儀表與傳感器PPT課件

1、1 （1）具有較低的傳播速度和較短的波長；（2）沿固體表面?zhèn)鞑サ模覀鞑ニ俣容^慢；（3）晶體表面?zhèn)鞑サ膹椥圆?，不涉及晶體內(nèi)部電子的遷移過程；（4）采用單晶材料和用平面工藝制造，故重復(fù)性和一致性好，易于大批量生產(chǎn)。聲表面波特點（相比電磁波） 第1頁/共49頁2濾波器、延遲線、振蕩器、混頻器、放大器、卷積器、相關(guān)器、編碼器、聲光調(diào)制器、聲光偏轉(zhuǎn)器、聲光開關(guān)、超聲馬達(dá)、射頻標(biāo)簽和傳感器等。特別是其作為一種快速、超小型的頻率控制、選擇和信號處理器件，對電子和通信系統(tǒng)的發(fā)展起著極為重要的作用。目前，SAW器件正在朝著GHz頻段到10GHz頻段的超高頻化發(fā)展?？梢灶A(yù)測它將在信號檢測、信號處理中發(fā)揮越來越重

2、要的作用。聲表面波器件 第2頁/共49頁3 用SAW器件研制、開發(fā)新型傳感器始于20世紀(jì)80年代，起初，人們發(fā)現(xiàn)外界因素(如溫度、壓力、磁場、電場、某種氣體等)對聲表面波傳播特性會造成影響，進(jìn)而研究這些影響與外界因素的關(guān)系。根據(jù)這些函數(shù)關(guān)系設(shè)計了各種所需結(jié)構(gòu)用于測量各種化學(xué)的、物理的、生物的被測參數(shù)。第3頁/共49頁4 盡管SAW傳感器的歷史并不長，在實用化方面尚有很多困難，但由于它的符合信號系統(tǒng)小型化、數(shù)字化、智能化和集成化、高精度的發(fā)展方向，因而越來越受到傳感器行業(yè)的青睞，世界上許多國家對SAW傳感器的開發(fā)研究極為關(guān)注。從80年代至90年代，SAW傳感器在歐美，特別是在日本，獲得了迅速發(fā)展

3、，出現(xiàn)了十幾種類型的SAW傳感器。近十幾年來，SAW技術(shù)、電子技術(shù)和微平面工藝的不斷發(fā)展，使SAW振蕩器的頻率不斷提高，器件和電路Q值不斷增大，這為SAW傳感器的發(fā)展提供了良好契機(jī)。 第4頁/共49頁58.2 聲表面波技術(shù)的基礎(chǔ)知識1. 什么是聲表面波 SAW泛指沿表面或界面?zhèn)鞑サ母鞣N模式的波 機(jī)械波機(jī)械波在表面?zhèn)鞑?，能量在表面?zhèn)鞑?，能量集中在厚度不超過集中在厚度不超過1 1個波長的表層個波長的表層第5頁/共49頁6SAW第6頁/共49頁7SAW的激發(fā)1. 基于壓電材料的壓電效應(yīng)與逆壓電效應(yīng)電能機(jī)械能電能2. 波在不連續(xù)介質(zhì)處的反射第7頁/共49頁8Concept: IDT第8頁/共49頁9

4、聲波可以用質(zhì)點離開平衡位置的位移來表示，對于壓電體，聲波的傳播還伴隨著電場和電勢，因此描述聲波的變量還要有電勢，一共四個量。222333332111112233333111110Elkiklmmikilmimimimskiklimiklimilimcex xx xtex xx x SAW的描述第9頁/共49頁102. 聲表面波的類型 不同的邊界條件和傳播介質(zhì)條件可以激發(fā)出不同模式的聲表面波。 在半無限基片上存在的聲表面波有瑞利波(Rayleigh waves)、漏波(Leaky SAW)、廣義瑞利波（Generalized Rayleigh waves）、水平剪切波(SH-SAW)、電聲波(B

