第8章声表面波

1、第8章声表面波1 第第8 8章章 声表面波技术及其传感应用声表面波技术及其传感应用 日期：日期： 第8章声表面波2 第第8 8章章 声表面波技术及其传感应用声表面波技术及其传感应用 n8.1 8.1 概述概述 n8.2 8.2 声表面波技术基础知识声表面波技术基础知识 n8.4 SAW8.4 SAW传感技术传感技术 n8.6 SAW8.6 SAW传感器的信号检测与处理传感器的信号检测与处理 n8.7 8.7 典型声表面波传感器简介典型声表面波传感器简介 n8.8 SAW8.8 SAW传感器的温度补偿传感器的温度补偿 第8章声表面波3 8.1 8.1 概述概述 n声表面波声表面波SAW（Surf

2、ace Acoustic Wave）是一）是一 种能量集中在介质表面传播的弹性波，最早是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由英国物理学家瑞利在18851885年研究地震波传播年研究地震波传播 过程时发现的。过程时发现的。 n19651965年美国的年美国的White和和Volrmov利用叉指换能器利用叉指换能器 IDT（Interdigital Transducer）直接在压电介）直接在压电介 质上有效地激励出质上有效地激励出SAW后后，SAW技术才很快地技术才很快地 发展起来。发展起来。 第8章声表面波4 n在发射叉指换能器上施加适当频率的交流电信号后，在发射叉指

3、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（水平二个分量（Ev和和Eh），通过逆压电效应使指条电），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。电信号输出。 声表面波激发声表面波激发-叉指换能器叉指换能器 第8章声表面波5

4、常用的声表面波器件材料常用的声表面波器件材料 n制作制作SAW器件的基片材料，必须是压电材料。压电材器件的基片材料，必须是压电材料。压电材 料的特性将直接影响所制作的料的特性将直接影响所制作的SAW器件的各项性能，器件的各项性能， 进而对进而对SAW传感器的性能指标产生重要影响。传感器的性能指标产生重要影响。 n表征压电材料性能的重要参数有介电常数、弹性常数、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度系数以及机电耦合系数等，它们分别描述了压电材

5、料的弹性、压电、介电、热学性质。料的弹性、压电、介电、热学性质。 n从应用角度来看，不同用途的压电材料对上述各参数从应用角度来看，不同用途的压电材料对上述各参数 有不同的要求。有不同的要求。 第8章声表面波6 常用的声表面波器件材料常用的声表面波器件材料 n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。 n目前使用的目前使用的SAWSA

6、W基片材料有单晶压电材料（重复性好、可靠性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所以需要有高精度的定向切割技术）、压电陶瓷（机电耦合系、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频率受限，一致性差）

7、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。 第8章声表面波7 8.1 8.1 概述概述 n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 波的波的1010-5 -5倍，因此在同一频段上， 倍，因此在同一频段上，SAW器件的尺寸比相应电磁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

8、的超小型化。量，有利于电子器件的超小型化。 n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。换等处理。 n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，这样使得移过程，这样使得SAW器件具有较强的抗辐射能力和较大的器件具有较强的抗辐射

9、能力和较大的 动态范围。动态范围。 第8章声表面波8 8.1 8.1 概述概述 n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、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、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

10、小型超声马达、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，极为重要的作用。目前，SAW器件正在朝着器件正在朝着GHzGHz频段到频段到10GHz10GHz频段的频段的 超高频化发展。超高频化发展。 n利用利用SAW器件研制、开发新一代传感器始于器件研制、开发新一代传感器始于2020世纪世纪8080年代，起初人年代，起初人 们在研究们在研究SAW电子器件时发现，外界因素电子器件时发现，外界因素( (如温度、压力、磁场、如温度、压力、磁场、 电场、某种气

11、体等电场、某种气体等) )对对SAW传播特性会造成影响，进而研究了这些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，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。用于测量各种化学的、物理的被测参数。 第8章声表面波9 8.1 8.1 概述概述 高精度、高灵敏度高精度、高灵敏度 n由于由于SAW能量集中在介质表面，对外界物理参量的扰能量集中在介质表面，对外界物理参量的扰 动非常灵敏，因而动非常灵敏，因而SAW传感器具有很高的灵敏度，可传感器具有很高的灵敏度，可 以检测到常规传感器难以检测到的微小

