（生物医学工程专业论文）声表面波液相传感器的系统设计与应用.pdf

a b s t r a c l s u r f h c ea c o u s t i cw a v e ( s a w ) s e n s o r i san e w l y d e v e l o p e ds e n s o r w h i c ho f f e r sag r e a t a d v a n t a g eo fr a p i d ，s e n s i t i v e ，r e a l t i m ed e t e c t i o nw i t h o u th i g hc o s t i t i sw i d e l yu s e d i ne n v i r o l m m n t a ls u r v e i l l a n c e ，c h e m i c a lp r o c e s sc o n t r o la n dc l i n i c a n a l y s i s t h i s d i s s e r t a t i o nr e p o r t e do nt h ed e v e l o p m e n to fs a ws e n s o ra n dd e v e l o p e da3 6 。- y x l i t a 0 3s h e a h o r i z o n t a ls u r f a c ea c o u s t i c w a v e ( s h s a w ) l i q u i dd e t e c t i n g s e n s o r s y s t e mb a s e do nm o n o c r y s t a l l i n es i l i c o ns u b s t r a t e ，w h i c hh a sa l r e a d ys u c c e s s f u l l y a p p l i e di nr e a l - t i m e a u t o m a t e ds u r v e i l l a n c eo f h e a wm e t a li o ni ns e aw a t e z m o d e mm i c r o e l e c t r o n i ca n di n s t r m n e n t a if a b r i c a t i o nt e c h n i q u ei su s e di nt h ew h o l e d e t e c t i n gs y s t e m ，w h i c hc o n t a i n st h eh i g hf r e q u e n c yd e t e c t i n gc i r c u i t ，d s pm i c r o p r o c e s s o ra n dc o n t i n u o u s f l o wi n j e c t i o n i t o m i ca b s o r p t i o ns y s t e m t h i sd e t e c t i n g s y s t e m i s d e s i g n e d t ob e s e n s i t i v e ，s t a b l e ，r e p e a t a b l e ，c o n v e n i e n t ，w i t h s m a l l v o l u m e ( 3 0 x 2 0 x 2 0 c m 3 ) a n dg o o da n t i i n t e r f e r e n c et e c h n i q u e i ti ss p e c i a l l yd e s i g n e d f o rr e a l t i m el i q u i de l e c t r o c h e m i c a ld e t e c t i o n a f t e rt h es u r f a c ei sp l a e dw i t ha na ul a y e rt o g e t h e rw i t hp r o t a i nai m m o b i l i z a t i o n t e c h n i q u e 0 nt h es u r f a c e ，t h es e n s o rc a l la l s ob eu s e di ni m m u n ed e t e c t i o n k e yw o r d s ：s h - s a w ；l i q u i dd e t e c t i o n ；i m m u n o a s s a y i l 第一章绪论 1 1 液相检测手段概述 目前，借助仪器分析的手段剥液体某些参数进行分析的仪器主要有光学分析 仪器、高效液相色谱仪器、质谱仪等。这些仪器的分析方法般需较长的分析时 r h j 并需烦琐复杂的分析过程。此外，由于它们一般体积较大、使用条件苛刻使得 它们适合在实验室内进行而不适合于测试现场使用。