声表面波传感器课件

*为什么说叉指换能器是声表面波传感器的关键部件？ 声表面波谐振器的核心是叉指换能器。基于声表面波 谐振器的频率特性，配上必要的电路和结构，可以实 现敏感许多参数的声表面波传感器。利用SAW谐振器 的频率特性对温度、压力、磁场、电场和某些气体成 分等敏感的规律，设计、研制和开发了十几种声表面 波传感器。
新型传感技术及应用
声表面波
传感器
声表面波传感器
本章基本内容包括：
声表面波的主要性质、声表面波叉指换
引
能器、叉指换能器的基本特性、叉指换
能器的基本分析模型、声表面波谐振器
及其特性、SAW加速传感器、SAW压
力传感器、SAW气体传感器、SAW流
言
量传感器。
【 CONTENT 】
1. 概 述 2. 表面波的基本理论 3. 声表面波叉指换能器 4. 声表面波谐振器 5. SAW加速度传感器 6. SAW压力传感器 7. SAW气体传感器 8. SAW流量传感器
乐甫波与瑞利型波在各向异性的材料中耦合在一起出现。
【表面波的基本理论】
声表面波的基本性质： 1.声表面波的反射和模式转换。
在声表面波传播表面上常会发生声阻抗不连续。声表面波与 一般的波动一样，当遇到声阻抗不连续时便会发生反射。 对于瑞利波，由于其质点作椭圆振动，既有横振动又有纵振 动，因此遇到阻抗不连续时，入射波除了以瑞利波形式反射 回来外，还有一部分能量在反射时会转换为体波，这种现象 称为模式转换。 2.波束偏离与衍射效应。 在各向异性固体中，波的相速与群速或 者说相位传播方向与能量传播方向一般 是不一致的，这种现象称为波束偏离。 两者之间的角度Φ称为偏离角度。
瑞利波：瑞利波素的的计算公式比较复杂，在最简单的非 压电各向同性的固体材料中，其速度满足：
r3 8r2 8r(3 2s) 16(1 s) 0
s
( vs vl
)2
1 2μs 2(1-μs）
r=（ vr ）2 vs
式中vr——瑞利波传播速度，m/s; μs——表面波材料的泊松比。
通过分析，比值vr/vs在0.87~0.96之间，如图7.2，瑞利 波速度比横波慢。
ES (1 S ) S (1 S )(1 2S )
vs
E
2S (1 S )
vl ——纵波速度，m/s; vs ——横波速度，m/s; Es——表面波材料的弹性模量，Pa； S ——表面波材料的泊松比； S ——表面波材料的质量密度，kg/m3
弹性模量：弹性形变中，正应力和正应变的比值； 泊松比：横向应变与纵向应变之比。
声表面波传感器
2.表面波的基本理论
【 表面波的基本理论 】
波的分类： 在无边界各向同性的固体中传播的声波成为体波或体声波。 当固体有界时，由于边界的限制，可出现各种类型的面波，也叫表面波。
对于体波，根据质点的振动方向可将它分为纵波与横波，纵波质点振动平行于 传播方向，横波质点垂直于传播方向：
vl
，它由若干淀积在压电衬底材料上
的金属膜电极组成，这些电机条互
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，故称为均匀(或非色散)叉指换
能器。叉指周期T=2a+2b。两相邻
电极构成一电极对，其相互重叠的
长度为有效指长，即换能器的孔径，
记为W。若换能器的各电极对重叠
长度相等，则叫等孔径（或等指长）
器有M个边缘，则总的输出应为M个边缘输出的叠加，其频率响应简化为：
H (
N
)=（
W e ）e j2πf v
xn
2
-j2πf B v
n
n=1
-j2πf B
ev
——固定延迟
B ym -xn
ym——两个叉指换能器中心之间的距离，m；
2.脉冲响应模型 若接收换能器为一宽带换能器，有足够的孔径将全部发射声波束收集起来， 则总的频率相应位： H(ω)=H1(ω)H2(ω) 按卷积定理，总脉冲响应h（t）为两个换能器的冒充响应之卷积，即：
【表面波的基本理论】
电声波是一种质点振动垂直 于传播方向和表面法线方向的
若材料是电自由的，则沿x 方向传播的速度为：
横表面波，1968年由Bleustein 和Gulyaev首先发现。
当晶体材料表面短路时，沿x方向 传播的电声波的速度 为:
v=vs 1-K 4
这时的衰减系数为：
v=vs
1- K 4
叉指换能器。
叉指换能器基本结构
【声表面波叉指换能器】
3.2叉指换能器激励SAW的物理过程 交流电信号——发射产指换能器——逆压电效应—— 材料形变——产生SAW波——正压电效应—— 接收叉指换能器——电信号 SAW频率等于所加电信号的频率。 3.3叉指换能器的基本特性
