声表面波传感器的综述

声表面波传感器的综述摘要：声表面波(SAW)是一种在固体浅表面传播的弹性波，SAW传感器是电子技术与材料科学相结合的产物。由于SAW传感器具有非接触、快速、无电源、抗干扰、易编码、保密性好、成本低等优点，目前已广泛应用于许多领域。同时，SAW传感器也朝着更高精度更智能化等发展趋势发展。关键字：声表面波特点应用发展趋势1.声表面波的基本原理声表面波(surfaceacousticwave，SAW)是英国物理学家瑞利在19世纪80年代研究地震波的过程中偶尔发现的一种能量集中于地表面传播的声波。声表面波是一种在固体浅表面传播的弹性波，它存在若干模式，主要包括Rayleigh波、Love波、Lamb波、B2G波、漏剪切声表面波以及快速声表面波模式的准纵漏声表面波等［1］。瑞利波是应用比较广泛的声表面波，瑞利波质点的运动是一种椭圆偏振，它是相位差为90°的纵振动和横振动合成的结果。表面质点作反时针方向的椭圆振动，其振幅随离开表面的深度而衰减如图1所示，但纵振动与横振动的衰减不一致，其衰减规律如图2所示。自由米询…0•叮11.以图1在各向同性固体中，瑞利波质点运动随深度的变化图

图2在各向同性固体中，瑞利波的纵震动与横震动随深度的变化图由图可见，瑞利波能量集中在约1个波长深的表面层内。频率愈高，集中能量层愈薄。这一特点使SAW较体波更易获得高声强，同时该特点也使基片背面对SAW传播的影响很小，因而就SAW器件本身而言，对基片的厚度及背面质盘无严格要求［2］。2.SAW传感器1965年，美国怀特和沃尔特默发表题为“一种新型声表面波声一一电转化器”的论文，取得了声表面波技术的关键性突破，首次采用叉指换能器IDT激发SAW，加速了声表面波技术的发展。SAW传感器是电子技术与材料科学相结合的产物，它由SAW振荡器、敏感的界面膜材料和振荡电路组成。SAW传感器的核心部件是SAW振荡器，由压电材料基片和沉积在基片上不同功能的叉指换能器所组成，有延迟线型（DL型）和谐振器型（R型）两种。如下图所示［3］。图4谐振器型SAW传感器延迟线型SAW振荡器由声表面波延迟线和放大电路组成。输入换能器IDT1激发出声表面波，传播到换能器IDT2转换成电信号，经放大后反馈到IDT1以便保持振荡状态。只要放大器的增益足够高，足以抵消延迟线及外围电路的损耗，并且满足一定的相位条件，这一系统就能产生振荡。谐振器型SAW振荡器，声表面波在反射栅阵列之间来回反射多次，当反射栅2个相邻的指条之间的距离为半波长的整数倍时，就形成驻波，这时在2个反射栅阵列之间就形成谐振腔。将2个IDT置于驻波场的波腹处，就可以构成谐振腔。发射和接收IDT用来完成声电转换。当对发射叉指换能器加以交变信号时，相当于在压电衬底材料上加交变电场。这样材料表面就产生与所加电场强度成比例的机械形变，产生SAW，只要放大器的增益能补偿谐振器及其连接导线的损耗，同时又能满足一定的相位条件，这样组成的振荡器就可以起振并维持振荡。在实际应用中，SAW传感器往往使用双通道结构，如图5所示。1个通道用于测量，另1个通道用于对环境温度、湿度、压力等因素的补偿。图5双通道延迟线SAW振荡器3.SAW传感器的特点SAW传感器是继陶瓷、半导体等传感器的一支后起之秀。与传统传感器相比，它具有性能高、体积小、能承受极端工作条件（如高温、强电磁辐射）等优点。此外，SAW传感器可实现无源化，无须外部供电，这使得它比传统的传感器更能胜任无接触测量，例如：高速转子、快速移动物体以及密封物体内部等各种条件下的物理化学参数检测。3.1由于采用压电基片上的叉指换能器，不需要另外能量即可完成电磁波一声表面波一电磁波能量转换过程，而且声表面波换能没有阈值，效率极高，极少电磁波能量就能完成电磁波的收发过程。因此，SAW传感器不需额外能量，即它是真正无源元器件。由此，它具有不需维护，使用寿命长等优点，特别适合用于难以维护或需要长期工作的场合。