目6 u 能够在现场直接进行液 相成份分析的传感器主要有离子选择性电极( i s e ) 化学传感器，然而，测量电极 电位和电流的方法在使用中存在的问题是：1 ) 普通电极形式的传感器体积较大； 2 ) 测量直流弱电压( 或电流) 信号增加了测量系统的难度，测量结果易受电气 干扰；3 ) 普通电极形式的传感器不易稳定( 或达到稳定需较长时间) 且重复性 存在较多的问题 1 】。因此，一种能实时在线检测溶液中某种特性参数的分析仪 器的研发在环境监测和工业生产等众多场合有着广泛的应用前景。 1 2 压电免疫生物传感器概述 压电免疫生物传感器属于压电生物传感器的一种。这种利用压电晶体对表面 电极区附着质量的敏感性，并结合生物功能分子( 如抗原和抗体) 之间的选择特异 性进行工作的压电晶体生物传感器，具有灵敏高、选择性好、响应速度快以及实 时动态检测等优点。 1 9 7 2 年，s h o n s 等人利用其结合蛋白质的特点率先在石英晶体表面涂了一层 塑料薄层，将牛血清蛋白结合到晶体表面，研制出第一台压电免疫传感器，用以 测定牛血清蛋白抗体的含量 2 。随着研究的深入，压电免疫传感器己成为生物 传感器领域中的一个研究热点，从体波装置液相免疫传感器( b a w ) 到声表面波免 疫传感器( s a w ) ，近几年又出现了乐甫波( l a w ) 免疫传感器以及板波免疫传感器 ( p a wo ra p m ) ，检测极限己达p g 量级，灵敏度高达i n g h z 3 免疫生物传感器 克服了酶联免疫分析法( e l 工s a ) 、放射免疫分析法( r i a ) ，荧光免疫分析法( f i a ) 等免疫检测方法费时、昂贵、标记及操作复杂等缺点，具有极广泛的发展前景及 重大的应用价值，但是目前的免疫传感器普遍的缺点是寿命短，重复性不高，离 l 一一 真j 下的临床应用还有差距。这也是目日i 研究的重点所存。 1 - 2 论文总体框架 1 - 2 1 研究目的 本课题设计了一种声表面波液相传感器检测系统，实现液相在线检测和分 析，并且通过生物膜技术应用于生物免疫检测。 1 - 2 2 论文框架 本文第一章介绍了本课题涉及领域的研究现状并解释了本课题的研究目的； 第二章详细介绍了s a w 传感器的原理和目前的发展状况；第三章介绍了s a w 液相传感器的设计和制作；第四章对本课题所涉及到的其他技术，生物免疫检测 技术、敏感膜材料做简单的描述：第五章讲述了检测系统的设计和实现，包括数 字电路、模拟电路和软件三个部分；第六章是实验结果和分折部分，传感器和检 测系统特性实验，如稳定性，可重复性等；第七章是对本课题的总结以及工作展 望。 参考文献 j 肌c k e y d j ，z i r i o n a ，c o m m e n t so nt r a c em e t a ls p e c i a t i o ni ns e a w a ， e ro rd o ”o n i o n s ”g r o wi nt h es e a ，a n a l y t i c a lc h i m i c a la c t a j ，( 1 9 9 4 ) 2 8 4 ：6 3 5 6 4 7 2 ，s h o n s ，a ，d o r m a nf ，n a j a r i a nj v a r i a b l e sir l t h eq u a n t i t a t i o no ft h em i x e d l e u c o c y t er e s p o n s eb yt r i t i a t e dt h y m i d i t i eu p t a k e j b i o m e d m a t e r r e s ， 6 ( 6 ) ，1 9 7 2 ：5 6 5 5 7 0 3 m i c h a d d w ，d a n i e la b ，i n s i t ui n t e r f a c i a lm a s s d e t e c t i o nw i t h p ie z o e l e c t r i ct r a n s d u c e r s j s c i e n c e ，1 9 9 0 ，2 4 9 ：1 0 0 0 1 0 0 7 第二章s a w 传感器的原理和发展 声表面波是沿着弹性固体表面传播的弹性波。声表面波技术是集声学、光学、 电子学和半导体平面工艺相结合的一门新兴边缘学科。随着半导体上艺的提高， 萁应用领域不断扩大，从卫星通讯、雷达制导到移动通信等，声表面波器件都得 到了广泛的应用。 将声表面波技术应用于传感器领域是从上世纪八十年代开始的，由于对固体 中声波的特性不断深入的了解，人们开始发现s a w 器件表面特性改变和声波波 速以及能量之间的关系，并于1 9 7 9 年首次报道了s a w 化学探测器研究。作为一 种新型的固态传感器件，它对电、热、力、声光、化学及生物等各种，因素敏感， 同时s a w 传感器还具有高精度、高灵敏度、高分辨率，易于数字显示和直接与 微机接口，且能实行遥测和遥控的特点 1 】。近1 0 年来，s a w 传感器的研究得到 了充分的发展，并且成功的应用到涉及物理、化学、生物等各方面。 