12、变化。以检测到常规传感器难以检测到的微小变化。 nSAW压力传感器，精度可达压力传感器，精度可达0.01，灵敏度可达灵敏度可达 0.3l0-6f0Pa。若传感器的中心频率若传感器的中心频率f0为为300MHz， 检测器能检测出检测器能检测出1Hz的频率变化，那么该传感器可反的频率变化，那么该传感器可反 应出应出0.01Pa的压力变化。的压力变化。 nSAW温度传感器，其理论分辨率可达温度传感器，其理论分辨率可达10-7 。 第8章声表面波10 8.1 8.1 概述概述 n准数字输出：准数字输出：SAW传感器工作时以频率信号输出，不传感器工作时以频率信号输出，不 需经需经AD转换便可与微机接口，

13、既便于传输处理，同时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。也减小了数字化带来的误差。 n微型化，低功耗：声表面波传感器为物性型传感器，利微型化，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，加上的能量集中在介质表面，因而损耗低，

14、加上SAW传传 感器电路简单，所以整个传感器的功耗很小。这对于煤矿、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。油井或其他有防爆要求的场合特别重要。 第8章声表面波11 8.1 8.1 概述概述 便于实现无线、无源化便于实现无线、无源化 nSAW器件的工作频率一般在几十器件的工作频率一般在几十MHz到几个到几个GHz，处于射频，处于射频 频段，因而可直接发射，进行遥测。同时利用频段，因而可直接发射，进行遥测。同时利用SAW敏感器件敏感器件 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

15、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、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。密闭腔、易燃、易爆、辐射、高温等特殊环境的检测更为有利。 n9090年代初，德国年代初，德国Siemens公司开发的挪威奥斯陆汽车过桥收费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 定部位的定部位的SAW辨识标签，实现了汽车的不停车收费和达厘米辨识标签，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。级的控制列车进

16、站停靠位置精度。 第8章声表面波12 8.1 8.1 概述概述 n多参数敏感性，抗干扰能力强：声表面波对压力、温度、气多参数敏感性，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，因而的迁移过程，因而SAW传感器具有良好的抗电磁干扰能力。传感器具有良好的抗电磁干扰能

17、力。 n结构工艺性好，便于大批量生产：结构工艺性好，便于大批量生产：SAW传感器是平面结构，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。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传感器中的关键部件SAW谐振器或延迟线，采用半导谐振器或延迟线，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，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。易于大批量生产。 第8章声表面波13 第

18、第8 8章章 声表面波技术及其传感应用声表面波技术及其传感应用 n8.1 8.1 概述概述 n8.2 8.2 声表面波技术基础知识声表面波技术基础知识 n8.4 SAW8.4 SAW传感技术传感技术 8.4.1 SAW 8.4.1 SAW传感器的结构形式与基本原理传感器的结构形式与基本原理 8.4.2 SAW 8.4.2 SAW传感器的信号检测与处理传感器的信号检测与处理 8.4.3 SAW 8.4.3 SAW传感器的温度补偿传感器的温度补偿 n8.5 8.5 典型声表面波传感器简介典型声表面波传感器简介 第8章声表面波14 8.4.1 SAW8.4.1 SAW传感器的结构形式与基本原理传感器

19、的结构形式与基本原理 n声表面波器件包括一个压电材料薄基板和采用薄膜工艺制作在声表面波器件包括一个压电材料薄基板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。基板上的叉指换能器和反射极阵列。 n叉指换能器受叉指换能器受10010010001000MHZ频率的信号激励，由于逆压电效频率的信号激励，由于逆压电效 应实现的电应实现的电声转换，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，其传播速度在产生表面波，其传播速度在30003000m/s40004000m/s左右，即比光速左右，即比光速 慢慢100000左右。左右。 nSAW传感器一般采用振

20、荡器电路形式，其中传感器一般采用振荡器电路形式，其中SAW振荡器是传振荡器是传 感器的核心。感器的核心。SAW传感器的基本工作原理就是利用了传感器的基本工作原理就是利用了SAW振振 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。上述物理量及化学量变化的目的。 第8章声表面波15 8.4.1 SAW8.4.1 SAW传感器的结构形式与基本原理传感器的结构形式与基本原理 nSAW振荡器通常有延迟型

