声表面波技术.pptx
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5
尽管SAW传感器的历史并不长，在实用化方面尚有 很多困难，但由于它的符合信号系统小型化、数字化、 智能化和集成化、高精度的发展方向，因而越来越受到 传感器行业的青睐，世界上许多国家对SAW传感器的开 发研究极为关注。从80年代至90年代，SAW传感器在 欧美，特别是在日本，获得了迅速发展，出现了十几种 类型的SAW传感器。近十几年来，SAW技术、电子技 术和微平面工艺的不断发展，使SAW振荡器的频率不断 提高，器件和电路Q值不断增大，这为SAW传感器的发 展提供了良好契机。
接收端
接地电极 压电基体
10
SAW的描述
❖ 声波可以用质点离开平衡位置的位移来表示，对 于压电体，声波的传播还伴随着电场和电势，因 此描述声波的变量还要有电势，一共四个量。
11
2. 声表面波的类型
不同的边界条件和传播介质条件可以激发出不同 模式的声表面波。
在半无限基片上存在的声表面波有瑞利波 (Rayleigh waves)、漏波(Leaky SAW)、广义瑞利波 （Generalized Rayleigh waves）、水平剪切波(SHSAW)、电声波(B-G waves)、兰姆波(Lamb waves) 等。
6
8.2 声表面波技术的基础知识
1. 什么是声表面波
SAW泛指沿表面或界面传播的各种模式的波
机械波
在表面传播，能量 集中在厚度不超过 1个波长的表层
7
SAW
8
SAW的激发
1. 基于压电材料的压电效应与逆压电效应
电能
机械能
Fra Baidu bibliotek电能
2. 波在不连续介质处的反射
9
Concept: IDT
外加电压 吸声材料
（1）具有较低的传播速度和较短的波长； （2）沿固体表面传播的，且传播速度较慢； （3）晶体表面传播的弹性波，不涉及晶体内 部电子的迁移过程； （4）采用单晶材料和用平面工艺制造，故重 复性和一致性好，易于大批量生产。
3
声表面波器件
滤波器、延迟线、振荡器、混频器、放大器、卷积器、
相关器、编码器、声光调制器、声光偏转器、声光开
在层状结构的基片存在有乐甫波(Love waves)、
西沙瓦波(Sezawa waves)、斯东莱波（Stoneley
waves）等。
12
3. 瑞利波特点
瑞利波是在半无限基片边界条件下沿介质表面传播的声 波，SAW技术中所应用的绝大部分是瑞利波，它具有特点： ①非色散波，即波速与频率无关； ②质点作椭圆偏振，偏振平面不一定在弧矢平面内，椭圆的 主轴也不一定与传播方向或表面法线平行； ③质点通常有三个位移分量，并随深度方向呈衰减振荡，能 量几乎集中在1~2个波长的深度范围内； ④波的相速度依赖于晶体的切向和波的传播方向，除沿纯模 方向外，能流方向一般也不平行于传播方向。
13
4. SAW技术应用与器件
目前SAW技术的应用已涉及地震学、天文学、 雷达通讯及广播电视中的信号处理、航空航天、石 油勘探、无损检测、识别定位和传感器等许多学科 领域。随着电子学、声学、微平面工艺的飞速发展， SAW技术的发展也越来越迅速，目前已成为电子、 超声领域最为活跃的学科分支之一。
14
1965年，美国的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金属叉指换 能器（IDT），大大加速了声表面波技术的发展，相 继出现了许多各具特色的声表面波器件，使这门年 轻的学科逐步发展成为一门新兴的、声学和电子学 相结合的边缘学科。
2
声表面波特点（相比电磁波）
第8章 声表面波传感技术
➢8.1 概述 ➢8.2 声表面波技术基础知识 ➢8.3 研究声表面波的基础理论 ➢8.4 声表面波传感器技术 ➢8.5 典型声表面波传感器及应用
1
8.1 概述
声表面波（SAW）是一种能量集中在表面传播 的弹性波。最早是由英国物理学家瑞利在19世纪80 年代在研究地震波过程中偶然发现的。
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nk
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0
各种SAW问题的解都是从上述公式出发， 结合各个问题的对称性和边界条件来求得。
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4. 声表面波特性的理论分析
声表面波特性的理论分析就是根据给定的材料常 数（包括弹性常数、压电常数、介电常数、密度、 热膨胀系数及其相应的一阶和二阶温度系数常数） 按Christofel方程和边界条件来计算某个切向条件下 的声表面波速度(包括自由化表面和金属化表面)、机 电耦合系数（K2）、能流角（PFA）、延时温度系 数（TCD）等特性参数，这是进行SAW器件设计的 基础和出发点。
5. SAW器件材料
SAW器件的特性在很大程度上是由压电基片材 料决定的，一般描述SAW器件材料的性能指标有： 机电耦合系数，延时温度系数，相速度、各向异性 因子、插入与传播损耗、密度、弹性模量与杨氏模 量等。