电 i d t ) 豳2 - 1典型的_ 出表面波器件结构 本章的目的在于对s a w 器件( 主要是s a w 传感器) 的发展和目前的现状做 一个总体的描述，并且着重介绍了制作声表面波器件的两大要素：叉指换能器 ( i d t ) 和压电基底材料。本章包括s a w 器件的原理，叉指换能器，基底材料，s a w 传感器的发展和现状几部分。 2 - 1s a w 器件的原理以及设计要素 固体中的粒子受到外界应力( 剪切力和压缩力) 的作用下发生弹性振动，振 l 鳓 塑垫! ：兰塑1 堂些鲨兰 、矽 动以声波的形式在固体表面或体内传播。由于压电效应的存在，可以利用金属换 能器把电信号转换为相应( 幅度和频率) 的声波信号，然后利用逆压电效应把声 波利用接收换能器重新转换为电信号。由于电磁波波速是同频率声波波速的1 0 倍，因此就可以实现剥电磁波传输的时间延迟；声波的激励是通过金属换能器获 得的，所以可以通过改变会属换能器结构来改变声波的频率响应特性( 如变逊法、 各种栅结构等) ，从而实现如卷积、滤波、小波变换等信号处理的功能：声波是 在固体表面传播的，容易受到外界干扰的影响，这就是s a w 传感器的基础。 因此，声表面波器件的研究主要就集中在声波激励、各种改变声波特性的结 构( 如会属换能器、金属栅、导波层等) 和压电材料两个方面。因此，下面将介 绍声表面波技术的两大要素：又指换能器和压电基底材料。 2 - 2 叉指换能器与i d t 模型 叉指换能器( i n t e r d i g i t a lt r a n s d u c e r s ，i d t ) 的主要功能是激励s a w ，在i d t 发明之前，也有一些也有一些激励表面波的方法，例如楔形换能器、梳状换能器 等。但由于它们不是变换效率低就是得不到很高频率的s a w 而被淘汰。此外也 还有用模式转换的方法将体波转换成表面波。但这些方法也因效率低且波式不纯 而难以实用。到目前为止，只有i d t 是唯一实用的换能器。 2 - 2 1i d t 基本原理 图2 - 1 中的叉指换能器广泛应用于s a w 的激励和检测，它的每一周期是由 周期性排列并与总线交替连接的多根电极( 又叫指条) 构成的。图2 1 ( a ) 中， i d t 每一周期p i 包括两根指条，称为单电极叉指换能器或单指又指换能器。罔 2 一l ( b ) 中，i d t 每一周期包括四根指条，称为取电极叉指换能器或分裂指又指 换能器。方向相反的两根指条称为一对叉指。 单电极叉指换能器结构简单，指条相对较宽( 。x 4 ) ，对光刻精度的要求 比较低，因此得到广泛的应用。对机械波反射，单电极叉指换能器楣当于周期为 p = p i 2 的栅阵，当x p l 时发生布拉格反射，与s a w 的激励谐振调节相同。这 就使当i d t 的指对数很多时，i d t 的特性变得很复杂。 双电极叉指换能器的指条相剥较窄( 一 8 ) ，要求有更高的光刻精度，但对 机械波反射，双电极又指换能器结构相当于周期p = pj 4 的栅阵，因此这种结构 可以有效抑制s a w 谐振频率时的布拉格反射。所以，要求必须精确控制频率响 应时常采用这种结构。 i d t 的指条结构是几何对称的，每对叉指激励的s a w 场也是中心对称的。 因此对i d t 结构模型，s a w 的激励可以看作发生在换能器中心，这个等效激励 点称为激励中心。 当i d t 的两根总线加上射频电压时，出于电场的作用，基片会产生周期性应 变，应变以s a w 的形式传播到i d t 末端。虽然每对叉指激励的s a w 比较弱， 但i d t 的周期p i 是s a w 波长的整数倍时，它们可以相互叠加增强。 s a w 在压电基片上传播时伴随着电场，当金属指条位于基片表面时，s a w 就会感应出电荷。 i d t 的特性主要是由一下因素决定的：( 1 ) 指条周期；( 2 ) 指对数；( 3 ) 基 片材料。基片材料对i d t 特性的影响是电场分布和基片方向的复杂函数。不过， 在设计和模拟s a w 器件时，人们通常对详细的声波特性本身并不感兴趣，声表 面波的特性应该近似换算为等效电学量，并不需要知道叉指换能器是如何激励和 检测声表面波场的。 2 - 2 2i d t 的静态特征 电荷分布 本节讨论i d t 的静态特征，“静态”的意思是声波激励和传播的影响可以忽 嵴小o l - 。 假设i d t 无限长，向且所有的指条宽度和问隔宽度都相等，经分析可以得到 它的静电荷分角q ( x 【) 。单电极i d t 的电荷分伽为【2 1 小护丽菰而鲁丽4 万焉耘而】) 双电极i d t 的静态电荷分布为 斛y 而翥筹p c o s ( ( 4 a + 瓦pp 蒜c o s ( 4 。p ：， 1 h 一c o s ( 8 n 一，) 一 w p ，) ， ( w ，) ) c s 为i d t 一个周期的静电容，单f 包极i d t 的静电荷为 p i i ( c o s ( 2 zw p 瑚 c s = “。1 = l 一 ( 2 3 ) 、j p ( c o s ( 一2 “w p ，) ) 双电极i d t 的静电容为： o ：矽压兰丛竺! ! ：! ! 