅｅｔｒＲｅａｉｓｉｌｙｔｌｏｂｔｅｎｒｌｔｅｈｍｉｉｎｒｑｅｃｈｆｏｓｉａｏｉｅ．ｈｘｅｍｅｔｈｗｔａｈｏｅｔｕｔｒｅｗｅｅａｉｕｄｔａｄｆｅｕｎｙｓｉｆｏｃｌｔｒｉｇｖｎＴｅｅｐｒｎｓｓｏｈｔｔｅｎｖｌｓｒｃｕｅｖｙｔｌｓｉ

{技术管理套表}声表面波技术

❖ electronic ID ❖ Smart Tire ❖ Exhaust-gas ❖ detection
Electronic ID
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
SAW
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
Concept: IDT
外加电压吸声材料
接收端
接地电极压电基体
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。
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。
8.4 声表面波传感器技术
工作原理：
利用外界物理量（如温度、压力等）的变化引起声表面波的传播特性发生变化的原理来敏感被测量。
结构型式
SAW传感器一般采用振荡器电路形式，其中SAW振荡器是传感器的核心。SAW传感器的基本工作原理就是利用了SAW振荡器这一频控元件受各种物理、化学和生物量的作用而引起振荡频率的变化，通过精确测量振荡频率的变化，从而实现检测上述物理量及化学量变化的目的。
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。

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

气体传感器原理

气体传感器原理分析气体传感器选择及其分类气体传感器是气体检测系统的核心，通常安装在探测头内。

从本质上讲，气体传感器是一种将某种气体体积分数转化成对应电信号的转换器。

探测头通过气体传感器对气体样品进行调理，通常包括滤除杂质和干扰气体、干燥或制冷处理、样品抽吸，甚至对样品进行化学处理，以便化学传感器进行更快速的测量。

气体的采样方法直接影响传感器的响应时间。

目前，气体的采样方式主要是通过简单扩散法，或是将气体吸入检测器。

（简单扩散是利用气体自然向四处传播的特性。

目标气体穿过探头内的传感器，产生一个正比于气体体积分数的信号。

由于扩散过程渐趋减慢，所以扩散法需要探头的位置非常接近于测量点。

扩散法的一个优点是将气体样本直接引入传感器而无需物理和化学变换。

样品吸入式探头通常用于采样位置接近处理仪器或排气管道。

这种技术可以为传感器提供一种速度可控的稳定气流，所以在气流大小和流速经常变化的情况下，这种方法较值得推荐。

将测量点的气体样本引到测量探头可能经过一段距离，距离的长短主要是根据传感器的设计，但采样线较长会加大测量滞后时间，该时间是采样线长度和气体从泄漏点到传感器之间流动速度的函数。

对于某种目标气体和汽化物，如SiH4以及大多数生物溶剂，气体和汽化物样品量可能会因为其吸附作用甚至凝结在采样管壁上而减少。

）根据测量对象与测量环境确定传感器的类型。

要进行—个具体的测量工作，首先要考虑采用何种原理的传感器，这需要分析多方面的因素之后才能确定。

因为，即使是测量同一物理量，也有多种原理的传感器可供选用，哪一种原理的传感器更为合适，则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以下一些具体问题：量程的大小；被测位置对传感器体积的要求；测量方式为接触式还是非接触式；信号的引出方法，有线或是非接触测量；传感器的来源，国产还是进口，价格能否承受，还是自行研制。