5、-G waves)、蘭姆波(Lamb waves)等。 在層狀結(jié)構(gòu)的基片存在有樂甫波(Love waves)、西沙瓦波(Sezawa waves)、斯東萊波（Stoneley waves）等。第10頁/共49頁113. 瑞利波特點 瑞利波是在半無限基片邊界條件下沿介質(zhì)表面?zhèn)鞑サ穆暡ǎ琒AW技術(shù)中所應(yīng)用的絕大部分是瑞利波，它具有特點：非色散波，即波速與頻率無關(guān)；質(zhì)點作橢圓偏振，偏振平面不一定在弧矢平面內(nèi)，橢圓的主軸也不一定與傳播方向或表面法線平行；質(zhì)點通常有三個位移分量，并隨深度方向呈衰減振蕩，能量幾乎集中在12個波長的深度范圍內(nèi)；波的相速度依賴于晶體的切向和波的傳播方向，除沿純模方向外，能流方

6、向一般也不平行于傳播方向。第11頁/共49頁12 目前SAW技術(shù)的應(yīng)用已涉及地震學(xué)、天文學(xué)、雷達(dá)通訊及廣播電視中的信號處理、航空航天、石油勘探、無損檢測、識別定位和傳感器等許多學(xué)科領(lǐng)域。隨著電子學(xué)、聲學(xué)、微平面工藝的飛速發(fā)展，SAW技術(shù)的發(fā)展也越來越迅速，目前已成為電子、超聲領(lǐng)域最為活躍的學(xué)科分支之一。 4. SAW技術(shù)應(yīng)用與器件第12頁/共49頁135. SAW器件材料 SAW器件的特性在很大程度上是由壓電基片材料決定的，一般描述SAW器件材料的性能指標(biāo)有：機(jī)電耦合系數(shù)，延時溫度系數(shù)，相速度、各向異性因子、插入與傳播損耗、密度、彈性模量與楊氏模量等。第13頁/共49頁14目前使用的SAW基片

7、材料主要有：壓電單晶：石英（SiO2）、鈮酸鋰(LiNbO3)、鉭酸鋰（LiTaO3）、鈮酸鉀（KNbO3）等，重復(fù)性好、可靠性高、傳播損耗小 ，一般它們是各向異性材料 ，難以同時滿足機(jī)電耦合系數(shù)高，而溫度系數(shù)又要小的要求； 壓電陶瓷：機(jī)電耦合系數(shù)最大 ，一致性差 ，工作頻率受到多晶晶粒大小和晶粒間界狀況、內(nèi)部氣孔大小的限制，一般只適宜作低頻器件。 壓電薄膜：如ZnO ，表面波傳播特性由壓電薄膜和襯底的特性共同決定，它可以很方便的與半導(dǎo)體電子器件集成為單片器件，使聲表面波信號處理器件或傳感器與外圍電路集成化 第14頁/共49頁15Materials第15頁/共49頁168.3 SAW問題的基礎(chǔ)

8、理論 1. 壓電效應(yīng)及其本構(gòu)方程 EijijklklkijkSiiklklikkTcSe EDe SE2. 壓電體內(nèi)的波動方程 2,2,0 0Eiijklk ljkijkjSiklk liikkiucuete u 第16頁/共49頁173. 壓電介質(zhì)中的Christofel方程 各種SAW問題的解都是從上述公式出發(fā)，結(jié)合各個問題的對稱性和邊界條件來求得。 24400Eijklljijkkijkjsikllikikkic n nvAe n n Ae n n An n A第17頁/共49頁184. 聲表面波特性的理論分析 聲表面波特性的理論分析就是根據(jù)給定的材料常數(shù)（包括彈性常數(shù)、壓電常數(shù)、介電常

