第6章 壓電傳感器

第6章壓電傳感器6.1晶體的壓電效應(yīng)6.2壓電加速度傳感器6.3壓電諧振式傳感器6.4聲表面波傳感器6.1晶體的壓電效應(yīng)6.1.1晶體壓電效應(yīng)的說明當(dāng)某些晶體沿一定方向伸長或壓縮時,在其表面上會產(chǎn)生電荷(束縛電荷),這種效應(yīng)稱為壓電效應(yīng)。晶體的這一性質(zhì)稱為壓電性。具有壓電效應(yīng)的晶體稱為壓電晶體。壓電效應(yīng)是可逆的,即晶體在外電場的作用下要發(fā)生形變,這種效應(yīng)稱為反向壓電效應(yīng)。晶體的壓電效應(yīng)可用圖6.1來加以說明。圖6.1(a)是說明晶體具有壓電效應(yīng)的示意圖。一些晶體當(dāng)不受外力作用時,晶體的正負(fù)電荷中心相重合,單位體積中的電矩(即極化強(qiáng)度)等于零,晶體對外不呈現(xiàn)極性,而在外力作用下晶體形變時,正負(fù)電荷的中心發(fā)生分離,這時單位體積的電矩不再等于零,晶體表現(xiàn)出極性。圖6.1(b)中,另外一些晶體由于具有中心對稱的結(jié)構(gòu),無論外力如何作用,晶體正負(fù)電荷的中心總是重合在一起,因此這些晶體不會出現(xiàn)壓電效應(yīng)。圖6.1晶體的壓電效應(yīng)(a)具有壓電效應(yīng)的晶體;(b)不具有壓電效應(yīng)的晶體6.1.2壓電方程

晶體的壓電效應(yīng)是一種機(jī)電耦合效應(yīng)。它是由力學(xué)量應(yīng)力T和應(yīng)變S與電學(xué)量電場強(qiáng)度E和電位移D之間互相耦合產(chǎn)生的。對于具有壓電效應(yīng)的晶體,不僅電學(xué)量E和D以及力學(xué)量T和S存在著直接的關(guān)系,同時還存在力學(xué)量和電學(xué)量之間的耦合效應(yīng)。壓電方程就是描寫力學(xué)量間、電學(xué)量間以及力學(xué)量和電學(xué)量相互之間互相聯(lián)系的關(guān)系式。實(shí)際上力學(xué)量和電學(xué)量之間的關(guān)系式還和熱學(xué)量(溫度和熵)有關(guān)。但對于較快的變化,例如聲頻或更高的頻率,可認(rèn)為是等熵(絕熱)過程。下面的壓電方程假定均適合絕熱情況。對于等溫情況需另加說明。在電場強(qiáng)度、電位移和應(yīng)力、應(yīng)變這四組變量中,可以任選一組力學(xué)量和一組電學(xué)量作自變量,這就有四種情況,有四組壓電方程。(1)選取應(yīng)變分量Sk和電位移分量Dj為獨(dú)立變量,得到h型壓電方程式中,cDhk是電位移不變(恒電位移)時的彈性常數(shù)或開路彈性常數(shù);βSij是應(yīng)變不變(恒應(yīng)變)時的介質(zhì)隔離率(也稱倒介電常數(shù))或受夾介質(zhì)隔離率;hjh、hik稱為壓電剛度常數(shù),簡稱壓電常數(shù)。(2)選取電場強(qiáng)度分量Ej和應(yīng)力分量Tk為獨(dú)立變量,得到d型壓電方程式中,sEhk是恒電場下的柔性常數(shù),也稱短路柔性常數(shù);εTij是恒應(yīng)力下的介電常數(shù),也稱自由介電常數(shù);djh、dik稱為壓電應(yīng)變常數(shù),簡稱壓電常數(shù)。(3)選取應(yīng)力分量Tk與電位移Dj為獨(dú)立變量,得到g型壓電方程式中,sDhk是恒電位移下的柔性常數(shù),或稱開路柔性常數(shù);βTij是恒應(yīng)力下介電隔離率,也稱自由介電隔離率;gjh、gik稱為壓電電壓常數(shù),簡稱壓電常數(shù)。