3.2由于叉指换能器可与射频辐射天线直接相连，达到收发射频信号的目的，所以能直接完成无线应用，大大简化了SAW传感器节点的结构。最简单的SAW传感器节点仅由声表面波压电编码传感单元芯片和直接相连的天线组成，成本低，适于推广应用。3.3由于声表面波声速比电磁波光速低许多，声表面波传播4mm距离，即可延时一微秒左右。一微秒延迟时间，足以避免近距（＜100米）内射频多次反射杂波的干扰，大大提高了有效回波的信噪比，有利于增加反射延迟型SAW传感器的读写距离或减小读写器的射频辐射功率。3.4由于声表面波换能过程中没有载流子参与，所以SAW传感器耐辐射，抗干扰能力特强，可以用于多种恶劣环境。3.5SAW传感器可工作于较宽的环境温度范围。采用常用的压电晶体，器件最高工作温度可大于200°C。采用特别的封装，已证实能较长期工作在300°C环境中。若采用特种压电材料，传感器的工作温度可更高［4］。4.SAW传感器的应用由于SAW传感器具有非接触、快速、无电源、抗干扰、易编码、保密性好、成本低等优点，目前，已广泛应用于许多领域。由它构成的传感器阵列，传感单元之间可无信号线连接，阵列输出也无需引线连接，分布更容易，应用不受限制，特别适合一些应用环境复杂，不宜接触的工程结构和环境的遥测、传感和目标识别。因此，对SAW传感器的研究，尤其是对更远距离SAW传感器研究，有更广泛的应用前景。4.1有源声表面波传感器4.1.1VOCs气体检测基于谐振器型SAW传感器的气体检测中：高温气化后的VOCs到达温度较低的传感器表时，VOCs迅速液化并粘附在传感器表面，从而导致传感器振荡频率发生变化，通过检测并记录这一变化过程，实现对VOCs的硷测。依靠冷凝原理的SAW感器具有以下优点：首先，VOCs的冷凝是一个物理过程，只要有效控制物理条件，这个过程就会表现出较好的重现性和稳定性；检测结束后可通过加热实现对传感器的清洗，过程简单，传感器使用寿命较长。其次，依靠冷凝原理工作的SAW传感器，可以通过调节其基底温度调整传感器的灵敏度，当检测不同浓度和沸点的VOCs时，传感器的灵活性更强。与延迟线型SAW传感器相比，谐振型SAW传感器具有Q值高、插损小和更加灵敏的优点。当传感器以石英为基底材料，制备采用传统光刻工艺，沿36°Y切割X晶向；叉指电极包括输入、输出换能器各50.5对，传感器谐振频率250MHz，输入输出换能器周期12.55Mm，输入、输出换能器间间距为1.25个波长，电极厚度为200nm，换能器孔径800pm；反射器两侧各350根，反射器周期12.55mm，反射器和换能器的间距为1个波长；芯片面积为6.3mmXl.7mm。选用两个谐振频率有一定差异（一般为几百kHz到1MHz左右）的传感器，频率较低的一个作为检测器件，另一个作为参考器件，采用差动的方法得到有效信号。这样的设计即减小了环境中共模噪声（如温度、湿度等）对检测结果的影响，又降低有效信号的频率，减小了信号检测的难度。由于该差动信号直接反应了被测物质的信息，称其为质量信号。质量信号在经过滤波、整形后以方波的形式进入信号检测电路［5］。4.1.2声表面波化学传感器金属电极材料被蒸发或溅射到压电基片上成叉指状，形成产生表面声波的部件。沿基片传播的表面声波由叉指电极激励，当基片或基片上覆盖的特异薄膜材料受被测对象调制时，其表面声波的工作频率将改变并由接收叉指电极（经相反机理）接收，从而构成频率输出的传感器。1984年Wohlfjen等首先提出了表面声波化学传感器的质量响应关系式：A/=（岛+肪）P/咨-珞/强4问咋）：-'--⑴式中k1、k2为压电晶体材料常数，VR为瑞利波速，h为表面膜厚度，p为膜密度，M为膜材料的剪切模量，入为膜的Lame常数，f0为基频，△f为频移。