15
目前使用的SAW基片材料主要有： 压电单晶：石英（SiO2）、铌酸锂(LiNbO3)、钽酸锂 （LiTaO3）、铌酸钾（KNbO3）等，重复性好、可靠性高、 传播损耗小 ，一般它们是各向异性材料 ，难以同时满足机电 耦合系数高，而温度系数又要小的要求； 压电陶瓷：机电耦合系数最大 ，一致性差 ，工作频率受到多 晶晶粒大小和晶粒间界状况、内部气孔大小的限制，一般只适 宜作低频器件。 压电薄膜：如ZnO ，表面波传播特性由压电薄膜和衬底的特 性共同决定，它可以很方便的与半导体电子器件集成为单片器 件，使声表面波信号处理器件或传感器与外围电路集成化
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Materials
17
8.3 SAW问题的基础理论
1. 压电效应及其本构方程
Tij
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Ek
2. 压电体内的波动方程
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0
18
3. 压电介质中的Christofel方程
关、超声马达、射频标签和传感器等。特别是其作为
一种快速、超小型的频率控制、选择和信号处理器件，
对电子和通信系统的发展起着极为重要的作用。目前，
SAW器件正在朝着GHz频段到10GHz频段的超高频化
发展。可以预测它将在信号检测、信号处理中发挥越
来越重要的作用。
4
用SAW器件研制、开发新型传感器始于20世纪 80年代，起初，人们发现外界因素(如温度、压力、 磁场、电场、某种气体等)对声表面波传播特性会 造成影响，进而研究这些影响与外界因素的关系。 根据这些函数关系．设计了各种所需结构．用于测 量各种化学的、物理的、生物的被测参数。
尽管SAW传感器的历史并不长，在实用化方面尚有 很多困难，但由于它的符合信号系统小型化、数字化、 智能化和集成化、高精度的发展方向，因而越来越受到 传感器行业的青睐，世界上许多国家对SAW传感器的开 发研究极为关注。从80年代至90年代，SAW传感器在 欧美，特别是在日本，获得了迅速发展，出现了十几种 类型的SAW传感器。近十几年来，SAW技术、电子技 术和微平面工艺的不断发展，使SAW振荡器的频率不断 提高，器件和电路Q值不断增大，这为SAW传感器的发 展提供了良好契机。
接收端
接地电极 压电基体
10
SAW的描述
❖ 声波可以用质点离开平衡位置的位移来表示，对 于压电体，声波的传播还伴随着电场和电势，因 此描述声波的变量还要有电势，一共四个量。
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2. 声表面波的类型
不同的边界条件和传播介质条件可以激发出不同 模式的声表面波。
在半无限基片上存在的声表面波有瑞利波 (Rayleigh waves)、漏波(Leaky SAW)、广义瑞利波 （Generalized Rayleigh waves）、水平剪切波(SHSAW)、电声波(B-G waves)、兰姆波(Lamb waves) 等。
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8.2 声表面波技术的基础知识
1. 什么是声表面波
SAW泛指沿表面或界面传播的各种模式的波
机械波
在表面传播，能量 集中在厚度不超过 1个波长的表层
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SAW
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SAW的激发
1. 基于压电材料的压电效应与逆压电效应
电能
机械能
Fra Baidu bibliotek电能
2. 波在不连续介质处的反射
9
Concept: IDT
外加电压 吸声材料
（1）具有较低的传播速度和较短的波长； （2）沿固体表面传播的，且传播速度较慢； （3）晶体表面传播的弹性波，不涉及晶体内 部电子的迁移过程； （4）采用单晶材料和用平面工艺制造，故重 复性和一致性好，易于大批量生产。
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声表面波器件
滤波器、延迟线、振荡器、混频器、放大器、卷积器、
相关器、编码器、声光调制器、声光偏转器、声光开
在层状结构的基片存在有乐甫波(Love waves)、
西沙瓦波(Sezawa waves)、斯东莱波（Stoneley
waves）等。
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3. 瑞利波特点
瑞利波是在半无限基片边界条件下沿介质表面传播的声 波，SAW技术中所应用的绝大部分是瑞利波，它具有特点： ①非色散波，即波速与频率无关； ②质点作椭圆偏振，偏振平面不一定在弧矢平面内，椭圆的 主轴也不一定与传播方向或表面法线平行； ③质点通常有三个位移分量，并随深度方向呈衰减振荡，能 量几乎集中在1~2个波长的深度范围内； ④波的相速度依赖于晶体的切向和波的传播方向，除沿纯模 方向外，能流方向一般也不平行于传播方向。