(4)選取應(yīng)變分量Sk與電場強(qiáng)度分量Ej為獨(dú)立變量,得到e型壓電方程式中,cEhk是恒電場下的彈性常數(shù),或稱短路彈性常數(shù);εSij是應(yīng)變不變時的介電常數(shù)或稱受夾介電常數(shù);ejh、eik稱為壓電應(yīng)力常數(shù),簡稱壓電常數(shù)。在壓電方程中,彈性常數(shù)、柔性常數(shù)各有36個,壓電常數(shù)有18個,介電常數(shù)、介電隔離率各有9個。由于晶體的對稱性,獨(dú)立的常數(shù)將有不同程度的減少。例如常用的壓電材料,石英晶體和壓電陶瓷的壓電方程如下:石英晶體屬32點(diǎn)群(三角晶系),由其常數(shù)矩陣可寫出其d型壓電方程,即(縱向振動)(橫向振動)(輪廓切變)(輪廓切變)(厚度切變)壓電陶瓷的常數(shù)矩陣同六角晶系6mm點(diǎn)群。其d型壓電方程如下:(橫向振動)(橫向振動)(縱向振動)(厚度切變)(厚度切變)6.1.3壓電材料石英晶體是最早應(yīng)用的壓電材料,至今石英仍是最重要的也是用量最大的振蕩器、諧振器和窄帶濾波器等元件的壓電材料。隨著壓電傳感器的大量應(yīng)用,在石英之后研制出了許多人造晶體,如羅息鹽、ADP、KDP、EDT、DKT和LH等壓電單晶體。但由于它們的性能存在某些缺陷,后來隨著人造壓電石英的大量生產(chǎn)和壓電陶瓷性能的提高,這些人造單晶體已逐漸被取代了。現(xiàn)今壓電傳感器的材料大多用壓電陶瓷。壓電陶瓷的壓電機(jī)理與單晶不同,是利用多晶壓電陶瓷的電致伸縮效應(yīng)。極化后的壓電陶瓷可以當(dāng)作壓電晶體來處理。當(dāng)前常用的壓電陶瓷是鋯鈦酸鉛(PZT)。另外,鈮酸鋰和鉭酸鋰大量用作聲表面波(SAW)器件。此外,氧化鋅和氮化鋁等壓電薄膜已是當(dāng)今微波器件的關(guān)鍵材料。壓電單晶和壓電陶瓷都是脆性材料。而以聚偏二氟乙烯(PVDF)為代表的壓電高聚物薄膜,壓電性強(qiáng),柔性好,特別是聲阻抗與水和生物組織接近,是制作傳感器的良好材料。用壓電陶瓷和高聚物復(fù)合而成的壓電復(fù)合材料也已在壓電傳感器領(lǐng)域中得到應(yīng)用。6.2壓電加速度傳感器6.2.1壓電加速度傳感器的工作原理1.原理圖6.2為壓電加速度傳感器的原理圖。它由質(zhì)量塊、壓電元件和支座組成。支座與待測物剛性地固定在一起。當(dāng)待測物運(yùn)動時,支座與待測物以同一加速度運(yùn)動,壓電元件受到質(zhì)量塊與加速度相反方向的慣性力的作用,在晶體的兩個表面上產(chǎn)生交變電荷(電壓)。當(dāng)振動頻率遠(yuǎn)低于傳感器的固有共振頻率時,傳感器的輸出電荷(電壓)與作用力成正比。電信號經(jīng)前置放大器放大,即可由一般測量儀器測試出電荷(電壓)大小,從而得知物體的加速度。

圖6.2壓電加速度傳感器原理圖圖6.3作用于壓電元件兩邊的力2.靈敏度公式的推導(dǎo)如圖6.3所示,作用于壓電元件兩邊的力為上下式中,M為質(zhì)量塊質(zhì)量,m為晶片質(zhì)量,a為物體振動加速度,晶片中z處任一截面上的力為式中,l為晶片厚度。平均力為選用d型壓電方程,得設(shè)晶片為壓電陶瓷,極化方向在厚度方向(z方向)。由于作用力沿著z方向,故這時只有T3不等于零,其平均值為式中,A為晶片電極面面積。