在考虑上述问题之后就能确定选用何种类型的传感器，然后再考虑传感器的具体性能指标。

超声波传感器的应用及技术原理介绍

超声波传感器的应用及技术原理介绍超声波传感器是一种重要的传感器，被广泛应用于测距、检测障碍、测流等领域。

本文将介绍超声波传感器的应用及技术原理。

一、超声波传感器的基本原理超声波传感器利用声波在介质中的传播特性，通过发射超声波并接收反射回来的波来实现对目标的探测和测量。

它的基本结构包括超声波发射器、接收器和信号处理电路。

超声波发射器产生高频声波，经过透镜聚焦，形成一个声波束，照射到目标上。

目标表面会反射一部分声能，这些反射声波被接收器接收，并转化为电信号。

信号处理电路将接收到的信号进行放大、滤波、数字化等操作，最终输出距离、速度、流量等物理量。

二、超声波传感器的应用1. 距离测量超声波传感器可以测量距离，特别是在避障、机器人导航等领域得到了广泛应用。

通过计算发射和接收时间差，可以估算目标距离，实现精确的距离测量。

2. 检测障碍超声波传感器也常用于检测障碍。

在汽车中应用，可以实现自动泊车、避免碰撞等功能。

在工业生产中，可以用于控制机器人、机械手臂等设备避开障碍物，提高生产效率。

3. 测流超声波传感器还可应用于测流量，适用于液体和气体的流量测量。

它不会对被测介质产生压力和阻力，而且不受温度、粘度等因素的影响。

因此，被广泛应用于化工、水利、能源等行业。

三、超声波传感器的技术原理1. 超声波的传播特性超声波传感器利用的是声波在介质中的传播特性。

声波在介质中传播的速度和密度有关，通常情况下，介质密度越大，声波传播速度越快。

因此，在水中传播的声波速度显著高于空气中的声波速度。

2. 聚焦技术聚焦是超声波传感器技术的重要组成部分，它能够将声波束集中在一个小区域内，提高能量密度，增加返回信号的强度。

可以通过聚焦透镜、聚焦阵列等方式实现，这些聚焦元器件能够控制声波的传播方向和形状，提高信号的质量和可靠性。

3. 多普勒效应在测量物体速度时，超声波信号被发射向物体，并反弹回来，测量时间差就可以估算物体移动的距离和速度。

为了进一步提高速度测量的精度，可以利用多普勒效应，通过检测回波频率的变化来计算物体的速度。

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)。

《波传感器》PPT课件

一般来说，水声观测设备主要由两部分组成，一是电子设备——产生、放大、接收和指示电信号的部分，它具体包括发射机、接收机、指示器等；二是水声换能器——它的作用是完成电声信号的转换。下图是几种常用的水声设备的作用示意图。
精选ppt
16
(a)被动式声呐
(b)主动式声呐
几种水声设备精选的pp工t 作示意图
数，再乘以20, 单位为分贝(dB)，即
P
Lp
20lg Pref
(dB)
式中，参考声压Pref=2×10-5 Pa，为1kHz量的声强I与参考声强Iref比值取常用对数，再乘以10，单位为分贝(dB)，即
LI
10 lg
I I ref
精选ppt
7
③声功率级(LW) 声功率级是指测量的声功率W与参考功率Wref的比值取
SAWR由一对叉指换能器及金属栅条式反射器构成，如图所示
一对叉指换一能对器
反射栅条
反射栅条
精选ppt
SAWR基本结构
23
9.2.3 声表面波传感器的应用 1. SAW压力传感器
SAW压力传感器通常采用周边固定的石英膜片为敏感元件。由于敏感膜片受到的压力与该作用力引起的SAW振荡器输出频率的变化具有对应关系，因此通过测量SAW的输出频率偏移，即可得知压力的大小。下面是SAW压力传感器结构原理图。
超声波传感器是检测伴随超声波传播的声压或介质形变的装置。利用压电效应、电应变效应、磁应变效应、光弹性效应等应变与其它物理特性相互作用的方法，或用电磁的、静电的或光学的手段等可检测由声压作用产生的振动。超声检测技术的基本原理通常是利用某种待测的非声量(如密度、浓度、强度、弹性、硬度、粘度、温度、流量、液面、厚度、缺陷等)与某些描述媒质声学特性的超声量(如声速、衰减、声阻抗等)之间存在着的直接或间接关系，在探索到这些关系的规律之后就可通过超声量的测定来测出那些待测的非声量。

