聲表面波傳感器的綜述

聲表面波傳感器的綜述摘要：聲表面波(SAW)是一種在固體淺表面?zhèn)鞑サ膹椥圆ǎ琒AW傳感器是電子技術(shù)與材料科學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物。由于SAW傳感器具有非接觸、快速、無電源、抗干擾、易編碼、保密性好、成本低等優(yōu)點，目前已廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域。同時，SAW傳感器也朝著更高精度更智能化等發(fā)展趨勢發(fā)展。關(guān)鍵字：聲表面波特點應(yīng)用發(fā)展趨勢1.聲表面波的基本原理聲表面波(surfaceacousticwave，SAW)是英國物理學(xué)家瑞利在19世紀(jì)80年代研究地震波的過程中偶爾發(fā)現(xiàn)的一種能量集中于地表面?zhèn)鞑サ穆暡?。聲表面波是一種在固體淺表面?zhèn)鞑サ膹椥圆?，它存在若干模式，主要包括Rayleigh波、Love波、Lamb波、B2G波、漏剪切聲表面波以及快速聲表面波模式的準(zhǔn)縱漏聲表面波等［1］。瑞利波是應(yīng)用比較廣泛的聲表面波，瑞利波質(zhì)點的運動是一種橢圓偏振，它是相位差為90°的縱振動和橫振動合成的結(jié)果。表面質(zhì)點作反時針方向的橢圓振動，其振幅隨離開表面的深度而衰減如圖1所示，但縱振動與橫振動的衰減不一致，其衰減規(guī)律如圖2所示。自由米詢…0?叮11.以圖1在各向同性固體中，瑞利波質(zhì)點運動隨深度的變化圖

圖2在各向同性固體中，瑞利波的縱震動與橫震動隨深度的變化圖由圖可見，瑞利波能量集中在約1個波長深的表面層內(nèi)。頻率愈高，集中能量層愈薄。這一特點使SAW較體波更易獲得高聲強，同時該特點也使基片背面對SAW傳播的影響很小，因而就SAW器件本身而言，對基片的厚度及背面質(zhì)盤無嚴(yán)格要求［2］。2.SAW傳感器1965年，美國懷特和沃爾特默發(fā)表題為“一種新型聲表面波聲一一電轉(zhuǎn)化器”的論文，取得了聲表面波技術(shù)的關(guān)鍵性突破，首次采用叉指換能器IDT激發(fā)SAW，加速了聲表面波技術(shù)的發(fā)展。SAW傳感器是電子技術(shù)與材料科學(xué)相結(jié)合的產(chǎn)物，它由SAW振蕩器、敏感的界面膜材料和振蕩電路組成。SAW傳感器的核心部件是SAW振蕩器，由壓電材料基片和沉積在基片上不同功能的叉指換能器所組成，有延遲線型（DL型）和諧振器型（R型）兩種。如下圖所示［3］。圖4諧振器型SAW傳感器延遲線型SAW振蕩器由聲表面波延遲線和放大電路組成。輸入換能器IDT1激發(fā)出聲表面波，傳播到換能器IDT2轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)放大后反饋到IDT1以便保持振蕩狀態(tài)。只要放大器的增益足夠高，足以抵消延遲線及外圍電路的損耗，并且滿足一定的相位條件，這一系統(tǒng)就能產(chǎn)生振蕩。諧振器型SAW振蕩器，聲表面波在反射柵陣列之間來回反射多次，當(dāng)反射柵2個相鄰的指條之間的距離為半波長的整數(shù)倍時，就形成駐波，這時在2個反射柵陣列之間就形成諧振腔。將2個IDT置于駐波場的波腹處，就可以構(gòu)成諧振腔。發(fā)射和接收IDT用來完成聲電轉(zhuǎn)換。當(dāng)對發(fā)射叉指換能器加以交變信號時，相當(dāng)于在壓電襯底材料上加交變電場。