質(zhì)量塊一般采用質(zhì)量大的金屬如鎢或其他金屬制成,而晶片很薄,即有M>>m,故上式通常寫為Q=d33Maa=g(重力加速度)時得到的電荷Q值,常稱為靈敏度,單位記為C/g,即靈敏度為一個g產(chǎn)生的電荷。上式為靈敏度的電荷表示法。靈敏度亦可用開路輸出電壓表示,因?yàn)槭街?Cd為晶片的低頻電容(自由電容)所以取a=g,即為靈敏度的電壓表示法,即一個g時產(chǎn)生的開路電壓,單位記為V/g。3.固有共振頻率由上面的靈敏度公式可見,在低頻時靈敏度是一常數(shù),它和壓電常數(shù)成正比,和質(zhì)量塊的質(zhì)量成正比。在較高的頻率下該公式不適用,特別到傳感器的固有共振頻率附近,靈敏度急劇變化(增大),該公式一般在傳感器固有共振頻率的1/2~1/5以下使用。可以近似地把質(zhì)量塊看成一個純質(zhì)量(忽略其彈性),晶片看成一純彈性元件(忽略其質(zhì)量)來計算傳感器的固有頻率。如將晶片看成一彈簧,則由定義可求出其勁度系數(shù)為式中,E為壓電晶片的楊氏模量。則固有頻率6.2.2壓電加速度傳感器的結(jié)構(gòu)圖6.4(a)為常用的壓縮式壓電加速度傳感器。這是目前最常見的一種。結(jié)構(gòu)簡單,裝配較為方便。為便于裝配和增大電容量常用兩片極化方向相反的晶片,電學(xué)上并聯(lián)輸出。采用石英晶片時也有采用四片晶片并聯(lián)的方式。圖6.4壓電加速度傳感器的幾種結(jié)構(gòu)圖6.4(b)是剪切式壓電加速度傳感器,采用剪切應(yīng)力實(shí)現(xiàn)壓電轉(zhuǎn)換。管式壓電元件(極化方向平行于軸線,電極面在內(nèi)外圓柱面上)緊套在金屬圓柱上,在壓電元件外徑上再套上慣性質(zhì)量塊,相互之間用導(dǎo)電膠粘結(jié)。工作原理是:如傳感器感受向上的運(yùn)動,金屬圓柱向上運(yùn)動,由于慣性質(zhì)量環(huán)保持滯后,這樣壓電元件就受剪切應(yīng)力作用,從而在壓電元件的內(nèi)外表面上產(chǎn)生電荷;如果傳感器感受向下的運(yùn)動,則壓電元件內(nèi)外表面上的電荷極性相反。這種結(jié)構(gòu)形式的傳感器靈敏度高,橫向靈敏度小,而且能減小基座應(yīng)變的影響。剪切式壓電傳感器容易小型化,有很高的固有頻率,所以頻響范圍寬,適于測量高頻振動。但是,由于壓電元件、金屬圓柱以及慣性質(zhì)量環(huán)之間粘結(jié)較難,裝配成功率較低。圖6.4(c)為彎曲式壓電加速度傳感器。壓電晶片粘貼在懸臂梁的側(cè)面,懸臂梁的自由端裝配質(zhì)量塊,固定端與基座連接。振動時,懸臂梁彎曲,側(cè)面受到拉伸壓縮,使壓電元件發(fā)生形變,從而輸出電信號。也可用圓板代替懸臂梁,在圓周裝配質(zhì)量塊,在圓板表面上安裝壓電元件。彎曲式壓電加速度傳感器固有共振頻率低,靈敏度高,適用于低頻測量。缺點(diǎn)是體積大,機(jī)械強(qiáng)度較前兩種差。采用不同的結(jié)構(gòu)設(shè)計和選用不同性能的壓電材料,可以得到滿足各種使用要求的壓電加速度傳感器。表6.1給出了三種基本結(jié)構(gòu)的加速度傳感器的一般性能。