超声波传感器的工作原理

超声波传感器的工作原理超声波传感器是一种常见的用于测距、测量和检测的设备。

它利用超声波在空气或其他介质中传播的特性，在工业、医疗、汽车等领域被广泛应用。

本文将重点介绍超声波传感器的工作原理，从声波的发射到接收，以及其中的关键技术。

一、超声波的发射原理超声波传感器通过发射超声波来实现测距和测量。

在发射过程中，超声波传感器内部的声发射器会产生高频声波，一般频率在20kHz到200kHz之间。

这些声波会在传感器的开口处发射出去，形成一束脉冲式的超声波。

二、超声波的传播和反射一旦超声波从传感器发射出来，它会在空气或其他介质中传播。

超声波在传播过程中会遇到障碍物，如墙壁、物体等，部分声波将会被反射回来。

三、超声波的接收原理超声波传感器需要能够接收被反射回来的声波来实现测量和检测。

在传感器内部，有一个声接收器用来接收反射回来的超声波。

这个声接收器能够将声波转换为电信号，供后续的电路进行处理和分析。

四、超声波传感器的关键技术为了保证超声波传感器的准确性和可靠性，在设计和制造过程中需要考虑以下几个关键技术：1. 发射和接收的时间控制：超声波的发射和接收时间需要严格控制，以计算出测量物体与传感器之间的距离。

通常使用的方法是通过控制发射超声波的脉冲宽度和接收声波的时间延迟来实现。

2. 脉冲回波的处理：当超声波发射后，接收到的回波信号可能会受到干扰和噪声的影响。

为了准确地分析回波信号，需要对信号进行滤波、放大和去噪等处理。

3. 传感器的灵敏度和分辨率：超声波传感器的灵敏度和分辨率是衡量其性能的关键指标。

传感器的灵敏度决定了它能够探测到多远的物体，而分辨率则表示传感器能够分辨出两个相邻物体之间的距离差异。

4. 多路径干扰的抑制：在复杂环境中，超声波的传播路径可能会受到多种干扰，如多次反射、散射等。

为了提高测量的准确性，需要设计抑制多路径干扰的算法和技术。

五、超声波传感器的应用领域超声波传感器广泛应用于各个领域，包括但不限于以下几个方面：1. 距离测量和障碍物检测：超声波传感器可以用来测量物体与传感器之间的距离，并且可以检测物体是否存在，例如用于智能停车系统、工业机器人等。

气体传感器综述论文PPT课件

2.4.2红外线气体传感器的基本机构
由光学部件和测量电路构成，测量电路的结构由光学部件及系统功能决定
红外辐射光源
使用广谱光源光谱覆盖波长从1μm到15～
20μm
பைடு நூலகம்气室
抽取式测量的红外仪器需要气室
红外检测器
用于检测通过气室的红外光能
2.4.3红外线气体传感器的发展
在线红外气体分析器常用的有五种类型：薄膜微音红外气体分析器，微流量红外气体分析器；气体滤波相关红外气体分析器，半导体红外气体分析器，傅立叶红外气体分析器。
•优点：这种传感器成本低廉，具有快速、简便等优点。并且适宜于民用气体检测的需求。 •缺点：这些氧化物半导体的纯相是光谱性敏感材料，具有灵敏度低、选择性不好、稳定性较差、且有的电阻大等缺点，同时受环境影响较大；尤其，每一种传感器的选择性都不是唯一的，输出参数也不能确定。因此，不宜应用于计量准确要求的场所。
现在各国研究主要针对的是有毒性气体和可燃烧性气体，研究的主要方向是如何提高传感器的敏感度和工作性能、恶劣环境中的工作时间以及降低成本和智能化等。
2气体传感器的分类及常用传感器的工作原理
气体传感器主要有半导体传感器（电阻型和非电阻型）、绝缘体传感器（接触燃烧式和电容式）、电化学式（恒电位电解式、伽伐尼电池式），还有红外吸收型、石英振荡型、光纤型、热传导型、声表面波型、气体色谱法等。
因此，随着人们对电化学传感器的进一步研究和深入发展，电化学气体传感器研究将向如下方向发展：高灵敏度、高稳定性、长使用寿命、便携式、微型化、智能化。可以断言，电化学传感器的明天必将海阔天空。
2.6光纤气体传感器
2.6.1光纤气体传感器的背景
光纤气体传感器是80年代后期出现的一种新型传感器。经过二十多年的发展，它己应用在社会生活的许多方面：工业气体在线监测、有害气体分析、环境空气质量监测和爆炸气体检测以及对火山喷发气体的分析[28-32]。工业上的需要和人们对环境的关注使得光纤气体传感器的发展非常迅速。有资料表明，美国1996年一2002年光纤气体传感器年均增长率为27%-30%，而我国对光纤传感器的市场需求也很大。