型 ( 2 4 ) 纽刚2 占( 。舌矗丽而而 旺4 w 是孔径宽度，w 是指条宽度，p v ( x ) 是l e g e n d r e 函数，e ( s ) 是等效 介电常数，在低频近似条件下，e ( 。) 为 3 】 占( 。) ：岛+ n 厅。i i 而3 3 - - 13 ( 2 5 ) e7 是在没有应力的条件下测得的介电常数，它并不等于应变为0 时测得的 介电常数。 图2 - 2 是根据( 2 3 ) 式和 ( 2 4 ) 式得到的c s ( ( 一) w ) 与w p - 关系曲线。 机电耦合系数 在下面的讨论中，假设 e x p o 6 3t ) 不随时间变化。 把一个线电荷q ( x 1 ) = o6 ( x 1 ) 放在平坦表面x 1 = 0 处，则随s a w 传播 的表面电势中( xz ) 为 ( _ ) = ，o - e x p ( 一，吼1i x 小 ( 26 ) “f 是常数，$ x r 是在自由表面上传播的s a w 的波数。 电荷提供的功率p 为 p = 识【e 争) 2 掣奶j = 三郇r ，l a f 2 c ：， 或者由公式。= c s v w ，得p = c o c s k , ；vl vl ! ( 2 8 ) 彭三= 2 ，c s 2 w 是自由表蕊的机电耦合系数。 因为s a w 沿+ x l 和一“l 两个方向以相同的振幅传播，所以沿x l 方向传播 的s a w 功率p 分别为p 2 。根据( 2 6 ) 和( 28 ) 式，得到 矿( x ，) = ，8 k 弓出o e x p ( 一，叫x 巾耳 ( 2 9 ) 下面讨论在基片表面沉积一层金属膜，且在x ，= o 处有一条极窄的狭缝时的 情况。为讨论方便，定义下面的新变量： ( 一) 2 g ( x f ) 嘲 ( 2 1 0 ) 电场e ( x 1 ) = v6 ( x 1 ) 是外加电压v 感应产生的，且激励s a w 的变量h ( x 1 ) 可以表示为 矗( _ ) = 一j 4 ，v e x p ( 一，o s f i 1 ) ( 2 1 1 ) um 是一个常量，b s m 是金属表面上的波数。由公式g ( 一) = ? 狻葺) ，q ( x 】) 的功率p 为 p = 矿吼 亡争( _ ) + 掣嘲】= 倪 e 争+ ( 一) 掣凼】= o k 。2 i v l 2 ( 2 1 2 ) 其中足二= 。w 2 c 、是金属表面的机电耦台系数。 s a w 沿+ x l 和弋i 两个方向以相同的振幅传播，所以沿着x 1 方向的s a w 功率p 。分别为p 2 ，根据( 2 1 1 ) 式和( 2 1 2 ) 式，得到 ) 叫矽一l j 8 。k e x p ( 胡。压 ( 2 1 3 ) 对瑞利波，基本相等，它们可由下面的公式近似得到： k2 - - 连善：2 毕；2 ( 2 1 4 ) v f jp m 这罩v s t 和v m 分别是自由表面f 和盒属表面的s a w 波速。崴，。和“、2 ，没有区别 简写为k ! 。 2 - 2 3i d t 模型 6 函数模型 6 函数模型 4 是i d t 最简单的一个模型，它广泛用于器件设计中。6 函数 模型是基于这样一种思想上的：i d t 可以看作是周期性独立波源的叠加。 把i d t 分成读了的指对，当外加电压中。加在第n 对指对上，而其他指对电 压为零时，如果整个系统是线性的，则第n l 对指对上的感应电荷总量q 。与电压 审。成正比，记为h 。，是一个因子。当所有的中。同时加在i d t 指对上时，根据叠 加用来，q 。可以表示为： g 。= h m , ，痧， ( 2 1 5 ) ” 加在i d t 上的电压不仅激励s a w ，还会激励电磁波和体声波。所以h 。可 以表示为静电耦合h 。，。，体声波辐射h 。8 ，声表面波辐射h 。5 之和： 。= 蟛。+ 醒，+ 硫， ( 2 1 6 ) 通常i d t 指对数相对很大，假设h m 。5 只与第m 和第n 对指对之间的距离l 。 有关，则h m 。3 可以表示为： 碟= 一，e x p ( 一j i l l 。，) ( 2 1 7 ) 式中b 是s a w 的波数，h o 是个常量。 单位表面电场感应的s a w 的电荷量w h ( x 1 ) 等于2n c 。k 2 ，r l 是单元因子， 决定着s a w 的激励效率。i d t 上的分布降低了s a w 的激励和检测效率，由互 易定理，这个比值也等于单元因子，所以h o = 2n c 。k 2 。 如图2 3 所示，当外加电压v 1 加在n 对输出i d t 上，激励的s a w 由一对 输出i d t 检测时，如果两个i d t 都是短路栅，根据( 2 1 5 ) 式和( 2 1 7 ) 式得到 流入输出i d t 的电流r 2 为 o ，：r ；b 。= 劬。e x p 一i p ( z + p ) _ e x p ( i p l ) = m 】e x p 卜- ，f 上+ ( 一1 ) p ，2 j 】i 嬲 e x p ( 一j f l n p ，) 一1 其中l m n = l + n p i 。