表6.1加速度傳感器的一般性能計算舉例:一96%鈦酸鋇,4%鈦酸鉛的混合壓電陶瓷作壓電元件的加速度計,結(jié)構(gòu)如圖6.4(a)所示。參數(shù)如下:經(jīng)計算得固有頻率為靜電容量電壓靈敏度表6.2列出了一種市售壓電加速度傳感器的主要技術(shù)指標(biāo),供參考。這種壓電加速度傳感器采用剪切設(shè)計,內(nèi)裝集成電路,是一種低阻抗電壓輸出加速度傳感器。圖6.5是這種壓電加速度傳感器的外形圖。表6.2一種市售壓電加速度傳感器的主要技術(shù)指標(biāo)圖6.5一種壓電加速度傳感器的外形6.2.3壓電加速度傳感器的等效電路壓電元件是壓電式傳感器的敏感元件。當(dāng)它受到外力作用時,就會在電極上產(chǎn)生電荷,因此,可以把壓電式傳感器等效為一個電荷源與一個電容并聯(lián)的電荷發(fā)生器,等效電路如圖6.6(a)所示。由于電容上的(開路)電壓因此壓電式傳感器也可以等效為一個電壓源和一個電容串聯(lián)的電壓源,等效電路如圖6.6(b)所示。圖6.6壓電加速度傳感器的等效電路(a)等效電荷源;(b)等效電壓源當(dāng)壓電式傳感器與測量電路配合使用時,方塊圖如圖6.7所示。這樣在等效電路中就必須將前置放大器的輸入電阻Ri、輸入電容Ci,以及低噪聲電纜的電容Cc包括進(jìn)去。因此,當(dāng)考慮了壓電元件的絕緣電阻Rd以后,完整的等效電路可表示成如圖6.8所示的電荷等效電路(a)和電壓等效電路(b)。這兩種等效電路是完全等效的。圖6.7測量電路方塊圖圖6.8完整的等效電路(a)電荷等效電路;(b)電壓等效電路由于壓電傳感器的內(nèi)阻抗很高、輸出電信號很弱,一般需將電信號經(jīng)高輸入阻抗的前置放大器放大再進(jìn)行傳輸、處理和測量。前置放大器的主要作用是將壓電傳感器的高阻抗輸出變換成低阻抗輸出,也起放大弱信號的作用。壓電傳感器的輸出信號經(jīng)過前置放大器的阻抗變換和放大后,就可以采用一般的放大、檢波指示或通過功率放大至記錄和數(shù)據(jù)處理設(shè)備。前置放大器應(yīng)距傳感器盡量近,常將其與傳感器裝配在一起,或集成在一起。否則,傳感器的輸出信號需由低噪聲電纜輸入到高輸入阻抗的前置放大器。按照壓電式傳感器的工作原理及其等效電路,傳感器可看成電壓發(fā)生器,也可看成電荷生器。因此前置放大器也有兩種形式:一種是電壓放大器,一般稱作阻抗變換器,其輸出電壓與輸入電壓成比例;另一種是電荷放大器,其輸出電壓與輸入電荷成比例。這兩種放大器的主要區(qū)別是:使用電壓放大器時,測量系統(tǒng)的輸出對電纜電容的變化很敏感,連接電纜長度的變化明顯影響測量系統(tǒng)的輸出。而使用電荷放大器時,電纜長度變化的影響差不多可以忽略不計,允許使用很長的電纜,但它與電壓放大器比較,價格要高得多,電路也比較復(fù)雜,調(diào)整又比較困難。有關(guān)電壓放大器和電荷放大器的原理和電路,請參閱第十一章。6.3壓電諧振式傳感器6.3.1石英晶體諧振式溫度傳感器1.工作原理壓電諧振式傳感器是利用壓電晶體諧振器的共振頻率隨被測物理量變化而變化進(jìn)行測量的。壓電晶體諧振器常采用厚度切變振動模式AT切或BT切型的石英晶體制作。當(dāng)電極上加上電激勵信號時,利用逆壓電效應(yīng),振子將按其固有共振頻率或其泛音產(chǎn)生機(jī)械振動,與此同時按照正壓電效應(yīng)電極板上又將出現(xiàn)交變電荷,通過與外電路連接的電極對振子予以適當(dāng)?shù)哪芰垦a(bǔ)充,便可構(gòu)成使電和機(jī)械的振蕩等幅地持續(xù)下去的振蕩電路。圖6.9為放大器表示法的壓電晶體振蕩電路。圖6.9壓電晶體振蕩電路Y切的晶體作厚度剪切模振動時有正的頻率溫度系數(shù),在長度方向上振動時有負(fù)的頻率溫度系數(shù)?？偟臏囟认禂?shù)可以從-20×10-6/°C到+100×10-6/°C。X切的晶體在厚度方向上振動時,頻率溫度系數(shù)近似為-20×10-6/°C?？