這樣材料表面就產(chǎn)生與所加電場強度成比例的機械形變，產(chǎn)生SAW，只要放大器的增益能補償諧振器及其連接導(dǎo)線的損耗，同時又能滿足一定的相位條件，這樣組成的振蕩器就可以起振并維持振蕩。在實際應(yīng)用中，SAW傳感器往往使用雙通道結(jié)構(gòu)，如圖5所示。1個通道用于測量，另1個通道用于對環(huán)境溫度、濕度、壓力等因素的補償。圖5雙通道延遲線SAW振蕩器3.SAW傳感器的特點SAW傳感器是繼陶瓷、半導(dǎo)體等傳感器的一支后起之秀。與傳統(tǒng)傳感器相比，它具有性能高、體積小、能承受極端工作條件（如高溫、強電磁輻射）等優(yōu)點。此外，SAW傳感器可實現(xiàn)無源化，無須外部供電，這使得它比傳統(tǒng)的傳感器更能勝任無接觸測量，例如：高速轉(zhuǎn)子、快速移動物體以及密封物體內(nèi)部等各種條件下的物理化學(xué)參數(shù)檢測。3.1由于采用壓電基片上的叉指換能器，不需要另外能量即可完成電磁波一聲表面波一電磁波能量轉(zhuǎn)換過程，而且聲表面波換能沒有閾值，效率極高，極少電磁波能量就能完成電磁波的收發(fā)過程。因此，SAW傳感器不需額外能量，即它是真正無源元器件。由此，它具有不需維護，使用壽命長等優(yōu)點，特別適合用于難以維護或需要長期工作的場合。3.2由于叉指換能器可與射頻輻射天線直接相連，達到收發(fā)射頻信號的目的，所以能直接完成無線應(yīng)用，大大簡化了SAW傳感器節(jié)點的結(jié)構(gòu)。最簡單的SAW傳感器節(jié)點僅由聲表面波壓電編碼傳感單元芯片和直接相連的天線組成，成本低，適于推廣應(yīng)用。3.3由于聲表面波聲速比電磁波光速低許多，聲表面波傳播4mm距離，即可延時一微秒左右。一微秒延遲時間，足以避免近距（＜100米）內(nèi)射頻多次反射雜波的干擾，大大提高了有效回波的信噪比，有利于增加反射延遲型SAW傳感器的讀寫距離或減小讀寫器的射頻輻射功率。3.4由于聲表面波換能過程中沒有載流子參與，所以SAW傳感器耐輻射，抗干擾能力特強，可以用于多種惡劣環(huán)境。3.5SAW傳感器可工作于較寬的環(huán)境溫度范圍。采用常用的壓電晶體，器件最高工作溫度可大于200°C。采用特別的封裝，已證實能較長期工作在300°C環(huán)境中。若采用特種壓電材料，傳感器的工作溫度可更高［4］。4.SAW傳感器的應(yīng)用由于SAW傳感器具有非接觸、快速、無電源、抗干擾、易編碼、保密性好、成本低等優(yōu)點，目前，已廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域。由它構(gòu)成的傳感器陣列，傳感單元之間可無信號線連接，陣列輸出也無需引線連接，分布更容易，應(yīng)用不受限制，特別適合一些應(yīng)用環(huán)境復(fù)雜，不宜接觸的工程結(jié)構(gòu)和環(huán)境的遙測、傳感和目標(biāo)識別。因此，對SAW傳感器的研究，尤其是對更遠距離SAW傳感器研究，有更廣泛的應(yīng)用前景。4.1有源聲表面波傳感器4.1.1VOCs氣體檢測基于諧振器型SAW傳感器的氣體檢測中：高溫氣化后的VOCs到達溫度較低的傳感器表時，VOCs迅速液化并粘附在傳感器表面，從而導(dǎo)致傳感器振蕩頻率發(fā)生變化，通過檢測并記錄這一變化過程，實現(xiàn)對VOCs的鹼測。依靠冷凝原理的SAW感器具有以下優(yōu)點：首先，VOCs的冷凝是一個物理過程，只要有效控制物理條件，這個過程就會表現(xiàn)出較好的重現(xiàn)性和穩(wěn)定性；檢測結(jié)束后可通過加熱實現(xiàn)對傳感器的清洗，過程簡單，傳感器使用壽命較長。