，! k k ：o 称为传输导纳，用来描述1 d t 的特性。 卿霞 弦一 卜。当f l1l il l 1 篮， 图2 - 3 输入输出1 d t 图2 4 是函数i s i n ( a ，2 ) n s i n ( f l p ，2 ) l 曲线。图中bp i 是归一化频率2 n ( 雎) ，f ，= v s p i 是1 d t 的谐振频率，v s 是s a w 的波速。可以看到，当p i = n 时函数有最大值，其中1 3 = 2 。 ，、夸、 ，、 vv vv 图2 4 ( a ) 线性值( b ) 对数值 通常谐振峰称为主瓣，其他较小的峰称为旁瓣，它们的差值称为旁瓣电平。 i d t 的频率响应是s i n c x ( = s i n x x ) 的函数，因为 s i n ( p n p ，2 ) s i n ( t i p , 2 ) = ( 一1 ) ”l s i n ( z n s ) s i n ( x s ) ( 一1 ) “”l s i n c ( z n s ) ( 2 1 9 ) 其中p p ，= 2 z ( m + j ) 。显然谐振峰的高度与n 成正比，宽度与n 成反比 一3 d b 带宽为1 2 2 5 7 m n 。 把这个结果推广到输入和输出i d t 指对数分别为n l 和n 2 的情况。这时， o唪”坫；日孤 霉n葛f卜e警：|了r 一0 品蛳 鼻 瞄雌。昭 窖导冒善砭-量5胃- 令l m n = l + ( m n ) p i , 则s a w 传播时i d t 的传播导纳y 1 2 、为 一：= 曲e x p ( 一上) 兰掰旦鬻 ( 2 - 2 。) 可以看到，这种情况下传输导纳y 】2 8 等于输入i d t 传输导纳与输出i d t 传 输导纳之积。 同理，i d t 的输入导纳为 k 。= i z , k 。= j c o 瓦。 ( 2 2 1 ) 令上。= m n f p ，声表面波的作用即辐射导纳y j 5 为 牡国型堂噻希鬻幽 汜：， 图2 - 5 是根据( 2 2 2 ) 式计算出的辐射导纳曲线。 暴 曲 靛 罂 一一灭 ： 一 t 、 伊一一 、 0 - 8 瓴时0 9 0 9 511 0 51 1i 1 51 2 柜对额率 图2 - 5s a w 辐射时i d t 的输入导纳 一般情况下，s a w 的波速比b a w 的波速要小一些，所以在讨论s a w 近谐 振频率时，b a w 的辐射可以忽略。 静电耦合作用可以用i d t 的静电容来表示，因此i d t 的输入导纳y n 为 】。j e n + x ： ( 2 2 3 ) 这个解有合适的精确度。 根据( 2 2 0 ) 式和( 2 ，2 2 ) 式，传输导纳y 1 2 8 与第1 对i d t 指对的辐射导纳y i i 5 的关系为 瑶= 辨( k s lj ，2 r 2e x p ( 一j p l ) ( 22 4 ) 。瞄“啦。舭“：；舶 等效函数模型 用6 函数模型可以计算出i d t 的特性，且有合适的精确度，但是这利r 模型小 能把i d t 内反射的影响包括进去，而它有时会严重影响器件的性能。单相单向 叉指换能器和谐振器，主要就是受内反射的影响，6 函数模型1 i 能描述它们的模 拟效果。 现在介绍另一利，等效电路模型，它在s a w 器件模拟中得到了广泛应用。图 3 - 6 是s m i t h 等人提出的两种等效电路模型 5 ，图2 - 6 ( a ) 模型是根据作厚度振 动的串联b a w 谐振器推导出来的，称为共线场模型，图2 - 6 ( b ) 模型是根据作 横向真的的串联b a w 谐振器推导出来的，称为交叉场模型。 + 一+ - _ 一 + 一 + + - + _ _ +一 图2 - 6 等效电路模型 ( a ) 共线场模型( b ) 交叉场模型 + m a s o n 推导的b a w 谐振器等效电路【6 常用来推导图2 - 6 中的等效电路。 图2 7i d t 一对叉指的共线场等效电路模型 图2 7 是根据m a s o n 等效电路得到的共线场模型等效电路，图中，o2 t - ，v s ， v s 是s a w 波速，r = 2n mc s k 2 是有效声阻抗，c s 是静电容。去掉图中的负电 荷就得到了交叉场模型等效电路。 为了进一步分析i d t 的特性，把它的声学端串联，电学端并联，如图2 - 7 所 示。 - 叠嗣墨一墨曩置曩 图2 7i d t 交叉场等效电路模型 交叉场模型理论结果与实验结果及其一致，因此交叉场模型的应用比共线场 模型要广泛得多。如果令n = ( 2 n ) m ，则交叉场模型的结果与6 函数模型的结果 正好相符。 2 - 3s a w 的基片材料 基片材料决定着s a w 器件的性能，这一章介绍如何选择基片材料，并用有 效介电常数描述基片才略大特性，讨论这些材料用于s a w 器件时应具有的特性， 最后介绍几种典型基片材料的性质。 2 3 2 基片材料和器件特性的关系 l 定向 基片材料是影响s a w 器件性能的一个决定性因素。