基于多条耦合器的双声路声表面波气体传感器

ｐｅｓｄｎａｄｔｎｈｕｐｔｎｅｄｇａｔｎｄｃｒ（Ｄ）ｉｄａｔｃＡｗｖｌｔａｅｓｒｂｓｄｏＣｒｓ．Ｉｄｉｏ，ｔｏｔｕｔｉｔａｓｕｅＩＴｎｕｌｒｋＳＷａｅｓｓｎｏａｅｎＭＳｅｉｅｉｒｉｌｒａｅｇｉａｏｉｄｂａｅｔｕｃｉ，ＯｔｅｓｅｌｄｅｃｉｅｔａａｏＡｓｎｏｓｉｎｏＤ．ＡｓｐｄｚｙｗｖｌｎｔｎＳｉｅｒｅｔｎｉｂｔｒｈｎｔｔｆＷｅｓｒｗｔｕｉｒＩＴｎｅｅｆｏｈｄｏｊｏｓｅｔｈＳｈｆｍ
ｓｒｃｃｕｔａｅ（ＡｕｆｅａｏｓｃｖＳＷ）ｄｖｅａｏｅｄａｔｃＡｇｓｅｓｒａｅｎｍｈｓｉｃｕｌ（Ｃｓｒ－ａｉｗｅｉ，ｖｌｕｌｒｋＳＷａｎｏｓｄｏｕｉｒｏｐｅＭＳ）ｉｐｏｃｎａｓｂｔｐｒ
指长、等周期的均匀换能器相比提高了对频率响应曲线中旁瓣的抑制效果。中心频率为１１７４ＭＨＯ气体传感器的实现０．６ｚ，Ｓ和测量结果表明，该气体传感器在测量范围内，对各种浓度的ｓ，０气体具有好的响应特性：传感器在０５Ｘ１到２浓．００Ｘ１０度范嗣内，０气体浓度与输ｆ频率参量信号之间具有比较理想的线性特性，ｓ，ｌＩ测量的灵敏度约为６５ｋｚｌ．Ｈ／Ｏ～。关键词：声表面波器件；多条耦合器；气体传感器；小波；体声波
声表面波气体传感器结构。由于该传感器中的双声路结构关于输入小波换能器左右对称，且具有相同的设计参数，以该传感所器可以消除由于外界测量条件改变而引起的扰动量。同时，由于将具有体声波抑制功能的多条耦合器应用到传感器中，以能所