筛鶕?jù)對頻率溫度系數(shù)的要求加以選擇。可根據(jù)溫度每變化1°C振蕩頻率變化若干Hz的要求與晶體的頻率溫度系數(shù)來確定振蕩電路的基本共振頻率。例如,要求溫度變化1°C頻率變化1000Hz,亦即分辨率為0.001°C,如果晶體的頻率溫度系數(shù)為35.4×10-6°C,則晶體的基本共振頻率為一種具有線性溫度－頻率特性的石英切型,是如圖6.10所示的LC切——(yxwl)11°10′/9°24′的平凸透鏡形諧振器。當(dāng)諧振器的直徑為6.25mm,表面曲率半徑約為125mm時,諧振頻率取28MHz(三次諧波),可滿足上例要求。圖6.10LC切平凸透鏡形諧振器2.結(jié)構(gòu)和電路框圖

諧振器置于充氦氣TO-5型三極管殼內(nèi),管殼內(nèi)壓力約133Pa。為了降低熱惰性,壓電元件置于外殼的上蓋附近,使其與上蓋的間隙盡量小。該溫度傳感器在10~9000Hz的頻率范圍內(nèi),經(jīng)受單次沖擊達(dá)104g、振動加速度幅值達(dá)104m/s2的情況下,仍能保持其初始靈敏度。其他性能指標(biāo)為:分辨率0.0001°C,絕對誤差0.02°C,溫度頻率特性的非線性為0.05°C(0~100°C),熱惰性時間常數(shù)為1s(在水中)。與該傳感器配套的測溫儀電路框圖如圖6.11所示。該測溫儀能夠進(jìn)行T1和T2兩路的溫度測量,還能確定溫差T1-T2,轉(zhuǎn)換分辨率選擇開關(guān),可按10-2、10-3或10-4°C的分辨率進(jìn)行測量。如果采用一個傳感器測溫,傳感器相應(yīng)的熱敏振蕩信號與基準(zhǔn)振蕩器十倍頻后的信號混頻后輸出,輸出值除以1000Hz/°C即為被測溫度。圖6.11測溫儀電路框圖6.3.2石英晶體諧振式壓力傳感器1.工作原理厚度剪切模的石英振子固有共振頻率為可見,頻率與厚度h、密度ρ、厚度剪切模量CD66三者均有關(guān)系。當(dāng)石英振子受靜態(tài)壓力作用時,振子的共振頻率將發(fā)生變化,并且頻率的變化與所加壓力呈線性關(guān)系。這一特有的靜應(yīng)力－頻移效應(yīng)主要是因CD66隨著壓力變化產(chǎn)生的。圖6.12示出了AT切型振子頻率與(不同應(yīng)力作用角α)壓應(yīng)力的關(guān)系曲線。圖6.12AT切型振子頻率與壓應(yīng)力的關(guān)系曲線2.結(jié)構(gòu)和電路框圖一種較好的石英諧振壓力傳感器的石英諧振器QPT的結(jié)構(gòu)如圖6.13所示。它由石英的薄壁圓柱筒（3）、石英諧振器（2）、石英端蓋（1、4）以及電極（6、7）等部分組成。其關(guān)鍵元件是一個頻率為5MHz的精密透鏡形石英諧振器,位于石英圓柱筒內(nèi)。圓柱筒空腔（5、8）內(nèi)充氦氣,用石英端蓋進(jìn)行密封。為了消除熱應(yīng)力,筒和蓋相對于結(jié)晶軸的取向一致,以保證所有方向的線膨脹系數(shù)相等,或者振子和圓筒為整體結(jié)構(gòu),由一塊石英晶體加工而成。石英圓筒能有效地傳遞振子周圍的壓力,并有增壓作用。在傳感器內(nèi)部采用雙層恒溫器,以保證傳感器工作溫度的穩(wěn)定(誤差不大于±0.05°C)。被測壓力通過隔離膜片由高彈性低線脹系數(shù)的液體介質(zhì)傳遞給石英諧振器。這種傳感器可以測量液體的壓力,量程達(dá)到70MPa。圖6.13石英諧振器QPT的結(jié)構(gòu)圖6.14為這種石英諧振式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)。