新型传感技术及应用 课件 第五部分：典型传感器-声表面波式传感器

新型传感技术及应用第五部分：典型传感器（8）-声表面波传感器主要内容第一部分：基础知识第二部分：传感器的特性第三部分：敏感结构的材料与工艺第四部分：敏感结构的建模第五部分：典型传感器

第六部分：传感器的典型应用2

（8）-声表面波传感器3第五部分思考题（8）发表在MOOC讨论区里1.讨论声表面波叉指换能器用到的基本原理或效应；2.简要说明下图所示传感器对你的启示；3.设计一种声表面波压力传感器，讨论提高灵敏度的措施5.8.1声表面波基本知识5.8.2声表面波谐振器5.8.3典型的声表面波传感器455.8.1声表面波基本知识1886年，英国物理学家瑞利在研究地震波过程中发现的一种能量集中于地表面传播的声波→声表面波；1965年，美国R.M.White和F.M.Voltmov发明了能在压电材料表面激励声表面波的叉指换能器；叉指换能器加速了声表面波技术发展，出现了各具特色的声表面波器件，并应用到许多领域；声表面波器件的频率特性对温度、压力、磁场、电场、某些气体成分等敏感，利用有关规律，可设计、研制和开发多种声表面波传感器

声表面波叉指换能器6声表面波传感器主要优点：(1)高精度、高灵敏度、高分辨力：如，声表面波压力传感器相对灵敏度达0.3×10-6/Pa；若传感器中心频率为300MHz，能检测出1Hz频率变化，则该传感器可反映出1Pa压力变化；对于声表面波温度传感器，理论分辨率可达10μ℃；(2)工艺性好、便于批量生产：声表面波传感器为平面结构，设计灵活、易于组合、集成，实现单片多功能化与智能化；(3)体积小，质量小，功耗低：声表面波90％以上能量集中在距表面一个波长左右深度内，损耗低；声表面波传感器电路简单，低功耗的优点使其可用于煤矿、油井等有防爆要求场合；(4)与微处理器接口简单：声表面波传感器直接输出频率，便于传输、处理，极易与微处理器直接接口5.8.1声表面波基本知识7叉指换能器由若干淀积在压电衬底材料上的金属膜电极组成；这些电极条互相交叉放置，两端由汇流条连在一起，其形状如同交叉平放的两排手指叉指换能器的基本特性：(1)工作频率高：当指宽a与间隔b相等，波长为4倍指宽（λ=4a），声表面波工作频率——材料的表面波声速→对于确定基片材料(声速确定)，叉指换能器最高工作频率只受工艺可实现的最小电极宽度限制；如当线宽0.3μm，石英基片换能器工作频率可高达3GHz

5.8.1声表面波基本知识声表面波叉指换能器8——中心频率(工作频率)(Hz)叉指换能器的基本特性：(2)带宽直接取决于叉指对数：对于均匀、等指宽、等间隔的叉指换能器，带宽可简单表示为→中心频率确定后，带宽只决定于叉指对数，设计灵活——叉指对数(3)具有互易性：叉指换能器即可激励声表面波，也可接收声表面波，便于设计、应用；但也带来麻烦，如声电再生等次级效应将使器件性能变坏；(4)微机械加工优点：重复性、一致性、互换性好，便于批量生产→声表面波叉指换能器是一个非常重要的声表面波器件，是声表面波技术、声表面波传感器实用化的基础5.8.1声表面波基本知识声表面波叉指换能器5.8.1声表面波基本知识5.8.2声表面波谐振器5.8.3典型的声表面波传感器9105.8.2声表面波谐振器

声表面波谐振子（SAWR：SurfaceAcousticWaveResonator）由叉指换能器及金属栅条式反射器构成，一对叉指换能器一个发射声表面波，一个接收声表面波声表面波谐振子工作原理和压电石英晶振或石英谐振器一样，声表面波被限制在谐振腔内；工艺决定其性能声表面波谐振子基本结构115.8.2声表面波谐振器

图示为三种常用的声表面波谐振子结构简图；图（a）最简单的单叉指换能器式谐振子；图（b）双叉指换能器式谐振子；图（c）带耦合器双叉指换能器式谐振子输入或输出换能器两边设置周期性反射栅条；声表面波波长近似等于栅条周期2倍时，反射栅像一面镜子，在谐振频率上，声表面波叠加在一起，实现高性能谐振敏感单元；声表面波谐振子基片选用不同压电材料制作时，应用特性与特点不同三种常用声表面波谐振子结构简图125.8.2声表面波谐振器

图示为由声表面波谐振子，与放大器、匹配网络构成的声表面波谐振器闭环结构原理图；机械品质因数高，工作在甚高频和超高频段的重要器件声表面波谐振子输出信号经放大后，正反馈到输入端；当放大器增益能补偿回路中损耗，满足一定相位条件，则声表面波谐振子就可以起振、自激；声表面波谐振子的频率会随被测量而变化，可实现多种声表面波（谐振式）传感器

声表面波谐振子(SAWR)组成的谐振器结构原理图5.8.1声表面波基本知识5.8.2声表面波谐振器5.8.3典型的声表面波传感器13145.8.3典型的声表面波传感器（压力）两个声表面波谐振子分别连接到放大器反馈回路中，构成输出频率的谐振器；两个谐振器输出频率经混频、低通滤波和放大，得与外加压力对应的差频输出；1.结构原理图示为该传感器原理示意；关键部件是在石英晶体膜片上制备的压力敏感芯片；两个完全相同声表面波谐振子SAWR1、SAWR2分别置于膜片中央和边缘；两个声表面波谐振子相距很近，故环境温度变化对它们的影响基本相同，差频信号可以大大减小或抵消温度对输出的影响，实现温度补偿声表面波谐振式压力传感器155.8.3典型的声表面波传感器（压力）2.特性方程图声表面波谐振器的谐振频率是压力p和温度T的函数两个谐振器的输出频率分别为声表面波谐振式压力传感器165.8.3典型的声表面波传感器（压力）2.特性方程传感器输出差频为由外加压力和温度差引起的频率偏移分别为——温度变化引起两个声表面波谐振器频率偏移(Hz)→参数选择合适，该差动检测方式的压力传感器灵敏度远高于单通道检测方式；而温度变化引起的差频输出偏移远小于由温度所引起的单通道内的频率偏移声表面波谐振式压力传感器175.8.3典型的声表面波传感器（加速度）声表面波谐振式加速度传感器图示为一种典型的声表面波谐振式加速度传感器原理图；压电材料制成弹性悬臂梁，上表面设置声表面波谐振子；悬臂梁自由端敏感质量块感受被测加速度，产生惯性力，导致表面变形，改变声表面波波速，引起谐振器频率的变化；声表面波加速度传感器实现加速度→力→应变→频率变换，通过输出频率解算被测加速度1.结构原理

a185.8.3典型的声表面波传感器（加速度）声表面波谐振式加速度传感器

a2.特性方程加速度传感器输出频率为——零加速度时声表面波谐振器的频率——敏感质量块的质量——声表面波谐振器在悬臂梁的位置——零加速度时声表面波传播的速度和波长→利用该模型，可以针对加速度传感器相对灵敏度，设计悬臂梁和敏感质量块的结构参数195.8.3典型的声表面波传感器（加速度）声表面波谐振式加速度传感器

a2.特性方程自由端带有敏感质量块的悬臂梁的最低阶固有频率→利用该式，可针对加速度传感器最低