声表面波气体传感器的检测优化设计

中的一个感抗元件，回路产生振荡，时检测输出频率和幅度的变化，以往单一检测频率的变化，高了检测使同比提精度。采用基底为ＳＴ切石英延迟线型结构，上金属氧化物，试了对二氧化氮的敏感特性。由于气体和氧化物镀测的相互作用，出频率和幅度均下降。当把测试箱打开放出气体，率很快恢复到初始频率点，幅度基本保持平输频而
ｔｅｆｒｒｍｅｈｄｏｉｌｅｅｔｇｔｅｆｅｕｎｙｈｅｅｔｎｒｃｓｎｈｓｂｅｈｏｍｅｔｏｆｓｍｐｙｄｔｃｉｈｒｑｅｃ，ｔｅｄｔｃｉｇｐｅｉｉａｅｎｉｒｖｄｂｓｎｈｔｏｎｏｍｐｏｅｙｕｉｇｔｅｍｅｈｄ
ｑｎｙａｕｅｃｎｄａｍｐｌｔｅｈａｅｂｅｎｄｃｅｓｄｂｃｕｅｏｆｔｎｅａｃｉｅｔｅｎｔｅｇａｎｄｈｅｏｘｄ．Ｗｈｅｈｅｇａｉｕｄｖｅｅｒａｅｅａｓｈｅｉｔｒｔｏｎｂｗｅｈｓａｔｉｅｎｔｓｗａｅ．ｔ，ｔｒｑｎｙｑｃｌｅｕｎｄｔｈｅｉｔａａｕｎｄｔｍｐｉｕｄｐｔｂｌ．ｓｌｔｏｕｈｅｆｅｕｅｃｕｉｋｙｒｔｒｅＯｔｎｉｉｌｖｌｅａｈｅａｌｔｅｋｅｔｓａｅ
ＬＩＳｕｏｇ～，ＺＨＡＯｄ。ｈｈｎＱｉａ，ＬＩＡＯｉｉｇ，ＴＡＮｈａｇＪｐｎＩＳｕｎ。

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http://www.paper.edu.cn 声表面波气体传感器的原理及研究进展1薛力芳，刘建国，黄烨，刘爽英，赵启大，刘丽辉，董孝义（南开大学现代光学研究所天津 300071）摘要：简要叙述了声表面波（SAW）气体传感器的传感原理和研究进展，详细阐述了声表面波气体传感器阵列的新型结构及其主要功能，为实现集成化，多参量测量和高灵敏度SAW气体传感器的优化结构设计提供了参考依据。关键词：声表面波气体传感器

1 引言声表面波(SAW)传感器的研究起源于70年代，当时人们在研究SAW电子器件的时候发现表面沉积物、应力、温度、电场、磁场等外界因素均会对器件的特性产生较大的影响，这些影响是电子器件所不希望的，然而却十分适用于传感器的研究。由于这种传感器具有高精度、高灵敏度、高分辨率、抗电磁干扰能力强，不需要模/数转换，敏感器件采用半导体平面工艺制作，易于集成及大规模生产等优点，30多年来，以SAW延迟线或谐振器作为核心敏感组件的SAW传感器技术得到了很大发展。到目前为止，人们不但已经研制了温度[1][2]、

压力[3]、质量传感器[4]。特别是在气体传感器方面已经取得了可喜的科研成果[5][6]。本文概述了近些年SAW气体传感器的研究进展，对一些新型的SAW气体传感器结构设计做了详细的介绍，从而为SAW气体传感器优化设计提供了参考依据。

2 声表面波气体传感器的原理声表面波(SAW)气体传感器的基本结构如图1所示，在以压电材料为衬底的表面上，一端为输入叉指换能器（IDT1），另一端为输出叉指换能器（IDT2），两者之间的区域淀积了针对特定气体敏感的薄膜。此薄膜与被测气体发生相互作用，导致界面膜的物理性质发生变化，从而改变了SAW的速度或频率，因此通过测量声波的频率偏移或相位延迟可以反演得到气体的种类、浓度等待测量。下面以测量声波的频率偏移为例来说明声表面波气体传感器原理[7]。