9、數(shù)、密度、熱膨脹系數(shù)及其相應(yīng)的一階和二階溫度系數(shù)常數(shù)）按Christofel方程和邊界條件來計算某個切向條件下的聲表面波速度(包括自由化表面和金屬化表面)、機(jī)電耦合系數(shù)（K2）、能流角（PFA）、延時溫度系數(shù)（TCD）等特性參數(shù)，這是進(jìn)行SAW器件設(shè)計的基礎(chǔ)和出發(fā)點。 第18頁/共49頁198.4 聲表面波傳感器技術(shù)工作原理： 利用外界物理量（如溫度、壓力等）的變化引起聲表面波的傳播特性發(fā)生變化的原理來敏感被測量。第19頁/共49頁20結(jié)構(gòu)型式 SAW傳感器一般采用振蕩器電路形式，其中SAW振蕩器是傳感器的核心。SAW傳感器的基本工作原理就是利用了SAW振蕩器這一頻控元件受各種物理、化學(xué)和生物

10、量的作用而引起振蕩頻率的變化，通過精確測量振蕩頻率的變化，從而實現(xiàn)檢測上述物理量及化學(xué)量變化的目的。移相器匹配網(wǎng)絡(luò)SAW振蕩器放大器匹配網(wǎng)絡(luò)聲表面波振蕩電路Schematic of SAW oscillator circuit第20頁/共49頁21 SAW振蕩器通常有延遲型（SAWD）和諧振型（SAWR）兩種結(jié)構(gòu) . SAWD由兩個叉指換能器（IDT）的中心距決定相位反饋，由IDT的選頻作用和反饋放大器產(chǎn)生固定頻率的振蕩。其振蕩頻率為： 2Evfnl第21頁/共49頁22（a）單端對諧振器（b）雙端對諧振器 SAWR由左右兩個反射柵陣列構(gòu)成諧振腔，聲表面波在兩個反射柵之間來回反射、疊加、共振形

11、成駐波。對于叉指間隔和反射柵指條間隔均勻分布的SAWR，諧振型振蕩器的振蕩頻率為：2Pvvfl SAWR器件的品質(zhì)因數(shù)Q值高、插損小，由于Q值是決定振蕩器頻率穩(wěn)定性的重要參數(shù)之一，因此這種高Q值諧振器結(jié)構(gòu)可以進(jìn)一步提高SAW傳感器靈敏度和分辨率。 第22頁/共49頁23vlPl 任何量只要能引起 、 或 發(fā)生變化，就會使SAW振蕩器的振蕩頻率發(fā)生變化。通過振蕩電路檢測出振蕩頻率的變化就可以建立起頻率偏移與待測量之間的關(guān)系。 若在兩又指電極或反射柵之間徐覆一層對某種氣體或濕度敏感的材料就可制成SAW氣體或濕度傳感器。第23頁/共49頁24無源遙測是SAW傳感器的一大優(yōu)勢，從結(jié)構(gòu)上看，無線SAW傳

12、感器也可分為延遲型和諧振型兩種，但工作原理不同于一般的SAW傳感器，以延遲型為例，傳感器由壓電基片、叉指換能器、反射柵及讀寫器（高頻激勵接收裝置）組成。工作時讀寫器發(fā)射出脈沖激勵信號，由敏感基片的天線接收無線信號，并通過IDT將電磁信號轉(zhuǎn)換為聲表面波。聲表面波經(jīng)過一段延遲后由反射柵反射回來，再通過IDT將信號轉(zhuǎn)換為電磁波信號，并經(jīng)天線發(fā)射出去，再由讀寫器接收處理。第24頁/共49頁25 脈沖信號從發(fā)射到接收的返回時間主要由讀寫器與IDT天線的距離、IDT與反射柵之間的距離以及聲表面波波速來決定，即脈沖信號從讀寫器發(fā)射到回收的傳播時間為：22lLvc在遙測時，讀寫器與敏感基片之間距離的變化也會引