21、（振荡器通常有延迟型（SAWD）和谐振型（）和谐振型（SAWR）两种）两种 结构形式。结构形式。 nSAWD由两个叉指换能器（由两个叉指换能器（IDT）的中心距决定相位反馈，由）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：率为： n式中，式中，v为为SAW的传播速度；的传播速度；l为两个为两个IDT之间的距离；之间的距离；n为取为取 决于电极形状和决于电极形状和l的正整数；的正整数；E为反馈回路的相移。为反馈回路的相移。 nSAWD设计简单，但稳定性较差。设计简单，但稳定性较差。 延迟线型延迟线型

22、2 E n l v f 第8章声表面波16 8.4.1 SAW8.4.1 SAW传感器的结构形式与基本原理传感器的结构形式与基本原理 n谐振型（谐振型（SAWR）由左右两个反射栅阵列构成谐振腔，声表面）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。波在两个反射栅之间来回反射、叠加、共振形成驻波。 n对于叉指间隔和反射栅指条间隔均匀分布的对于叉指间隔和反射栅指条间隔均匀分布的SAWR，SAW波长波长 和和IDT周期长度满足：周期长度满足： nSAW在谐振腔内谐振，谐振型振荡器的振荡频率为：在谐振腔内谐振，谐振型振荡器的振荡频率为： 单端对谐振器单端对谐振

23、器双端对谐振器双端对谐振器 P l 2 P l vv f 2 第8章声表面波17 8.4.1 SAW8.4.1 SAW传感器的结构形式与基本原理传感器的结构形式与基本原理 nSAWSAW延迟线型是属于传输型器件，它利用的是声波的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，设置的另一个行波特性，在波的传播方向上，设置的另一个IDTIDT将将 接收到的声波转换成电信号输出。显然，在这些叉指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。电极中的任何反射都会使得器件性能恶化。 nSAWSAW谐振器型正是利用这种谐振器型正是利用这种SA

24、WSAW的反射性质，使声波在的反射性质，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，将一对反射阵列之间就构成了谐振腔，将SAWSAW限制在谐限制在谐 振腔内以得到能量存储的目的。振腔内以得到能量存储的目的。 第8章声表面波18 8.4.1 SAW8.4.1 SAW传感器的结构形式与基本原理传感器的结构形式与基本原理 n任何量只要能引起任何量只要能引起v、l或或lp发生变化，就会使发生变化，就会使SAW振荡器的振

25、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。建立起频率偏移与待测量之间的关系。 n无源遥测是无源遥测是SAW传感器的一大优势，但工作原理不同于一般传感器的一大优势，但工作原理不同于一般 的的SAW传感器，传感器由压电基片、叉指换能器、反射栅及传感器，传感器由压电基片、叉指换能器、反射栅及 读写器（高频激励读写器（高频激励接收装置）组成。接收装置）组成。 P l vv f 2 2 E n l v f 第8章声表面波19 8.4.1 SAW8.4.1 SAW传感器的结构形式与基本原理传感

26、器的结构形式与基本原理 n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，并通过线信号，并通过IDT将电磁信号转换为声表面波。声表面波经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。磁波信号，并经天线发射出去，再由读写器接收处理。 n脉冲信号从发射到接收的返回时间主要由读写器与脉冲信号从发射到接收的返回时间主要由读写器与IDT天线的天线的 距离距离L、IDT与反射栅之间的距离与反

27、射栅之间的距离l以及声表面波波速以及声表面波波速v来决定，来决定， 即脉冲信号从读写器发射到回收的传播时间为：即脉冲信号从读写器发射到回收的传播时间为： c L v l22 第8章声表面波20 8.4.1 SAW8.4.1 SAW传感器的结构形式与基本原理传感器的结构形式与基本原理 n在遥测时，读写器与敏感基片之间距离的变化也会引起在遥测时，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的时延只反映器件本身的状态，而不受读写器与敏

28、感基片之间 距离的的影响，即：距离的的影响，即： n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。量时延的变化就可以测出被测量。 v lik ik 2 第8章声表面波21 7.4 SAW7.4 SAW传感器的结构形式与基本原理传感器的结构形式与基本原理 n如果相应位置上的反射栅被布置或抽取，则该位置上的脉如果相应位置上的反射栅被布置或抽取，则该位置上的脉 冲可表示编码冲可表示编码“1”或或“0