s a w 器件常用的是压电 材料基片，它有固定的各向异性，因此器件特性不仅与切向角有关，并且与s a w 的传播方向有关。 人们常用图2 - 8 中的坐标系来描述s a w 场，它的x 轴与s a w 传播方向平 行，z 轴是基片的法线方向，y 轴平行于s a w 波阵面。晶体中晶轴( x ，y z ) 方 向是固定的，这可以用x 射线散法射测定出来。 1 4 图2 - 8 欧拉角 为确定基片材料的( x ，y z ) 轴，一般需要三个连续旋转操作。酋先把z 晶轴 旋转9 角，然后把x 轴旋转牵角，这样就确定了切向角。然后把z ”( 一2 ) 轴旋转q 角，于是传播方向与x 轴平行。角( 0 ，由，) 统称为欧拉( e u l e r ) 角，它广泛用于确定晶体的切向角和s a w 的传播方向中。 晶体定向切割后就确定了基片的切向角0 和中，它的精度影响这器件的性能 和价格。当s a w 的传播方向与晶轴或它们的法线方向之一不相符时，就会发生 波束偏向，因此最好用单晶轴旋转确定切向角，而双晶轴旋转确定切向角在s a w 器件中极少用到。 对单晶轴旋转切型晶体，常用这个晶轴的旋转角来表示切向角。例如，y 轴 旋转1 2 8 。切x 传播的l i n b 0 3 ，有时鞋子1 2 8 。y x - l i n b 0 3 表示这种晶体的切 割面是y 轴关于x 轴旋转1 2 8 。后与x 轴构成的平面。x 轴切1 1 2 。l i t a 0 3 ， 有时写作x 一1 1 2 。y l i t a 0 3 ，表示波的传播方向是y 轴关于旋转1 1 29 后的方向。 2 基片材料和电极材料的影响 s a w 的传播速度 s a w 的传播速度决定着器件的谐振频率。一般地，在高频领域需要有很好 的平面印刷技术，而且为了扩大s a w 应用频率上限，s a w 需要有很快的传播速 度。在低频领域增大器件的尺寸是非常必要的，而且为了扩大s a w 应用频率范 围的使用下限，s a w 需要有很低的传播速度。 基片性质的变化直接影响到器件的特性，所以基片均匀性对大批量生产是十 分重要的。晶体畸变或晶格重复，以及铁电材制l i n b 0 3 、l i t a 0 3 等的极化发t j 变化，都会使基片性质发生变化。s a w 器件的基片是压电材料，不同方向上机 电耦合系数不同，s a w 的传播速度也随着电学表面边界条件的改变而改变。因 此，即使晶格性质变化很小，如果这个变化影响了基片的极化，也会使s a w 的 传播速度发生很大变化。一般地，基片压电性越强，s a w 的传播速度变化越大。 如果用的是压电薄膜材料，比如z n o 或a i n ，那么除了必须精确控制衬底 材料的均匀性外，还必须精确控制膜厚的变化。为降低这种要求，s a w 器件应 该设计成s a w 的传播速度随波长变化( 即频散) 很小。 机电耦合系数 i d t s 的辐射电导与机电耦台系数成正比，因此s a w 器件的插入损耗和一 3 d b 带宽与机电耦合系数有直接关系。 机电耦合系数由介质的表面边界条件，即自由表面和金属表面的耦合系数 k s 2 和k s 。2 决定，它们分男i 为： k 2 = 一2 e ( 。) i s a ( s ，6 3 ) 0 s 足品_ _ 2 e ( 计b 。等 ( 2 2 5 ) 式中是有效介电常数，s f = v f l 和s m = v 。“分别是s a w 在自由表面和 金属表面的慢波。如果s a w 比b a w 速度低得多，那么k s 产与k ；m 2 几乎相等， 因此可以得出 k 2 = ( 哆一叼) 巧t2 ( 一k ，) 巧 ( 2 2 6 ) 人们广泛使用( 2 2 6 ) 式计算机电耦合系数，并把它记为2 v v 。 温度稳定性 我们举个例子来说明这个问题。比如，盒式收音机在环境温度从酷夏的白天 到寒冬的夜晚这样大的变化范围内，必须能够正常工作，不必调整。因此，即使 是为了消费者使用，也要求s a w 的特性在一定温度范围内，比如从一2 0 + 6 0 。c ，不发生变化。 温度对谐振频率的影响称为频率温度系数( t e m p e r a t u r ec o e f f i c i e n to f f r e q u e n c y 1 6 一 t c f ) ，定义为 研1 筹 ! ， 一般地，谐振频率在室温时随温度的变化情况十分重要，因此我们来研究2 06 c 或2 5 。c 时谐振频率的变化。当t c f m 0 时，f f 随温度呈抛物线或三次方变化，于 是定义 ：上盟( 2 2 8 ) f 挖! a 7 1 ” 称为谐振频率的第1 1 缴温度系数。 温度对时间延迟t 的影响常用来表示s a w 器件的稳定性，称为延迟温度系 数( t e m p e r a t u r e c o e f f i c i e m o f d e l a y ，t c d ) 。t c d 可以用与( 2 2 7 ) 式和( 2 2 8 ) 式相同的方程计算出来，只要由t 代替。当频散很小，且相速与群速几乎相等 时，t c d 一一t c f 。 