13、起傳播時間的變化，為解決這一問題，在基片上設(shè)置多個反射柵，反射柵之間的時延只反映器件本身的狀態(tài)，而不受讀寫器與敏感基片之間距離的影響。在實際測量中，由于時延值非常小，常采用測量相位的方法來代替對時延的測量 第25頁/共49頁26 如果相應(yīng)位置上的反射柵被布置或抽取，則該位置上的脈沖可表示編碼“1”或“0”，相同結(jié)構(gòu)的器件就變成了用于目標(biāo)辨識的SAW標(biāo)簽（ID-Tag）。雖然目前SAW辨識標(biāo)簽沒有隨時改寫的功能，但與其它類型的辨識標(biāo)簽相比，具有誤碼率低、讀取時間快、作用距離遠(yuǎn)、不受光遮蓋和讀取方向影響、可在金屬液體表面讀取等優(yōu)點，因而SAW標(biāo)簽是對IC射頻標(biāo)簽的一個有力補(bǔ)充。第26頁/共49頁2

14、7SAW傳感器信號檢測壓力信號SAW振蕩器1SAW振蕩器2低通濾波器放 大 器頻率測量微處理器混頻輸出圖7-10 SAW傳感器信號檢測與處理電路框圖被測量環(huán)境溫度第27頁/共49頁28SAW傳感器信號檢測第28頁/共49頁29SAW傳感器信號檢測圖7-12 正交相位檢波原理0功分器)cos()(0itBtS)cos(01itB)cos(01itB90功分器)cos(0tA)cos(01tA)sin(01tA低通濾波低通濾波arctanIQ第29頁/共49頁30一 選擇零溫度系數(shù)切型二 差動法三 數(shù)字補(bǔ)償法四 浮動零點法SAW傳感器的溫度補(bǔ)償?shù)?0頁/共49頁31）高精度，高靈敏度；）準(zhǔn)數(shù)字輸出

15、 ；）微型化，低功耗； ）便于實現(xiàn)無線、無源化 ；）多參數(shù)敏感性，抗干擾能力強(qiáng)； 6） 結(jié)構(gòu)工藝性好，便于大批量生產(chǎn)SAW傳感器特點第31頁/共49頁32 到日前為止，已經(jīng)研制出的SAW傳感 器，歸納起來可分為三大類：1 物理量傳感器： 力(壓力、應(yīng)力)傳感器、扭矩傳感器、加速度傳感器、 角速度傳感器（陀螺）、溫度傳感器、位移傳感器、傾斜度傳感器、磁場傳感器、電壓傳感器、流量傳感器、水聲傳感器等2 化學(xué)量傳感器： 氣體傳感器、露點傳感器、濕度傳感器、微質(zhì)量傳感器(微量天平)等；3 生物傳感器： 酶傳感器、免疫傳感器、液體識別傳感器、離子識別傳感器等。種類第32頁/共49頁338.5 聲表面波傳

16、感器的應(yīng)用Vibration and Acceleration SAW SensorTorque SAW SensorSAW GyroscopeFlow SAW SensorLiquid SAW SensorGas SAW SensorApplications of SAW Device in Automobile第33頁/共49頁34Vibration and Acceleration SAW SensorVibration and Acceleration SAW Sensor第34頁/共49頁35Torque SAW SensorTorque SAW Sensor第35頁/共49頁36F

17、low SAW SensorFlow SAW Sensor第36頁/共49頁37SAW Gyroscope第37頁/共49頁38Liquid SAW SensorLiquid SAW Sensor第38頁/共49頁39Gas SAW SensorGas SAW Sensor SO2、H2S、CO、NO2、H2 etc第39頁/共49頁40Application Examples of SAW technology in Application Examples of SAW technology in AutomobileAutomobile electronic ID Smart Tire Exhaust-gas detection第40頁/共49頁41Electronic ID第41頁/共49頁42Smart Tire第42頁/共49頁43思考題1. 什么叫聲表面波？有什么特點與用途？2. 叉指換能器的作用