（1）工作频率（f0）高。 电机应变周期T即为声波波长λ ，可表示为： λ=T=v/f0 v——材料的表面波声速，m/s f0——SAW频率，即外加电场的同步频率，Hz 当指宽a与间隔b相等时，T=4a,f0=v/4a 对于确定的声速v，叉指换能器的最高工作频率只受工艺上所能获得的最小电极 宽度a的限制。叉指电极由平面工艺制造，随着集成电路工艺技术的发展，现已 能获得0.3 μm左右的线宽。对石英基片，换能器的工作频率可高达2.6GHz。工 作频率高是这类期间的一大特点。
【声表面波叉指换能器】
（2）时域（脉冲）响应与空间几何图形的对应性
叉指换能器的每对叉指电极的空间位置直接对应于时间波形的取样。在多指对发射、
接收情况下，将一个δ脉冲加到发射换能器上，在接收端收到的信号是到达接收换
能器的声波幅度与相位叠加，能量大小正比于指长。
（3）带宽直接取决于叉指对数。
对于均匀的叉指换能器，即等指宽、等间隔的叉指换能器，带宽可简单地表示为：
= 2π 度电Z，声为透波电入深深。声度波远的较质表点面电振短动路方的向。
2
=
K 1+
4 11
1，
1
【表面波的基本理论】
乐甫波：在瑞声利表型面波波：器件中，常见到一种复合结构，即在基片 上面覆盖一层瑞薄利膜型。波此的时出解现波不动受方vs程`<v需s的要限两制个，边即界条件，一是在 膜的自由表面无，论另薄一膜是材在料膜的与体基横片波上速面度覆大盖于的还分是界小面。可出现两 种波：一是质于点基作片椭材圆料偏的振体的横瑞波利速型度波都；能另出一现是瑞当利薄膜材料的体 横波速度vs`小型于波基。片材料的体横波速度vs时出现的横表面波，其 质点振动垂直当于vs传`>v播s时方，向只x和有表一面种法基线本方模向式y，，不该存波成为乐甫波。
（5）可作内加权。
在叉指换能器中，每对叉指辐射的能量与指长重叠的有效长度即孔径有关。这就可
以用改变指长重叠的办法实现对脉冲信号幅度的加权。
（6）制造简单，重复性、一致性好。
【声表面波叉指换能器】
3.4叉指换能器的基本分析模型
1. δ函数模型
叉指换能器截面的电场分布如图a所示。若近 似地认为只有垂直表面的电场才激励SAW， 那么可将电场分布简化为b的形式。这时，认 为电场仅存在于叉指电极的下方，而电极间 无电场分量的作用，且各电极的电场是正负 交替出现的，沿x传播方向的电场分布如图c 所示。电场梯度最大的地方是在电极边缘处 为一系列脉冲，且两两同号相间，如d。这 就是说，将每条叉指的每个边缘看成互相独 立的δ函数声源输出的叠加。
在高次模式，当膜层增厚或频率增高， 瑞利型波波速也逐渐增加，直至与基体 乐甫波是一的种体色波散速波度，相即同波，速这与是频波率的有投关射。速在度截很至频率附近， 波透入基片中大很，深类，似其于传体播横速波度。接近基体中横波的速度。低频时， 膜 透仅入相基当片于中对深当散基度v外s体逐`，<v的渐还s时一减存，种小在则微，高类扰即次似。波谐于当的波了频能。甫率量波增逐，高渐除时集了， 中色波于速薄逐膜渐层减中小。，当 波长比薄膜层厚度小很多时，波基本上集中在薄膜层中，这时波 的传播速度接近于薄膜层材料中的横波速度。
【 表面波的基本理论 】
在一般各向异性的晶体材料中，质点振动方向与声波传播方向的关系比较复杂。 通常，质点振动方向既不平行也不垂直于波的传播方向，而且质点振动有三个 相互垂直的偏振方式。偏振方向较接近于传播方向的波成为“准纵波”，另外 两个偏振方向较接近垂直于传播方向的波成为“准横波”。这三个波的速度个 异，其中准纵波最快，两个准横波中，速度交快的一个成为“准快横波”，较 慢的一个成为“准慢横波”。这三个波的波前法线方向，即波的相速度方向与 波的能流方向不一致，这种现象叫做“波束分离”。
【表面波的基本理论】
瑞利波质点运动是一种椭圆的偏振，是相位差为 90° 的纵振动和横振动合成的结果。
在图中不难看出，瑞利波能 量集中在一个约一个波长深 度的表面层内，频率越高， 集中能量的层越薄。
这一特点使声表面波较体波更容易获得高声强，同时该特点也 使基片对声表面波传播的影响很小，因此就声表面波器件本身， 对基片的厚度无严格的要求。 在各向异性晶体材料中，瑞利波基本上保持了上述特点。
【概 述】
声表面波(SAW)理论
叉指换能器(IDT)
SAW谐振器
SAW传感器
SAW加速度传感器
SAW压力传感器
SAW气体传感器
SAW流量传感器
【概 述】
SAW传感器的四个优点： 1.高精度、高灵敏度，适合于微小量程的测量。 2.结构工艺性好，便于批量生产。 3.体积小，质量小，功耗低，易于集成。 4.与微处理器相连，接口简单。
n为波前的法线向量，rL、rS1、rS2分别为 准纵波、准快横波、准慢横波的能流方 向，一般这三束波不共面；oL,oS1,oS2 分别正比于rL、rS1、rS2的相速度。
在各个异性固体材料中 传播的声波
【表面波的基本理论】
表面波的类型
瑞 利 波