为在理论上计算t c d 和t c f ，我们定义： t c f ；t c y c t c d = d t c 矿 ( 2 ，2 9 2 3 0 ) 式中a 是在s a w 的传播方向上基片的热膨胀系数；t c v 。是相速的温度系 数；t c v 。是群速的温度系数。 通常k 2 越大材料的t c d 越差，因为露越大说明材料的机械特性对干扰越 敏感。 波束偏向 基片的性质与声波在基片表面上的传播方向不对称时，就会发生波束偏向。 波束偏向不会直接影响器件的性能，但是如果能流角( p o w e rf l o w a n g l e ，p f a ) 很大，那么传播方向的微小变化就会使能流角发生相当大的变化，这就要求基片 方向与器件图形必须精确一致。由于这个原因，人, f f j s f f ：少使用p f a 大的基片。 根据相速v 口与欧拉角的关系式可以计算p f a ： p f a ：一k 1 盟 ( 2 3 i ) a v 传播损耗 基片材料的传播损耗直接影响着器件的插入损耗和品质因数q ，因此损耗要 一 尽量小。基片晶格振动、表面半日糙、能量泄漏到空气中等因素使基片材料存在 1 0 。d b 的固有传播损耗。速度快的声波比速度慢的声波传播损耗小。 漏s a w 由于与剪切b a w 耦合存在额外的传播损耗。但是，当耦合可以忽 略时，传播损耗很小。由于漏s a w 的速度更快，使用漏s a w 比非漏s a w 的传 播损耗小。 漏s a w 与剪切b a w 的祸台作用与表面边界条件及其它干扰有关，比如温 度。耦合作用在最优化条件下消失，传播损耗一直为币；在最优化条件附近，耦 合作用与任何干扰成抛物线型反比。因此，不仅降低器件的插入损耗很重要降 低生产过程及温度的变化也很重要。 介电常数e 基片材料的介电常数也很重要，它决定着i d t 的阻抗，i d t 阻抗一股设计为 5 0q ，以便与外电路阻抗匹配。通过调整1 d t 的孔径可以调整阻抗值，但孔径 大会增大器件的尺寸，孑l 径小会发生严重的衍射。 b a w 特性横行滤波器对抑制s s b w 假响应是至关重要的。当s a w 谐振频率附 近存在s s b w 假响应时，它会恶化阻带电平，并且不能通过i d t 的设计消除这 种现象，这时我们可以设置多条耦合器( m u l t i s t r i pc o u p l e r , m s c ) ，不过这样会 增大器件的尺寸。所以，最可行的解决方法是选用s s b w 激励弱的基片材料。 对谐振器，虽然s s b w 辐射会降低品质因数q ，但对于基频谐振，s s b w 的谐 振频率通常与s a w 的谐振频率有些不同，品质因数下降得并不明显。另外， s s b w 的谐振很弱，它极少影响频率谐振。 2 - 3 2 典型的几种基底材料 1 石英 用水热合成法生长n 石英晶体的技术已经非常成熟，商用石英基片质量高 价格合理，每批每片石英材料的性质变化非常小，已经有文献报道了石英足够精 确的各项材料常数 7 】，这使我们能够精确遗模拟器件的特性。 a 石英是电中性的，介电常数和压电常数都很小，它只能用于窄带器件中， 而且选择温度稳定性号的基片方向十分关键。 石英在x 方向上的热膨胀系数是1 3 7 1 9 x1 0 “，可以看出用4 2 。y 切石 英可以得到零t c f ，称为s 丁切石英，常用于高稳定性器件中f 8 1 。最优旋转角取 决于电极材料和厚度，它有时等于a t 切( 3 6 。y x 一) 石英，这种切向的石英广 泛用于高稳定性的b a w 谐振器中。 1 0 5 7 。切石英可以得到零t c f ，这科，基片称为l s t 切石英，它的有效介电 常数如图2 - 9 所示。当v = 3 9 9 2 m s 时有一个漏s a w 引起的复数峰值，它在虚部 是一个很窄的波峰，这是b a w 辐射产生的。 图2 - 9l s t 切石英的有效介电常数 当传播方向为a t 切石英的x 轴旋转9 0 。时，s a w 的纵波和剪切波分量都 随压电性减小一半。由于压电性很小，s h 型s a w 不再存在，只有s h 型s s b w 是电活性的。这种波波速很快( 。5 0 0 0 耐s ) ，且t c f 为零。图2 1 0 是这种切向石 英基片的有效介电常数，可以看出只激励了s s b w 。因为石英的压电性很小， s s b w 的激励特性几乎与电学边界条件无关。 图2 1 0a t 切石英的有效介电常数 我们知道，在传播表面上设置一个栅阵可以引导s s b w 的传播，这种波称为 表面横波( s u r f a c e t r a n s v e r s e w a v e ，s t w ) 【1 0 。 2 l i n b 0 3 l i n b 0 3 是铁电体，用提拉法生长。l i n b 0 3 除了介电常数利压电效应很大外， 还有很强的热电和光电效应。它不仅用于s a w 器件还用于光学器件和微波传 感器等器件中。 这种材料已经商品化，精度合理的各项材料常数电已经有报道f 9 。不过不同 文献报道的材料常数有很大不同，最新报道的材料常数比以前的压电效应大，这 可能是因为与晶体单畴化相关的极化提高了。定量分析时用最新的材判常数更好 。些。 