其次，依靠冷凝原理工作的SAW傳感器，可以通過調(diào)節(jié)其基底溫度調(diào)整傳感器的靈敏度，當(dāng)檢測不同濃度和沸點的VOCs時，傳感器的靈活性更強。與延遲線型SAW傳感器相比，諧振型SAW傳感器具有Q值高、插損小和更加靈敏的優(yōu)點。當(dāng)傳感器以石英為基底材料，制備采用傳統(tǒng)光刻工藝，沿36°Y切割X晶向；叉指電極包括輸入、輸出換能器各50.5對，傳感器諧振頻率250MHz，輸入輸出換能器周期12.55Mm，輸入、輸出換能器間間距為1.25個波長，電極厚度為200nm，換能器孔徑800pm；反射器兩側(cè)各350根，反射器周期12.55mm，反射器和換能器的間距為1個波長；芯片面積為6.3mmXl.7mm。選用兩個諧振頻率有一定差異（一般為幾百kHz到1MHz左右）的傳感器，頻率較低的一個作為檢測器件，另一個作為參考器件，采用差動的方法得到有效信號。這樣的設(shè)計即減小了環(huán)境中共模噪聲（如溫度、濕度等）對檢測結(jié)果的影響，又降低有效信號的頻率，減小了信號檢測的難度。由于該差動信號直接反應(yīng)了被測物質(zhì)的信息，稱其為質(zhì)量信號。質(zhì)量信號在經(jīng)過濾波、整形后以方波的形式進入信號檢測電路［5］。4.1.2聲表面波化學(xué)傳感器金屬電極材料被蒸發(fā)或濺射到壓電基片上成叉指狀，形成產(chǎn)生表面聲波的部件。沿基片傳播的表面聲波由叉指電極激勵，當(dāng)基片或基片上覆蓋的特異薄膜材料受被測對象調(diào)制時，其表面聲波的工作頻率將改變并由接收叉指電極（經(jīng)相反機理）接收，從而構(gòu)成頻率輸出的傳感器。1984年Wohlfjen等首先提出了表面聲波化學(xué)傳感器的質(zhì)量響應(yīng)關(guān)系式：A/=（島+肪）P/咨-珞/強4問咋）：-'--⑴式中k1、k2為壓電晶體材料常數(shù)，VR為瑞利波速，h為表面膜厚度，p為膜密度，M為膜材料的剪切模量，入為膜的Lame常數(shù)，f0為基頻，△f為頻移。對于ST-切石英晶體，忽略粘彈性作用，式（1）可寫成---""二」（》（2）該式反映了質(zhì)量變化對頻移的影響，即振蕩頻率隨基片或基片所覆蓋的薄膜上吸附物質(zhì)的質(zhì)量增加而減小°SAW的基頻可以達到GHz水平，因此SAW化學(xué)傳感器比QCM化學(xué)傳感器更為靈敏，其檢測下限理論上可達fg。質(zhì)量敏感性壓電化學(xué)傳感器SAW的原理是傳感器的敏感元件與被測物相互作用時，引起振蕩器自身聲波參數(shù)振幅、頻率、波速等的變化，通過測量頻率變化而獲得測量量的質(zhì)量/濃度信息。4.2無源無線聲表面波傳感器近年來，深入開發(fā)SAW器件的無源特征和無線應(yīng)用的工作得到極大重視，研發(fā)的直接利用天線射頻能量的射頻識別型聲表面波傳感器都是基于其特有的低耗電-聲-電能量轉(zhuǎn)換機理和良好的無線傳輸特性。植入式無源無線溫度傳感器：諧振型SAW傳感器由于具有品質(zhì)因數(shù)高、插入損耗低的特點，在無源無線傳感檢測系統(tǒng)的研究中備受關(guān)注。諧振型SAW傳感器結(jié)構(gòu)主要由壓電基底、叉指電極(IDT)和反射柵構(gòu)成，其中反射柵構(gòu)成聲學(xué)諧振腔，叉指電極則將激勵信號的能量導(dǎo)入和將諧振腔內(nèi)的能量導(dǎo)出，結(jié)構(gòu)如圖6所示諧振器頻率取決于叉指換能器的叉指間距和波傳播速度，如式(3)所示■-F⑶式中:f0是諧振器在常溫下的諧振頻率，v是聲表面波的波速，L為叉指電極的間距。