1资助项目：教育部博士点基金（批准号：20020055036）、国家自然科学基金项目（批准号：69977006）和

天津市自然科学基金重点资助项目（批准号：013800511）

- 1 - http://www.paper.edu.cn 图1 SAW器件的基本结构 SAW气体传感器提供的信号可用下面关系式表达：

22000

012301200()(42R2)ffhkkkfhkkvµλµρλµ+=++−+

+󰀀

（1）

式中f∆：覆盖层由于吸附气体而引起的SAW频移的大小；：压电基片材料常数；

123

,,kkk

0f：SAW振荡器未受扰动时的振荡频率；h：薄膜厚度；ρ：薄膜材料密度；0µ：薄膜

材料剪切模量；0λ：薄膜拉曼常数；：为受扰动时SAW相速。 R

由（1）式可知，传感器响应f∆主要取决于薄膜密度ρ的变化。应当指出，（1）式只

适用于非常薄的膜（膜厚小于波长的0.2％），对于较厚的膜，（1）式只能给出信号幅度的估计值。当采用有机膜时，由于其剪切模量0µ非常小，此式中第二项可以忽略，此时 2012(3)ffhkkkρ=++󰀀

（2）

当薄膜采用导电材料或金属氧化物半导体材料时，由于薄膜的电导率随所吸附气体的浓度而变，引起SAW波速漂移和衰减，从而振荡频率发生变化。在这种情况下，SAW气体传感器的输出响应可以用下面的关系式表达：

222

002222

hvC

σ=−+󰀀

(3)

式中k：电耦系数；sC：薄膜材料常数；0σ：薄膜电导率。由（3）式可得，当采用导电膜或金属氧化物半导体膜时，膜层电导率的变化是SAW气体传感器响应的主要贡献。 3 声表面波气体传感器的基本结构 3.1 单通道SAW气体传感器的基本结构单通道SAW气体传感器具有延迟线型和谐振型两种类型[8]，如图2、3所示。

- 2 - http://www.paper.edu.cn 图2 延迟线型SAW气体传感器图3 谐振型SAW气体传感器 Yu.V. Gulyaev[9]在实验中采用的窄波导的形式用以提高灵敏性，如图4所示。在实验中使用的基底为1280Y切割的LiNbO3，其体积为12×5×0.25mm3，输入和输出IDT都有30对指，周期为8 mµ，两个IDT之间的距离为6.5mm，25 mµ宽0.5mm长的声波导两端与两

个喇叭形的集合器相连放在两个IDT之间，两个提供电压的铝电极放在声波导的两侧，间距为30mµ，工作频率在486MHz附近，整个器件不涂覆任何敏感膜，为消除环境温度的影响，

此传感器必须放入温控箱中。在不改变电压值的情况下，不同种类的气体相位延迟不同，因此只要分析声波传过波导后相位的延迟就可以判断气体的种类。可以通过调节加在传感器上的电压来提高器件的灵敏性。Yu.V. Gulyaev等已在实验中有效的分辨了甲醇、乙醇、丙酮、丙酮-2，实验在120C时相位延迟不低于0.1度。这种结构可用于现代气体分析系统，例如电

子鼻等。

图4 SAW传感器示意图 3.2 双通道SAW气体传感器的基本结构为了补偿温度、湿度、压力等环境因素，在实际应用中，SAW气体传感器可以使用双通路结构[8]，如图5所示。在双通道ＳＡＷ延迟线型或振荡器型传感器结构中,一个通道的SAW传播路径被气敏薄膜覆盖用于测量,另一通道未覆盖薄膜而用于参考。两个振荡器的频率经差频输出，从而得到了对环境因素补偿后的频移响应。

- 3 - http://www.paper.edu.cn 图5 双通道SAW气体传感器 3.3 声表面波气体传感器阵列在传感阵列中，一种是在晶片基底上同方向传输，只是在各路途径上改变传播条件；另一种是利用SAW在单个的各向异性晶体上沿不同方向传输得到一种气体的浓度或湿度，这种方法可有效地控制灵敏性。图6为Tooru Nomura于2002年设计的边缘反射式声表面波传感器阵列[10]，实验中使用