29、”，相同结构的器件就变成了用于，相同结构的器件就变成了用于 目标辨识的目标辨识的SAW标签（标签（ID-Tag）。）。 nSAW辨识标签具有误码率低、读取时间快、作用距离远、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，因而不受光遮盖和读取方向影响等优点，因而SAW标签是对标签是对 IC射频标签的一个有力补充。射频标签的一个有力补充。 第8章声表面波22 第第8 8章章 声表面波技术及其传感应用声表面波技术及其传感应用 n8.1 8.1 概述概述 n8.2 8.2 声表面波技术基础知识声表面波技术基础知识 n8.4 SAW8.4 SAW传感技术传感技术 8.4

30、.1 SAW 8.4.1 SAW传感器的结构形式与基本原理传感器的结构形式与基本原理 8.4.2 SAW 8.4.2 SAW传感器的信号检测与处理传感器的信号检测与处理 8.4.3 SAW 8.4.3 SAW传感器的温度补偿传感器的温度补偿 n8.5 8.5 典型声表面波传感器简介典型声表面波传感器简介 第8章声表面波23 8.4.2 SAW8.4.2 SAW传感器的信号检测与处理传感器的信号检测与处理 n检测电路主要由检测电路主要由SAW谐振器振荡电路、混频电路、低通滤波谐振器振荡电路、混频电路、低通滤波 及放大电路、频率测量四部分组成。及放大电路、频率测量四部分组成。 n检测电路的性能，特

31、别是振荡器电路的频率稳定性直接决定了检测电路的性能，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。传感器的分辨率、精度、稳定性等性能指标。 n当外界被测量信息变化时，两个当外界被测量信息变化时，两个SAW振荡器的振荡频率发生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。和放大电路处理后，送频率测量部分。 第8章声表面波24 8.4.2 SAW8.4.2 SAW传感器的信号检测与处理传感器的信号检测与处理 n由于硬件不可能做到完全对称，同时温度

32、变化也会影响电路的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。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。 n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。偿方式等。 第8章声表面波25 第第8 8章章 声表面波技术及其传感应

33、用声表面波技术及其传感应用 n8.1 8.1 概述概述 n8.2 8.2 声表面波技术基础知识声表面波技术基础知识 n8.4 SAW8.4 SAW传感技术传感技术 8.4.1 SAW 8.4.1 SAW传感器的结构形式与基本原理传感器的结构形式与基本原理 8.4.2 SAW 8.4.2 SAW传感器的信号检测与处理传感器的信号检测与处理 8.4.3 SAW 8.4.3 SAW传感器的温度补偿传感器的温度补偿 n8.5 8.5 典型声表面波传感器简介典型声表面波传感器简介 第8章声表面波26 1.1.选择零温度系数切型选择零温度系数切型 nSAWSAW传感器的性能在很大程度上是由压电基片传感器的

34、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，这就为传播方向上具有不同的敏感特性，这就为SAWSAW 传感器优化设计提供了一种思路，传感器优化设计提供了一种思路， n选择基片切型使其对被测量有最大的敏感性，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。而对其它干扰因素如温度有尽可能小的敏感性。 如石英晶体的如石英晶体的STST切（欧拉角：切（欧拉角：0 0，132.75132.75，0 0） 就是典型的零温度系数切型。就是典型的零温度系数切型。 第8章声表面波2

35、7 2.2.差动法差动法 n采用两个完全相同的采用两个完全相同的SAWRSAWR，并在结构上保证一个受拉应力，另，并在结构上保证一个受拉应力，另 一个受压应力。若取参考温度为一个受压应力。若取参考温度为T T0 0，那么温度对频率的影响可，那么温度对频率的影响可 表示为：表示为： n若若SAWR1SAWR1受拉应力，那么同时在被测量受拉应力，那么同时在被测量和温度和温度T T的作用下，其的作用下，其 输出频率为：若输出频率为：若SAWR2SAWR2受压应力，那么同时在被测量受压应力，那么同时在被测量-和温度和温度 T T的作用下，其输出频率为：的作用下，其输出频率为： 00 ( )()() d

