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1 第8章声表面波技术及其传感应用 日期 2 第8章声表面波技术及其传感应用 8 1概述8 2声表面波技术基础知识8 4SAW传感技术8 5典型声表面波传感器简介 3 8 1概述 声表面波SAW SurfaceAcousticWave 是一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年研究地震波传播过程时发现的 1965年美国的White和Volrmov利用叉指换能器IDT InterdigitalTransducer 直接在压电介质上有效地激励出SAW后 SAW技术才很快地发展起来 4 在发射叉指换能器上施加适当频率的交流电信号后 在压电晶片内部分布有电场 该电场可分解为垂直和水平二个分量 Ev和Eh 通过逆压电效应使指条电极间的材料发生垂直于和平行于表面的交变形变 声波 其频率与激励频率一致 此声信号沿基片表面传播 并最终由接收叉指换能器通过压电效应转换为电信号输出 声表面波激发 叉指换能器 5 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 6 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 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 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 7 8 1概述 声表面波的特点 声表面波具有较低的传播速度和较短的波长 大概是相应电磁波的10 5倍 因此在同一频段上 SAW器件的尺寸比相应电磁波器件的尺寸小得多 这样就可以大幅度减小器件的体积和重量 有利于电子器件的超小型化 由于声表面波是沿固体表面传播的 且传播速度较慢 这使得时变信号在给定瞬时可以完全呈现在晶体基片表面上 当信号在输入和输出之间行进时 就容易对信号进行注入 提取和变换等处理 这就给声表面波器件带来了极大的灵活性 使它能以非常简单的方式去完成其它技术难以完成的各种功能 声表面波是晶体表面传播的弹性波 不涉及晶体内部电子的迁移过程 这样使得SAW器件具有较强的抗辐射能力和较大的动态范围 8 8 1概述 声表面波器件 声表面波器件所具有的不同于电磁波和体波的特殊性质使SAW器件在许多领域得到了广泛的应用 目前已经研制成功或正在研制的SAW器件主要包括 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 利用SAW器件研制 开发新一代传感器始于20世纪80年代 起初人们在研究SAW电子器件时发现 外界因素 如温度 压力 磁场 电场 某种气体等 对SAW传播特性会造成影响 进而研究了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 物理的被测参数 9 8 1概述 声表面波传感器的特点 高精度 高灵敏度由于SAW能量集中在介质表面 对外界物理参量的扰动非常灵敏 因而SAW传感器具有很高的灵敏度 它可以检测到常规传感器难以检测到的微小变化 SAW压力传感器 精度可达0 01 灵敏度可达0 3 l0 6f0 Pa 若传感器的中心频率f0为300MHz 检测器能检测出1Hz的频率变化 那么该传感器可反应出0 01Pa的压力变化 SAW温度传感器 其理论分辨率可达10 7 10 8 1概述 声表面波传感器的特点 准数字输出 SAW传感器工作时以频率信号输出 不需经A D转换便可与微机接口 既便于传输处理 同时也减小了数字化带来的误差 微型化 低功耗 声表面波传感器为物性型传感器 利用半导体制作工艺 可以使集成化技术得到充分应用 容易将信息敏感器件与信息处理功能电路集成在一起 大大减小传感器的体积和重量 做到传感器微型化 同时因为SAW的能量集中在介质表面 因而损耗低 加上SAW传感器电路简单 所以整个传感器的功耗很小 这对于煤矿 油井或其他有防爆要求的场合特别重要 