图2 1 1 给出了非漏s a w 在y 切l i n b 0 3 表面上的波速v ，机电耦合系数 k 2 和速度温度系数t c v 。由于压电性很强，这些特性对电学表面边界条件十分 敏感，它们在自由表面和金属表面上的值都在图2 11 中。这时，t c v 一直为负 数，在热膨胀系数为1 5 4 1 0 “4 c 时，t c f 比- - t c v 还要差。 麓转角( 度) 蔫转角( 度) 图2 - 1 1 漏s a w 和非漏s a w y 在旋转切l i n b 0 3 上的特性 这种情况下温度稳定性对旋转角。不敏感，看来e 一1 3 0 。时最可用，此时 机电耦合系数最大，高达5 5 。 图2 - 1 1 还给出了漏s a w 与y 切基片上的速度v ，机电耦合系数k 2 ，传播 损耗和速度温度系数t c v 。尽管不能实现零t c f ，但旋转角度较小时，机电耦 著星、删煅 警_#蓥 合系数很大，在4 1 。旋转角，自由表面上的传播几乎为零，在6 4 。旋转角，金 属表面上的传播损耗几乎为零。压电性强的漏s a w 基片用于移动通信s a w 器 件中现在已经商品化。 当旋转角为o 。时，机电耦合系数可以高达2 5 ，这时传播损耗也很大。在 基片表面沉积一层厚a u 栅阵，降低s a w 的波速。可以使漏s a w 转变为非漏 s a w 。这种技术用于低电容比谐振器中。 3 l i t a 0 3 l i t a 0 3 也是铁电体，用提拉法生长。l i t a 0 3 除了介电常数和压电常数大外， 还有很强的热电和光电效应。虽然这些值比l i n b 0 3 要小，但它们的温度稳定性 很好。l i t a 0 3 广泛用于中频电视滤波器以及其他滤波器中，并有文献报道了它精 确度合理的各项材料常数 1 1 】。 l i t a 0 3 的各项常数与旋转角的关系与l i n b 0 3 很相似，只有两点明显不同： ( 1 ) 非漏s a w 的机电耦合系数很小：( 2 ) 在所有旋转角平面上都有漏s a w 。 对y 切l i t a 0 3 ，非漏s a w 没有特别令人感兴趣的切向，但3 6 。漏s a w 机电耦 合系数大，传播损耗可以忽略不计。这种漏s a w 高压电性切型的l i t a 0 3 基片广 泛应用于移动通信中，现在已经商品化。 4 l i i b 4 0 3 l i 2 8 4 0 3 是电中性晶体，但它有较大的压电常数和零t c f 可以用于谐振器中 1 0 】。l i 2 8 4 0 3 属于4 n m a 点群，这种晶体材料常常有极大的各向异性，例如z 方 向的热膨胀系数在室温下为负值。已有文献报道了l i 2 8 4 0 3 精度合理的材料系数。 2 4s a w 传感器现状和发展 2 - 4 1 现状 在s a w 器件技术的支持下，s a w 传感器由于其高灵敏度、良好的可重复性， 以及小巧便利等特点目前已经进入了产品化的应用阶段。美国国家环境保护组织 ( e p a ) 已经把s a w 气体传感器作为环境监测的手段之- - 1 1 。 目前已经产品化的s a w 传感器包括温度传感器、湿度传感器、气体传感器 和液体传感器。荚h ；a n d i a 国家实验室在研究工作中把s a w 传感器作为气相色 谱的检测机构实现了对空气中神经毒气的在线检测 1 2 1 3 】，检测下限为几个 p p m ，噪声限为1 0 h z ；美国m j c r o s e n s o r 是专f 从事s a w 化学传感器的公司， 陔公司e a g l e 系列s a w 仪器可以实现对气体、液体各种环境参数的检测，并且 应用在工业现场当中【1 4 。其他还有集成4 个s a w 传感器的手持式s a w 阵列气 体检测仪器 15 等。 2 - 4 2 发展 就目前而言，s a w 传感器已经向阵列化、智能化、集成化方向发展，并且 开始应用在实时检测系统当中。 实际应用中传感器的交叉敏感性( c r o s st a l k ) 比较大，如气体传感器的选择 性吸附膜的选择性不是完全单一响应的，所以需要传感器阵列获得对同种影响的 不同响应，结合数据处理方法来分离各个影响因素，这就是智能阵列传感器 1 6 。 由于g a a s 材料同时具有半导体和压电特性 1 7 1 ，以及压电薄膜( z n o 、a i n ) 1 8 1 的应用，采用m e m s 工艺，可以把s a w 传感器可以和检测电路集成在一个 芯片中。这不但减小了体积和成本，还提高了系统的稳定性 1 9 1 。 s a w 传感器由于可以工作在液体中，所以现在已经开始在生物、医学和化 学分析领域得到了广泛的应用，并且获得了令人满意的效果。但是由于固液界面 的复杂性，以及液体的能量散射作用，所以液相应用还是个难题。 目前s a w 传感器已经成为在线环境检测上的重要手段之一，并且开始应用 在大气检测、生化武器的探测以及水体检测当中。 l 塑塑丛 集成s a w 气体传感器 s a w 液相生物传感器s a w 智能气体实验室 s a w 往线检测探头 s a w 传感器由于其独特的特点将会在环境监测和临床诊断方面得到越来越 广泛的应用，并且成为现代传