36、f f Tf TTT dT 1 1100 ( , )()() (1) df fTf TTTk dT 2 2200 (, )()() (1) df fTf TTTk dT 第8章声表面波28 2.2.差动法差动法 n混频后取差输出：混频后取差输出： n差频随温度的变化率：差频随温度的变化率： n实际中由于实际中由于k1，所以可忽略应变的影响，得到，所以可忽略应变的影响，得到 n若两个若两个SAWR温度特性完全相同，则温度特性完全相同，则 21 200100 ()() (1)()() (1) d dfdf ff TTTkf TTTk dTdT 21 (1)(1) d dfdfdf kk dTdTd

37、T 21d dfdfdf dTdTdT 0 d df dT 第8章声表面波29 3.3.数字补偿法数字补偿法 n由前面分析可知，单个由前面分析可知，单个SAWSAW振荡器的频率输出振荡器的频率输出 可表示为可表示为: : n由此可得：由此可得： n对每个对每个SAWR，它的温度函数，它的温度函数v(T)是确定值，是确定值， 可通过实验并用曲线拟合法将它求出来。实际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。芯片来实现温度补偿。 0 ( , )(1) ( )fTfkv T 0 1( , ) (1)

38、 ( ) fT Kf v T 第8章声表面波30 4.4.浮动零点法浮动零点法 n差动补偿法在实际测量中应用是较多的，然而用这种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，仍然还有约传感器，在经过差动补偿后，仍然还有约100Hz100HzK K的的 温度误差。温度误差。 n数字补偿法必须要对每个传感器事前进行温度特性测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

39、器工作时，还得附加温度传感器和计试，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。算功能，因而增加了复杂性和成本。 n浮动零点法是一种新的温度误差校正方法，该方法以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。很容易实现的方法。 第8章声表面波31 4.4.浮动零点法浮动零点法 n(1)(1)在初始状态有关系式：在初始状态有关系式： n(2)(2)当有被测量作用时，当有被测量作用时，f1 1增加，增加，f2 2减小，减小，f增加，并假定差增加，并假定差

40、 频的增量为：频的增量为： n(3)(3)当温度增加时，两个振荡器输出频率将同时增加，但很可当温度增加时，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：能增加量不等，此时仍会出现差频增量： 01020 ffff 110 dfff 221 dfff 1 fdf 第8章声表面波32 4 4 浮动零点法浮动零点法 n当被测量增加时，根据并动原理，当被测量增加时，根据并动原理，f1和和f2沿着相反方沿着相反方 向变化，此时差额的增量：向变化，此时差额的增量： 332 dfff 13 fdfdf 第8章声表面波33 4 4 浮动零点法浮动零点法 n以上分析可看出，在整个测量中

41、，不仅要测量两个振荡器输出以上分析可看出，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。频率的大小，同时要判断它们的变化方向。 n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，依据两个频率零点），并将差频的变化，依据两个频率f1 1和和f2 2的变化方向来的变化方向来 判断哪些差频是有用信号、哪些是无用信号，将无用信号作为判断哪些差频是有用信号、哪些是无用信号，将无用

42、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。出信号。 n这就意味着，温度或其他共模干扰的影响能被消除。这就意味着，温度或其他共模干扰的影响能被消除。 第8章声表面波34 第第8 8章章 声表面波技术及其传感应用声表面波技术及其传感应用 n8.1 8.1 概述概述 n8.2 8.2 声表面波技术基础知识声表面波技术基础知识 n8.4 SAW8.4 SAW传感技术传感技术 n8.5 8.5 典型声表面波传感器简介典型声表面波传感器简介 8.5.1 8.5.1 声表波压力（应力）传感器声表波压力（应力）传感器 8.5

43、.2 8.5.2 声表波气体传感器声表波气体传感器 8.5.3 8.5.3 声表波标签声表波标签 第8章声表面波35 8.5.1 8.5.1 声表波压力（应力）传感器声表波压力（应力）传感器 n在外界环境条件作用下，在外界环境条件作用下，SAWSAW振荡器的输出信振荡器的输出信 号频率可随着外界热场、力场号频率可随着外界热场、力场( (如力、压力、如力、压力、 加速度场等加速度场等) )、电场、磁场、湿度、气体浓度、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。线性弹性特性引起的。 nSAWSAW压力传感器的研