11 8 1概述 声表面波传感器的特点 便于实现无线 无源化SAW器件的工作频率一般在几十MHz到几个GHz 处于射频频段 因而可直接发射 进行遥测 同时利用SAW敏感器件的低损耗和压电基片的机电转换特性及其对电磁波能量的贮存能力 还可以实现声表面波传感器的无源化 这对于运动部件 密闭腔 易燃 易爆 辐射 高温等特殊环境的检测更为有利 90年代初 德国Siemens公司开发的挪威奥斯陆汽车过桥收费系统及德国慕尼黑火车进站定位系统 利用贴在汽车或火车特定部位的SAW辨识标签 实现了汽车的不停车收费和达厘米级的控制列车进站停靠位置精度 12 8 1概述 声表面波传感器的特点 多参数敏感性 抗干扰能力强 声表面波对压力 温度 气体 湿度 电场 磁场等多种物理 化学量敏感 通过选择合适的基片材料及切向可以制成多种类型的传感器 同时由于声表面波器件利用的是晶体表面的弹性波而不涉及晶体内部电子的迁移过程 因而SAW传感器具有良好的抗电磁干扰能力 结构工艺性好 便于大批量生产 SAW传感器是平面结构 设计灵活 片状外形 易于组合 能比较方便地实现单片多功能化 智能化 安装容易 并能获得良好的热性能和机械性能 SAW传感器中的关键部件 SAW谐振器或延迟线 采用半导体平面制作工艺 结构牢固 质量稳定 重复性及可靠性好 易于大批量生产 13 第8章声表面波技术及其传感应用 8 1概述8 2声表面波技术基础知识8 4SAW传感技术8 4 1SAW传感器的结构形式与基本原理8 4 2SAW传感器的信号检测与处理8 4 3SAW传感器的温度补偿8 5典型声表面波传感器简介 14 8 4 1SAW传感器的结构形式与基本原理 声表面波器件包括一个压电材料薄基板 石英晶体或LiNbO3等 和采用薄膜工艺制作在基板上的叉指换能器和反射极阵列 叉指换能器受100 1000MHz频率的信号激励 由于逆压电效应实现的电 声转换 从而在基板表面一个声波长深度范围内产生表面波 其传播速度在3000m s 4000m s左右 即比光速慢100000左右 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 15 8 4 1SAW传感器的结构形式与基本原理 SAW振荡器通常有延迟型 SAWD 和谐振型 SAWR 两种结构形式 SAWD由两个叉指换能器 IDT 的中心距决定相位反馈 由IDT的选频作用和反馈放大器产生固定频率的振荡 其振荡频率为 式中 v为SAW的传播速度 l为两个IDT之间的距离 n为取决于电极形状和l的正整数 E为反馈回路的相移 SAWD设计简单 但它的稳定性较差 延迟线型 16 8 4 1SAW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 SAW在谐振腔内谐振 谐振型振荡器的振荡频率为 单端对谐振器 双端对谐振器 17 8 4 1SAW传感器的结构形式与基本原理 任何量只要能引起v l或lp发生变化 就会使SAW振荡器的振荡频率发生变化 通过振荡电路检测出振荡频率的变化就可以建立起频率偏移与待测量之间的关系 无源遥测是SAW传感器的一大优势 但工作原理不同于一般的SAW传感器 传感器由压电基片 叉指换能器 反射栅及读写器 高频激励 接收装置 组成 18 8 4 1SAW传感器的结构形式与基本原理 工作时读写器发射出脉冲激励信号 由敏感基片的天线接收无线信号 并通过IDT将电磁信号转换为声表面波 声表面波经过一段延迟后由反射栅反射回来 再通过IDT将信号转换为电磁波信号 并经天线发射出去 再由读写器接收处理 脉冲信号从发射到接收的返回时间主要由读写器与IDT天线的距离L IDT与反射栅之间的距离l以及声表面波波速v来决定 即脉冲信号从读写器发射到回收的传播时间为 19 8 4 1SAW传感器的结构形式与基本原理 在遥测时 读写器与敏感基片之间距离的变化也会引起 的变化 为解决这一问题 在基片上设置多个反射栅 反射栅之间的时延只反映器件本身的状态 而不受读写器与敏感基片之间距离的的影响 即 同样 当基片受到来自外界环境量的影响时 波速及间距将发生改变 从而使从反射栅返回来脉冲的时延发生变化 