圖中QPT靠薄彈簧片N懸浮于傳壓介質(zhì)油O中。壓力容器由銅套筒C和鋼套筒S構(gòu)成,隔膜D與鋼套筒S連接,E為QPT的電接頭。QPT的溫度由內(nèi)加熱器HI和外加熱器HO控制。當(dāng)傳感器工作時,可使QPT保持在±0.05°C恒溫以內(nèi),從而使振子達(dá)到零溫度系數(shù)。隔膜D是容器內(nèi)的油和外壓力介質(zhì)的分界層。液體油O(合成磷酸鹽脂溶液)熱膨脹系數(shù)比較低,以便減小因溫度變化引起的液體油壓變化而造成的(溫度)讀數(shù)誤差。端蓋用不銹鋼制造,P為壓力進(jìn)口。圖6.14石英諧振式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)與傳感器配套實(shí)現(xiàn)數(shù)字測量的電路框圖如圖6.15所示。圖6.15與傳感器配套實(shí)現(xiàn)數(shù)字測量的電路框圖6.3.3壓電汞蒸氣探測器石英晶片的共振頻率f因附加到其上的質(zhì)量的增減而變化,即式中,Δf是共振頻率的變化(Hz),Δm是涂層吸附的附加質(zhì)量(g),A是涂層面積(cm2)。由上式可知,如使晶片的涂層具有吸附某種氣體成分的功能,則可通過測量共振頻率的變化,得知該氣體成分是多少。壓電汞蒸氣探測器是在石英晶片的電極上沉積金膜。金膜能吸收汞生成汞齊,是良好的檢測汞的涂層材料。一實(shí)驗(yàn)裝置用9MHz的AT切石英晶片,用真空沉積法在電極上沉積金膜,裝在晶體盒內(nèi),作為敏感元件。實(shí)驗(yàn)裝置的框圖,如圖6.16所示。實(shí)驗(yàn)表明,空氣中汞濃度在3ppb以下或吸附汞量在246ng以下,頻率變化是線性的，如圖6.17所示。圖6.16實(shí)驗(yàn)裝置的框圖圖6.17空氣中汞濃度與頻率變化的關(guān)系6.3.4測量液體密度的壓電傳感器

測量液體密度的壓電傳感器的敏感元件是一個由壓電晶片激勵的空心音叉,圖6.18為其結(jié)構(gòu)示意圖。音叉由不銹鋼管制作,其Q值高達(dá)800,接近一般音叉,可滿足檢測共振頻率微小變化的需要。兩片壓電陶瓷晶片,一片激勵叉臂產(chǎn)生振蕩,另一片接收信號。圖6.18傳感器結(jié)構(gòu)示意圖流過音叉液體密度的微小變化,會導(dǎo)致音叉共振頻率發(fā)生變化,關(guān)系式為式中,ρ為液體密度,f為共振頻率,A、B為定標(biāo)系數(shù)。圖6.19是測量系統(tǒng)的方塊圖。由微型計算機(jī)控制的頻率發(fā)生器激勵傳感器振動,晶片接收的信號經(jīng)A/D變換后輸給微型計算機(jī),由微型計算機(jī)算出頻率和密度,最后傳輸給顯示器顯示。該系統(tǒng)能連續(xù)測量流動液體的密度,測量迅速方便。測量的七種液體(蒸餾水及六種不同配比的乙醇與水和丙三醇與水)密度與頻率的關(guān)系,如圖6.20所示。測量值與校正值之間的相對偏差小于0.05%。圖6.19測量系統(tǒng)的方塊圖圖6.20密度與頻率的關(guān)系6.4聲表面波傳感器6.4.1SAW傳感器的基本原理SAW傳感器的基本原理是,在壓電材料表面形成叉指換能器,構(gòu)成SAW振蕩器或諧振器,適當(dāng)設(shè)計SAW振蕩器或諧振器,使其對微細(xì)的待測量敏感。一般是使待測量作用SAW的傳播路徑,引起SAW的傳播速度發(fā)生變化,從而使振蕩頻率發(fā)生變化,通過頻率的變化檢測待測量。