44、究正是基于压力传感器的研究正是基于SAWSAW振荡器对压振荡器对压 力的显著敏感性。力的显著敏感性。SAWSAW压力传感器设计的基本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的灵敏度，同时最大限度地减小其对其他量的 敏感性。敏感性。 第8章声表面波36 8.5.1 8.5.1 声表波压力（应力）传感器声表波压力（应力）传感器 nSAWSAW器件：器件：SAWSAW压力传感器采用压力传感器采用SAWSAW器件作为其基本的压力敏感器件作为其基本的压力敏感 元件。元件。SAWSAW器件可以是器件可以

45、是SAWSAW延迟线，也可以是延迟线，也可以是SAWSAW谐振器。但就谐振器。但就 测压来说，测压来说，SAWSAW谐振器用得最多，因为它比谐振器用得最多，因为它比SAWSAW延迟线具有更好延迟线具有更好 的性能。的性能。SAWSAW器件的基本任务是感受外界压力信息。要精心设器件的基本任务是感受外界压力信息。要精心设 计计SAWSAW器件，使它具有高的品质因数及低的插入损耗，同时要器件，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。使振荡器的振荡频率随外界压力的变化呈线性变化。 n信号检测电路：在信号检测电路：在SAWSAW压力传感器中，信号检测电路

46、部分的任压力传感器中，信号检测电路部分的任 务是将因压力扰动而产生的务是将因压力扰动而产生的SAWSAW敏感器件性能参数的变化转换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量。信号检测电路一般由SAWSAW振荡器电路以及信号调理电路组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。成。如果采用多通道测量方案，那么其中还应包括混频电路。 第8章声表面波37 8.5.1 8.5.1 声表波压力（应力）传感器声表波压力（应力）传感器 nSAWSAW

47、振荡器通道数的选样，也影响着振荡器通道数的选样，也影响着SAWSAW压力传感器的测量精度。压力传感器的测量精度。 假定假定SAWSAW压力传感器采用单通道振荡器结构，即仅在压电膜片压力传感器采用单通道振荡器结构，即仅在压电膜片 上制作一个上制作一个SAWSAW谐振器，由其组成单个谐振器，由其组成单个SAWSAW振荡器，这样，传感振荡器，这样，传感 器在被测压力器在被测压力P P及环境温度及环境温度T T的作用下的作用下( (设其他条件不变设其他条件不变) )，输出，输出 的频率可近似表示为：的频率可近似表示为： n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一般来说，在令人感兴趣的温

48、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，某一采用石英的度灵敏度远比满量程压力灵敏度高。例如，某一采用石英的 SAWSAW压力传感器的压力灵敏度为压力传感器的压力灵敏度为100010001010-6 -6。而在 。而在-65-65+ + l25l25温度范围内，石英的温度灵敏废达到温度范围内，石英的温度灵敏废达到400040001010-6 -6。这说 。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 振荡器结构的振荡器结构的SAWSAW压力传感器的精度不高。压力传感器的精度不高。 00 ( , )1

49、()f P TfPTT 第8章声表面波38 8.5.1 8.5.1 声表波压力（应力）传感器声表波压力（应力）传感器 n如果采用差频方法，抵消传感器输出中的温度如果采用差频方法，抵消传感器输出中的温度 项，而只保留压力项，而只保留压力项项，则可实现温度补偿。于，则可实现温度补偿。于 是，是，一一个可能的温度补偿方案就是采用双通道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谐振器结构，即在同一个压电膜片上制作两个 SAWSAW谐振器，组成两个独立的振荡器，用两振谐振器，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。荡器频率之差作为被测压力的度量。

50、n设计两个设计两个SAWSAW谐振器的尺寸、性能参数完全相谐振器的尺寸、性能参数完全相 同，并采用完全一样的振荡器线路，则此时传同，并采用完全一样的振荡器线路，则此时传 感器的输出为：感器的输出为： 1201200 ()()()ff Pf TT 第8章声表面波39 8.5.1 8.5.1 声表波压力（应力）传感器声表波压力（应力）传感器 n合理安排两谐振器在石英晶体膜片上的位置，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。使它们的压力系数之差的绝对值达到最大。 n同时，由于两谐振器制作在同一基片上，靠得同时，由于两谐振器制作在同一基片上，靠得 非常近，而且性