通过测量时延的变化就可以测出被测量 20 8 4 1SAW传感器的结构形式与基本原理 如果相应位置上的反射栅被布置或抽取 则该位置上的脉冲可表示编码 1 或 0 相同结构的器件就变成了用于目标辨识的SAW标签 ID Tag 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 21 第8章声表面波技术及其传感应用 8 1概述8 2声表面波技术基础知识8 4SAW传感技术8 4 1SAW传感器的结构形式与基本原理8 4 2SAW传感器的信号检测与处理8 4 3SAW传感器的温度补偿8 5典型声表面波传感器简介 22 8 4 2SAW传感器的信号检测与处理 SAW传感器的信号检测与处理是将因被测量扰动而引起的SAW敏感器件性能参数的变化转换成电信号输出 并进行转换和处理 从而实现测量 信号检测电路一般由SAW振荡器电路以及信号调理电路组成 可以采用有线的方式 也可以采用无线遥测方式 23 8 4 2SAW传感器的信号检测与处理 检测电路主要由SAW谐振器振荡电路 混频电路 低通滤波及放大电路 频率测量四部分组成 检测电路的性能 特别是振荡器电路的频率稳定性直接决定了传感器的分辨率 精度 稳定性等性能指标 当外界被测量信息变化时 两个SAW振荡器的振荡频率发生不同的变化 混频后输出两个振荡器的差频信号 经低通滤波和放大电路处理后 送频率测量部分 24 8 4 2SAW传感器的信号检测与处理 由于硬件不可能做到完全对称 同时温度变化也会影响电路的性能指标 因此采用差频方式不可能完全消除共模干扰的影响 为了实现高精度的压力测量 在信号处理部分引入了微处理器以实现软件温度补偿 根据具体情况可以采用简单的线性补偿方式 也可以采用诸如专家系统 神经网络等复杂的非线性补偿方式等 25 第8章声表面波技术及其传感应用 8 1概述8 2声表面波技术基础知识8 4SAW传感技术8 4 1SAW传感器的结构形式与基本原理8 4 2SAW传感器的信号检测与处理8 4 3SAW传感器的温度补偿8 5典型声表面波传感器简介 26 1 选择零温度系数切型 SAW传感器的性能在很大程度上是由压电基片决定的 由于晶体的各向异性 在不同切割与传播方向上具有不同的敏感特性 这就为SAW传感器优化设计提供了一种思路 选择基片切型使其对被测量有最大的敏感性 而对其它干扰因素如温度有尽可能小的敏感性 如石英晶体的ST切 欧拉角 0 132 75 0 就是典型的零温度系数切型 27 2 差动法 采用两个完全相同的SAWR 并在结构上保证一个受拉应力 另一个受压应力 若取参考温度为T0 那么温度对频率的影响可表示为 若SAWR1受拉应力 那么同时在被测量 和温度T的作用下 其输出频率为 若SAWR2受压应力 那么同时在被测量 和温度T的作用下 其输出频率为 28 2 差动法 混频后取差输出 差频随温度的变化率 实际中由于k 1 所以可忽略应变的影响 得到若两个SAWR温度特性完全相同 则 29 3 数字补偿法 由前面分析可知 单个SAW振荡器的频率输出可表示为 由此可得 对每个SAWR 它的温度函数v T 是确定值 可通过实验并用曲线拟合法将它求出来 实际中可以通过增加温度测量并用具有运算功能的芯片来实现温度补偿 30 4 浮动零点法 差动补偿法在实际测量中应用是较多的 然而用这种方法只能补偿一部分由共模干扰 例如温度扰 而引起的测量误差 如正在研制的新型的声表面波面压力传感器 在经过差动补偿后 仍然还有约100Hz K的温度误差 数字补偿法必须要对每个传感器事前进行温度特性测试 同时在传感器工作时 还得附加温度传感器和计算功能 因而增加了复杂性和成本 浮动零点法是一种新的温度误差校正方法 该方法以差动原理和浮动坐标 相对坐标 为基础的 是一种很容易实现的方法 31 4 浮动零点法 1 在初始状态有关系式 2 当有被测量作用时 f1增加 f2减小 f增加 并假定差频的增量为 3 当温度增加时 两个振荡器输出频率将同时增加 但很可能增加量不等 此时仍会出现差频增量 32 4浮动零点法 当被测量增加时 根据并动原理 f1和f2沿着相反方向变化 此时差额的增量 