的基底为36oYXLiTaO3，传输的表面波模式为HS模，中心频率为40MHz。实验中的三个阵列分别为：表面是开路的条件下会产生掠过表面的体波，并产生干涉；表面是短路时输出的电特性不能作为传感使用；只有使用表面是周期地剥离金属得到的金属栅格的通路可作为传感。声表面波两次通过传输表面，其传输长度是单向的两倍，有利于提高灵敏度，并使仪器小型化。实验证实通过测量反射波的相移特性，反射型SAW传感器对气体和液体的传感是有效的。

图6 边缘反射型SAW传感器 Vladimir I.[11]等人设计了另外一种新型气体湿度传感器结构，实验装置如图7所示。

薄膜是由Pd和Ni合金组成，由于Pd和Ni的沸点相近（2940和2900），实验中，是通过

对0.9999度纯的Pd和Ni在10C°C°-7帕的压强下加热蒸发得到。在ST切割的石英表面有四个不同的传播方向：x轴方向（d线）；距x轴＋60o和－50o方向（分别是b线和a线）；和与x轴垂直的方向（c线）。在c线方向的叉指换能器上加电磁场，以形成剪切横波，这样，可避免生成体- 4 - http://www.paper.edu.cn 波，其它三个方向都产生声表面波。声表面波的频率在40到180MHz之间。被测气体与膜作用，即改变了膜的密度，又改变了膜的弹性系数。此传感器的敏感性可通过选择基片材料和方向（切割方向和传输方向）来控制，目前商业上探测湿度的准确性大约在10％左右，而这种声表面波法的准确性可达0.5％。

图7 气体传感器阵列示意图 4 结束语本文简要叙述了声表面波（SAW）气体传感器的传感原理和研究进展，详细阐述了近些年为改善SAW气体传感器的功能而出现的新型结构。为实现SAW气体传感器优化结构设计提供了参考依据。声表面波气体传感器具有非常广泛的应用前景，SAW气体传感器正朝着便携式，多参数测量[12]和高灵敏度的趋向发展。

参考文献 1、刘双临，李平，文玉梅，无源声表面波谐振器的无线温度传感系统，传感器技术，2002 21（4）：22～27 2、 R.G.Kryshtal, A.V.medved, New surface acoustic wave gas sensor of the mass-sensitive to the thermal properties of gases. IEEE, 2002(2):372~375. 3、何鹏举，陈明，马戎、许海岗，声表面波压力传感器温度误差及补偿方法研究，传感技术学报，2003（4）471～474 4、章安良、朱大中，Y型双声路声表面波质量传感其极其测量系统，压电与声光，2003 25（6）：445～448

- 5 - http://www.paper.edu.cn 5、 G. Fischerauer, F. Dickert, P.Forth, et al, Chemical sensors based on saw resonators working at up to 1 GHz. IEEE 1996(1)439~442. 6、 Toyosaka Moriizumi, Atsushi Saitou, et al, Multi-channel saw chemical sensor using 90MHz saw resonator and partial casting molecular films. IEEE, 1994 499~502. 7、陈明范东远，《声表面波传感器》，西北工业大学出版社，1997 8、陈荣忠陈莉，声表面波气体传感器的理论分析传感器技术，1997 16(3):27~30。 9、 Yu. V. Gulyaev, R. G. Kryshtal, et al, Gas sensors based on saw narrow aperture devices.IEEE 2000(5):441~444. 10、Tooru Nomura, Atsushi Saitoh, and Tooru Miyazaki, Gas sensor using complete reflection at free edge of SH-SAW. Ferroeletrics, 2002, Vol. 273, 113~118. 11、Vladimir I. Anisimkin, Member, et al, New capabilities for optimizing saw gas sensors. IEEE, 2001 vol 48 No 5, 1413~1418. 12、 K. Hohkawa, K. Komine, et al, SAW chemical sensors using multiple parameters in decision pricess. IEEE, 1997(8):441~444.