當(dāng)SAW諧振器壓電基片的溫度變化時，會引起聲表面波傳播速度和反射柵的間距的變化，從而引起諧振器諧振頻率f發(fā)生變化，即d;(\LIf— ■■■一,■' ' >!(4)由于溫度變化引起基片的尺寸變化較小，因此平1電H二_L站|4Ct/x琪; , (5)式中：△v、△分別為聲表面波傳播速度和溫度的變化值,Ctf為頻率溫度系數(shù)，該溫度系數(shù)是隨著晶體的切向而變化的［6］。叉指換能器壓電基底反射柵圖6單端口諧振型SAW傳感器結(jié)構(gòu)植入式裝置包括3個模塊：天線模塊、AC/DC模塊、SAW傳感模塊，它完成生物體內(nèi)溫度信號的測量和發(fā)送。其簡化電路結(jié)構(gòu)如圖7所示，天線模塊由ANT1和ANT2構(gòu)成。其中，能量耦合天線ANT1為線繞電感線圈負責(zé)外界輻射能量的接收，由平均直徑為14mm圈數(shù)為30匝的漆包線構(gòu)成;射頻天線ANT2為環(huán)形天線負責(zé)將體能的溫度信號傳輸?shù)襟w外，由平均直徑為2mm圈數(shù)為15匝的漆包線構(gòu)成。AC/DC模塊由全波整流電路和穩(wěn)壓電路構(gòu)成，前者將天線ANT1耦合接收到的交流信號轉(zhuǎn)化為直流信號，后者則將該直流信號轉(zhuǎn)化為穩(wěn)定的電壓信號為SAW傳感模塊提供激勵°SAW傳感模塊包括了有源振蕩電路和聲表面波傳感器2個部分。整個植入式裝置采用生物相容性硅膠封裝。圖7傳感器原理框圖5.SAW傳感器的發(fā)展趨勢一、高精度高靈敏度：對于傳感器應(yīng)用，高精度與高靈敏度是其基本要求。在一些應(yīng)用領(lǐng)域如角速率、溫濕度以及某些氣體傳感器，SAW傳感器的檢測精度以及靈敏度還不能與傳統(tǒng)傳感器相比，因此需要采用一些新方法新技術(shù)，改善器件性能，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性。二、小型化/便攜式：傳感器的應(yīng)用大都不是單一的，多是與其他機械或者電子系統(tǒng)集成或者共同使用，這樣SAW傳感器系統(tǒng)必須盡可能減小體積，便攜式且低功耗，滿足各種機載、車載、航載等要求，這樣才能相對于其他類型的傳感器具有更大的競爭力;三、多功能集成化、低成本：單一功能的傳感器逐漸消失于人們的視野，主要是使用單一功能傳感器成本高，系統(tǒng)合成困難且穩(wěn)定性低。這樣多功能集成SAW傳感器就成為人們的一個興趣熱點，結(jié)構(gòu)簡單、系統(tǒng)體積小且大大降低了系統(tǒng)成本；四、智能化與無線傳感網(wǎng)絡(luò)：許多參量的檢測條件是危險劇毒環(huán)境，有的測試對象本身就是變化的，這樣有源傳感器難以滿足這一檢測需求，而無線傳感網(wǎng)絡(luò)則由于其無源多面特點即可解決這一問題。另外，智能化是當(dāng)今信息化時代的一個顯著特征，結(jié)合自動化控制等實現(xiàn)傳感器的智能化也是SAW傳感器的一個重要發(fā)展方向。參考文獻:WATSONG,STAPLESE.,SAWresonatorsasvaporsensors.ProceedingsIEEE,1990.1:p.311-314.王利敏，聲表面波氣體傳感器技術(shù).艦船科學(xué)技術(shù),2006.28(2):p.