33 4浮动零点法 以上分析可看出 在整个测量中 不仅要测量两个振荡器输出频率的大小 同时要判断它们的变化方向 在数据处理中 需计算出每一次测量的两个频率之差和它们的变化方向 将每次计算出的差频作为新的零点 像是一个浮动零点 并将差频的变化 依据两个频率f1和f2的变化方向来判断哪些差频是有用信号 哪些是无用信号 将无用信号作为干扰信号舍弃 仅仅把有用信号记下来作为由被测量引起的输出信号 这就意味着 温度或其他共模干扰的影响能被消除 34 第8章声表面波技术及其传感应用 8 1概述8 2声表面波技术基础知识8 4SAW传感技术8 5典型声表面波传感器简介8 5 1声表波压力 应力 传感器8 5 2声表波气体传感器8 5 3声表波标签 35 8 5 1声表波压力 应力 传感器 在外界环境条件作用下 SAW振荡器的输出信号频率可随着外界热场 力场 如力 压力 加速度场等 电场 磁场 湿度 气体浓度等的扰动而变化 这主要是由于压电晶体的非线性弹性特性引起的 SAW压力传感器的研究正是基于SAW振荡器对压力的显著敏感性 SAW压力传感器设计的基本任务是 通过合理设计 使其对压力具有最大的灵敏度 同时最大限度地减小其对其他量的敏感性 36 8 5 1声表波压力 应力 传感器 SAW器件 SAW压力传感器采用SAW器件作为其基本的压力敏感元件 SAW器件可以是SAW延迟线 也可以是SAW谐振器 但就测压来说 SAW谐振器用得最多 因为它比SAW延迟线具有更好的性能 SAW器件的基本任务是感受外界压力信息 要精心设计SAW器件 使它具有高的品质因数及低的插入损耗 同时要使振荡器的振荡频率随外界压力的变化呈线性变化 信号检测电路 在SAW压力传感器中 信号检测电路部分的任务是将因压力扰动而产生的SAW敏感器件性能参数的变化转换成电信号输出 从而实现对压力的测量 输出信号一般为频率量 信号检测电路一般由SAW振荡器电路以及信号调理电路组成 如果采用多通道测量方案 那么其中还应包括混频电路 37 8 5 1声表波压力 应力 传感器 SAW延迟线型是属于传输型器件 它利用的是声波的行波特性 在波的传播方向上 设置的另一个IDT将接收到的声波转换成电信号输出 显然 在这些叉指电极中的任何反射都会使得器件性能恶化 而SAW谐振器型正是利用这种SAW的反射性质 使声波在反射阵列之间进行相干反射 相互叠加 在腔体内形成驻波 发生共振 使振荡幅度达到最大 这样 在一对反射阵列之间就构成了谐振腔 将SAW限制在谐振腔内以得到能量存储的目的 38 8 5 1声表波压力 应力 传感器 SAW振荡器通道数的选样 也影响着SAW压力传感器的测量精度 假定SAW压力传感器采用单通道振荡器结构 即仅在压电膜片上制作一个SAW谐振器 由其组成单个SAW振荡器 这样 传感器在被测压力P及环境温度T的作用下 设其他条件不变 输出的频率可近似表示为 一般来说 在令人感兴趣的温度范围内 大多数基片材料的温度灵敏度远比满量程压力灵敏度高 例如 某一采用石英的SAW压力传感器的压力灵敏度为1000 10 6 而在 65 l25 温度范围内 石英的温度灵敏废达到4000 10 6 这说明 在测量压力的同时 温度的影响不可忽视 因此 单通道振荡器结构的SAW压力传感器的精度不高 39 8 5 1声表波压力 应力 传感器 如果采用差频方法 抵消传感器输出中的温度项 而只保留压力项 则可实现温度补偿 于是 一个可能的温度补偿方案就是采用双通道谐振器结构 即在同一个压电膜片上制作两个SAW谐振器 组成两个独立的振荡器 用两振荡器频率之差作为被测压力的度量 设计两个SAW谐振器的尺寸 性能参数完全相同 并采用完全一样的振荡器线路 则此时传感器的输出为 40 8 5 1声表波压力 应力 传感器 合理安排两谐振器在石英晶体膜片上的位置 使它们的压力系数之差的绝对值达到最大 同时 由于两谐振器制作在同一基片上 靠得非常近 而且性能参数设计完全一样 因而它们的温度系数可认为相等 当两者经历同样的温度过程时 上式中的温度项就消失了 从而实现了传感器的温度补偿 41 8 5 1声表波压力 应力 传感器 由上面分析发现 