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4. SAW技术应用与器件
目前SAW技术的应用已涉及地震学、天文学、 雷达通讯及广播电视中的信号处理、航空航天、石 油勘探、无损检测、识别定位和传感器等许多学科 领域。随着电子学、声学、微平面工艺的飞速发展， SAW技术的发展也越来越迅速，目前已成为电子、 超声领域最为活跃的学科分支之一。
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1965年，美国的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金属叉指换 能器（IDT），大大加速了声表面波技术的发展，相 继出现了许多各具特色的声表面波器件，使这门年 轻的学科逐步发展成为一门新兴的、声学和电子学 相结合的边缘学科。
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声表面波特点（相比电磁波）
第8章 声表面波传感技术
➢8.1 概述 ➢8.2 声表面波技术基础知识 ➢8.3 研究声表面波的基础理论 ➢8.4 声表面波传感器技术 ➢8.5 典型声表面波传感器及应用
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8.1 概述
声表面波（SAW）是一种能量集中在表面传播 的弹性波。最早是由英国物理学家瑞利在19世纪80 年代在研究地震波过程中偶然发现的。
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各种SAW问题的解都是从上述公式出发， 结合各个问题的对称性和边界条件来求得。
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4. 声表面波特性的理论分析
声表面波特性的理论分析就是根据给定的材料常 数（包括弹性常数、压电常数、介电常数、密度、 热膨胀系数及其相应的一阶和二阶温度系数常数） 按Christofel方程和边界条件来计算某个切向条件下 的声表面波速度(包括自由化表面和金属化表面)、机 电耦合系数（K2）、能流角（PFA）、延时温度系 数（TCD）等特性参数，这是进行SAW器件设计的 基础和出发点。
5. SAW器件材料
SAW器件的特性在很大程度上是由压电基片材 料决定的，一般描述SAW器件材料的性能指标有： 机电耦合系数，延时温度系数，相速度、各向异性 因子、插入与传播损耗、密度、弹性模量与杨氏模 量等。
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目前使用的SAW基片材料主要有： 压电单晶：石英（SiO2）、铌酸锂(LiNbO3)、钽酸锂 （LiTaO3）、铌酸钾（KNbO3）等，重复性好、可靠性高、 传播损耗小 ，一般它们是各向异性材料 ，难以同时满足机电 耦合系数高，而温度系数又要小的要求； 压电陶瓷：机电耦合系数最大 ，一致性差 ，工作频率受到多 晶晶粒大小和晶粒间界状况、内部气孔大小的限制，一般只适 宜作低频器件。 压电薄膜：如ZnO ，表面波传播特性由压电薄膜和衬底的特 性共同决定，它可以很方便的与半导体电子器件集成为单片器 件，使声表面波信号处理器件或传感器与外围电路集成化
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Materials
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8.3 SAW问题的基础理论
1. 压电效应及其本构方程
Tij
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2. 压电体内的波动方程
ciEjkluk ,lj
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S
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3. 压电介质中的Christofel方程
关、超声马达、射频标签和传感器等。特别是其作为
一种快速、超小型的频率控制、选择和信号处理器件，
对电子和通信系统的发展起着极为重要的作用。目前，
SAW器件正在朝着GHz频段到10GHz频段的超高频化
发展。可以预测它将在信号检测、信号处理中发挥越
来越重要的作用。
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用SAW器件研制、开发新型传感器始于20世纪 80年代，起初，人们发现外界因素(如温度、压力、 磁场、电场、某种气体等)对声表面波传播特性会 造成影响，进而研究这些影响与外界因素的关系。 根据这些函数关系．设计了各种所需结构．用于测 量各种化学的、物理的、生物的被测参数。