由于是頻率輸出,很容易轉(zhuǎn)換成數(shù)字形式,有利于高精度測量與計算機(jī)接口。1.SAW叉指換能器SAW的發(fā)射和接收是靠SAW叉指換能器來實(shí)現(xiàn)的。叉指換能器是由若干條淀積在壓電材料襯底上的金屬膜電極組成,基本結(jié)構(gòu)如圖6.21所示。這些電極條互相交叉配置,兩端由匯流條連接在一起,其形狀如同交叉平放的兩排手指,故稱為叉指電極,該種換能器稱為叉指換能器（InterdigitalTransducer,簡稱IDT)。圖6.21SAW叉指換能器結(jié)構(gòu)IDT是利用壓電材料的壓電效應(yīng)來激勵和接收SAW的。IDT是可逆的,既可用作發(fā)射換能器,用來激勵SAW,又可用作接收換能器,用來接收SAW。當(dāng)用作發(fā)射換能器時,在電極上施加適當(dāng)頻率的交變電信號,壓電基片內(nèi)的電場分布如圖6.22(a)所示。該電場可分解為垂直和水平兩個分量,可近似為橫場模等效（圖6.22(b)）或縱場模等效（圖6.22(c)）,視壓電材料和切割方法的不同,選取其一。圖6.22叉指換能器激勵SAW示意圖2.SAW振蕩器SAW振蕩器也稱SAW延遲線振蕩器，它由一組SAW發(fā)射、接收IDT和反饋放大器組成,如圖6.23所示。由發(fā)射換能器發(fā)射的表面波經(jīng)媒質(zhì)延遲被接收換能器接收。接收的信號經(jīng)放大器放大,再反饋到發(fā)射換能器構(gòu)成振蕩回路。當(dāng)放大器的增益可以補(bǔ)償延遲線的損耗同時又滿足一定的相位條件時,振蕩器就可以起振。其振蕩條件是圖6.23SAW振蕩器式中,A是放大器增益,LP是SAW延遲線的傳播損耗,LB是IDT的雙向損耗,LC是放大器和IDT之間的變換損耗,φD=ωτ=ωl/v,φE是放大器通配網(wǎng)絡(luò)和IDT的相移,l為收發(fā)換能器的距離,v為波速。通常相應(yīng)的延遲相移ωl/vφE,所以,起振的相位條件可寫為(6.1)3.SAW諧振器SAW諧振器由IDT和柵格反射器組成。柵格反射器是在壓電基片表面上設(shè)置的柵陣和溝槽等,其聲阻抗不連續(xù)。當(dāng)表面波在基片上傳播時,在聲阻抗不連續(xù)區(qū)(反射器)產(chǎn)生相干反射。若適當(dāng)設(shè)計柵格反射器的長度和位置,即選擇諧振腔長度,則在腔體內(nèi)形成駐波,能量被封閉在腔體內(nèi)。如果按某種方式從腔體中取出能量,便可得到諧振器,類似體波振子的諧振狀態(tài)。圖6.24所示為諧振器的兩種形式,即雙端對(圖(a))和單端對(圖(b))。它們的區(qū)別是,單端對僅有一IDT同時負(fù)擔(dān)發(fā)送和接收信號;雙端對則有兩個IDT,一個發(fā)送信號,另一個接收信號。雙端對又有兩種結(jié)構(gòu),如圖6.25所示，即IDT置于兩端的內(nèi)腔式(圖(a))和IDT置于中間的外腔式(圖(b))。圖6.24諧振器的兩種形式(a)雙端對;(b)單端對圖6.25雙端對的兩種結(jié)構(gòu)6.4.2SAW壓力傳感器圖6.26為SAW壓力傳感器的原理結(jié)構(gòu)圖。其SAW延遲線的基片很薄,在壓力作用下,SAW傳播路徑的長度以及SAW的波速都要發(fā)生變化,由式(6.1)可知,二者的變化都會引起振蕩頻率的偏移,由偏移量的大小就可檢測出基片所受壓力的大小。圖6.26SAW壓力傳感器原理結(jié)構(gòu)一般壓電材料都有一定的溫度系數(shù),溫度變化引起的頻偏往往超過壓力變化引起的頻偏,必須對溫度變