采用双通道谐振器型振荡器结构不仅可以理想地实现SAW压力传感器的温度补偿 而且能够通过合理设计两谐振器位置 使两谐振器的振荡频率随压力的变化而向反方向变化 那么整个传感器的灵敏度也将会大大提高 同时 采用双通道结构还可能排除温度以外的其他环境因素的干扰 这样 就会得到一举多得的效果 42 第8章声表面波技术及其传感应用 8 1概述8 2声表面波技术基础知识8 4SAW传感技术8 5典型声表面波传感器简介8 5 1声表波压力 应力 传感器8 5 2声表波气体传感器8 5 3声表波标签 43 8 5 2声表波气体传感器 目前 检测周围空气中特定气体微小浓度的最流行的方法是采用半导体气敏传感器 半导体与金属不同 它是可以控制载流子数量的材料 当载流子数量很少时 半导体会呈现出明显的表面效应 半导体气敏传感器的基本工作原理就是利用气体的吸附反应改变载流子的数量 即利用电阻变化作为检测气体浓度的一种手段 半导体气敏传感器的缺点 就是必须要工作在加热状态 一般加热温度为300 500 这就导致半导体材料内部晶粒不断生长 使传感器性能恶化 灵敏度下降 稳定度变差 寿命缩短 响应速度变慢 同时 半导体气敏传感器通常采用电阻式或电容式 输出为模拟信号 必须经A D转换才能与微处器结合 这样 又使精度下降 44 1 声表面波气体传感器的工作机理 声表面波器件的波速和频率会随外界环境的变化而发生漂移 声表面波气敏传感器就是利用这种性能在压电晶体表面涂覆一层选择性吸附某气体的气敏薄膜 当该气敏薄膜与待测气体相互作用 化学作用或生物作用 或者是物理吸附 使得气敏薄膜的膜层质量 粘弹性和电导率等特性发生变化 引起压电晶体的声表面波频率发生漂移 气体浓度不同 膜层质量和电导率等变化程度亦不同 即引起声表面波频率的变化也不同 通过测量声表面波频率的变化就可以反应气体浓度的变化 45 1 声表面波气体传感器的工作机理 由此基本原理可以看出 在声表面波气体传感器中 敏感膜起着选择识别和收集目标分子的作用 是决定传感器选择性和灵敏度的重要因素 同时 传感器的响应时间 可逆性以及稳定性等也与敏感膜的性质和结构密切相关 1979年出现的第一台SAW气体传感器是以单通道SAW延迟线振荡器为基础的 在延迟线的两个叉指换能器之间 即SAW传播路径 覆盖一层选择性吸附膜 该膜只对所需敏感的气体有吸附作用 吸附了气体的薄膜会导致SAW振荡器振荡频率变化 由精确测量频率的变化就可测得所需气体浓度 46 1 声表面波气体传感器的工作机理 在双通道SAW延迟线振荡器结构中 一个通道的SAW传播路径被气敏薄膜所覆盖而用于测量 另一通道未覆盖簿膜而用于参考 两个振荡器的频率经混频取差额输出 以实现对共模干扰的补偿 在SAW气体传感器中 除SAW延迟线之外 最关键的部件就是有选择性的气敏薄膜 SAW气体传感器的敏感机理随气敏薄膜的种类不同而异 47 2 敏感薄膜与传感器特性之间的关系 薄膜与传感器的选择性薄膜的选择性是SAW气体传感器的一项重要性能指标 薄膜对气体的选择性决定了SAW气体传感器的选择性 不同种类的化学气体需要使用各种不同材料的薄膜 对气体的选择性吸附是对敏感薄膜的最基本要求 目前用于SAW气体传感器的敏感膜有 乙醇胺薄膜 敏感SO2 Pd膜 敏感H2 WO3膜 敏感H2S 酞青膜 敏感NO2 等 可以说 只要研制出可选择吸附某种特定气体的敏感膜 那么 检测这种气体的SAW传感器也就会出现 研制选择性好的吸附膜是一项艰巨而紧迫的任务 48 2 敏感薄膜与传感器特性之间的关系 薄膜与传感器的可靠性作为传感器 其输出响应必须是可重复和可靠的 SAW气体传感器输出的可靠性在很大程度上取决于敏感膜的稳定性 薄膜的稳定性取决于它的机械性质 薄膜中的内应力以及它与基片之间的附着力不合适 都会使薄膜产生里蠕变 裂缝或者脱落 而薄膜的机械性质又取决于它的结构 49 2 敏感薄膜与传感器特性之间的关系 薄膜与传感器的响应时间SAW气体传感器与其他传感器一样 希望它的响应时间越小越好 SAW气体传感器的响应时间与敏感膜层的厚度及延迟线振荡器的工作频率密切相关 工作频率较高时 由于气体扩散和平衡的速度更快 响应速度相应提高 但较高的工作频率也会产生较大的基底噪声 妨碍