对于ST-切石英晶体，忽略粘弹性作用，式（1）可写成---""二」（》（2）该式反映了质量变化对频移的影响，即振荡频率随基片或基片所覆盖的薄膜上吸附物质的质量增加而减小°SAW的基频可以达到GHz水平，因此SAW化学传感器比QCM化学传感器更为灵敏，其检测下限理论上可达fg。质量敏感性压电化学传感器SAW的原理是传感器的敏感元件与被测物相互作用时，引起振荡器自身声波参数振幅、频率、波速等的变化，通过测量频率变化而获得测量量的质量/浓度信息。4.2无源无线声表面波传感器近年来，深入开发SAW器件的无源特征和无线应用的工作得到极大重视，研发的直接利用天线射频能量的射频识别型声表面波传感器都是基于其特有的低耗电-声-电能量转换机理和良好的无线传输特性。植入式无源无线温度传感器：谐振型SAW传感器由于具有品质因数高、插入损耗低的特点，在无源无线传感检测系统的研究中备受关注。谐振型SAW传感器结构主要由压电基底、叉指电极(IDT)和反射栅构成，其中反射栅构成声学谐振腔，叉指电极则将激励信号的能量导入和将谐振腔内的能量导出，结构如图6所示谐振器频率取决于叉指换能器的叉指间距和波传播速度，如式(3)所示■-F⑶式中:f0是谐振器在常温下的谐振频率，v是声表面波的波速，L为叉指电极的间距。当SAW谐振器压电基片的温度变化时，会引起声表面波传播速度和反射栅的间距的变化，从而引起谐振器谐振频率f发生变化，即d;(\LIf— ■■■一,■' ' >!(4)由于温度变化引起基片的尺寸变化较小，因此平1电H二_L站|4Ct/x琪; , (5)式中：△v、△分别为声表面波传播速度和温度的变化值,Ctf为频率温度系数，该温度系数是随着晶体的切向而变化的［6］。叉指换能器压电基底反射栅图6单端口谐振型SAW传感器结构植入式装置包括3个模块：天线模块、AC/DC模块、SAW传感模块，它完成生物体内温度信号的测量和发送。其简化电路结构如图7所示，天线模块由ANT1和ANT2构成。其中，能量耦合天线ANT1为线绕电感线圈负责外界辐射能量的接收，由平均直径为14mm圈数为30匝的漆包线构成;射频天线ANT2为环形天线负责将体能的温度信号传输到体外，由平均直径为2mm圈数为15匝的漆包线构成。AC/DC模块由全波整流电路和稳压电路构成，前者将天线ANT1耦合接收到的交流信号转化为直流信号，后者则将该直流信号转化为稳定的电压信号为SAW传感模块提供激励°SAW传感模块包括了有源振荡电路和声表面波传感器2个部分。整个植入式装置采用生物相容性硅胶封装。图7传感器原理框图5.SAW传感器的发展趋势一、高精度高灵敏度：对于传感器应用，高精度与高灵敏度是其基本要求。在一些应用领域如角速率、温湿度以及某些气体传感器，SAW传感器的检测精度以及灵敏度还不能与传统传感器相比，因此需要采用一些新方法新技术，改善器件性能，提高系统稳定性。二、小型化/便携式：传感器的应用大都不是单一的，多是与其他机械或者电子系统集成或者共同使用，这样SAW传感器系统必须尽可能减小体积，便携式且低功耗，满足各种机载、车载、航载等要求，这样才能相对于其他类型的传感器具有更大的竞争力;三、多功能集成化、低成本：单一功能的传感器逐渐消失于人们的视野，主要是使用单一功能传感器成本高，系统合成困难且稳定性低。这样多功能集成SAW传感器就成为人们的一个兴趣热点，结构简单、系统体积小且大大降低了系统成本；四、智能化与无线传感网络：许多参量的检测条件是危险剧毒环境，有的测试对象本身就是变化的，这样有源传感器难以满足这一检测需求，而无线传感网络则由于其无源多面特点即可解决这一问题。另外，智能化是当今信息化时代的一个显著特征，结合自动化控制等实现传感器的智能化也是SAW传感器的一个重要发展方向。参考文献:WATSONG,STAPLESE.,SAWresonatorsasvaporsensors.ProceedingsIEEE,1990.1:p.311-314.王利敏，声表面波气体传感器技术.舰船科学技术,2006.28(2):p.