51、能参数设计完全一样，因而它非常近，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。实现了传感器的温度补偿。 1201200 ()()()ff Pf TT 第8章声表面波40 8.5.1 8.5.1 声表波压力（应力）传感器声表波压力（应力）传感器 n由上面分析发现，采用双通道谐振器型振荡器由上面分析发现，采用双通道谐振器型振荡器 结构不仅可以理想地实现结构不仅可以理想地实现SAWSAW压力传感器的温压力传感器的温 度补偿，

52、而且能够通过合理设计两谐振器位置，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向变化，那么整个传感器的灵敏度也将会大大 提高。提高。 n同时，采用双通道结构还可能排除温度以外的同时，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，就会得到一举多其他环境因素的干扰，这样，就会得到一举多 得的效果得的效果。 1201200 ()()()ff Pf TT 第8章声表面波41 第第8 8章章 声表面波技术及其传感应用声表面波技术及其传感应用 n8.1 8.1 概述概述

53、 n8.2 8.2 声表面波技术基础知识声表面波技术基础知识 n8.4 SAW8.4 SAW传感技术传感技术 n8.5 8.5 典型声表面波传感器简介典型声表面波传感器简介 8.5.1 8.5.1 声表波压力（应力）传感器声表波压力（应力）传感器 8.5.2 8.5.2 声表波气体传感器声表波气体传感器 8.5.3 8.5.3 声表波标签声表波标签 第8章声表面波42 1.1.概述概述 n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，它是可以控制载流用半导体气敏传感器。半导体与金属不同，它是可

54、以控制载流 子数量的材料，当载流于数量很少时，半导体会呈现出明显的子数量的材料，当载流于数量很少时，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。度的一种手段。 n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 加热温度为加热温度为300300500500。这就导致半导体材料内部晶粒不断。这就导致半导体材料内部晶粒不断 生长，

55、使传感器性能恶化，灵敏度下降，稳定度变差，寿命缩生长，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，必须经或电容式，输出为模拟信号，必须经A AD D转换才能与微处器结转换才能与微处器结 合，这样，又使精度下降。合，这样，又使精度下降。 第8章声表面波43 2.2.声表面波气体传感器的工作机理声表面波气体传感器的工作机理 n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。声表面波器件的波速和频率会随外界环境的变化而发生漂移。 n声表面波气敏传感器就是

56、利用这种性能在压电晶体表面涂覆一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。晶体的声表面波频率发生漂移。 n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

57、的变化也不同。声表面波频率的变化也不同。 n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。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。 第8章声表面波44 2.2.声表面波气体传感器的工作机理声表面波气体传感器的工作机理 n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

58、关。性等也与敏感膜的性质和结构密切相关。 n19791979年出现的第一台年出现的第一台SAWSAW气体传感器是以单通道气体传感器是以单通道SAWSAW延迟线振荡延迟线振荡 器为基础的。在延迟线的两个叉指换能器之间（即器为基础的。在延迟线的两个叉指换能器之间（即SAWSAW传播路传播路 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作用。吸附了气体的薄膜会导致SAWSAW振荡器振荡频率变化。由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。精确测量频率的变化就可测得所需气体浓度。 第8章

59、声表面波45 2.2.声表面波气体传感器的工作机理声表面波气体传感器的工作机理 n在双通道在双通道SAWSAW延迟线振荡器结构中，一个通道的延迟线振荡器结构中，一个通道的SAWSAW传播路径被传播路径被 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。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。偿。 n在在SAWSAW气体传感器中，除气体传感器中，除SAWSAW延迟线之外，最关键的部件就是有延迟线之外，最关键的部件就是有 选择性的气敏薄膜。选择性的气敏薄膜。SAWSAW气体传感器的敏感机理随气敏薄膜的气体传感器的敏感机理随气敏薄膜的 种类不向而异。种类不向而异。 第8章声表面波46 3.3.敏感薄膜与传感器特性之间的关系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与传感器的选择性 n薄膜的选择性是薄膜的选择性是SAWSAW气体传感器的一项重要性能指标。薄膜对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气体的选择性决定了SAWSAW气体传感器的选择性