声表面波技术
声表面波简介
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声表面波简介声表面波技术是六十年代末期才发展起来的一门新兴科学技术,它是声学和电子学相结合的一门边缘学科。
由于声表面波的传播速度比电磁波慢十万倍,而且在它的传播路径上容易取样和进行处理,因此,用声表面波去模拟电子学的各种功能,能使电子器件实现超小型化和多功能化。
同时,由于声表面波器件在甚高频和超高频波段内以十分简单的方式提供了其它方法不易得到的信号处理功能,因此,声表面波技术在雷达、通信和电子对抗中得到了广泛的应用。
声表面波是沿物体表面传播的一种弹性波。
早在九十多年前,人们就对这种波进行了研究。
1885 年,瑞利根据对地震波的研究,从理论上阐明了在各向同性固体表面上弹性波的特性。
但由于当时的科学技术水平所限,这种弹性表面波一直没有得到实际上的应用。
直到六十年代,由于半导体平面工艺以及激光技术的发展,出现了大量人造压电材料为声表面波技术的发展提供了必要的物质和技术基础。
1949 年,美国贝尔电话实验室发现了LiNbO3单晶。
1964 年产发表了激发弹性表面波平面结构换邹器的专利。
特别应该指出的是,1965 年,怀特(R . M.white)和沃尔特默(F.W.voltmer )在应用物理杂志上发表了题为“一种新型表面波声-电换能器― 叉指换能器”的论文,从而取得了声表面波技术的关键性突破。
声表面波器件的基本结构和工作原理声表面波器件是在压电基片上制作两个声一电换能器―叉指换能器。
所谓叉指换能器,就是在压电基片表面上形成形状像两只手的手指交叉状的金属图案,它的作用是实现声一电换能。
声表面波器件的工作原理是,基片左端的换能器(输入换能器)通过逆压电效应将愉入的电信号转变成声信号,此声信号沿基片表面传播,最终由基片右边的换能器(输出换能器)将声信号转变成电信号输出。
整个声表面波器件的功能是通过对在压电基片上传播的声信号进行各种处理,并利用声一电换能器的待性来完成的。
声表面波技术有如下的特点:第一,声表面波具有极低的传播速度和极短的波长,它们各自比相应的电磁波的传播速度的波长小十万倍。
SAW声表面波技术知识简介(新手篇)
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SAW声表面波技术知识简介(新手篇)声表面波技术是六十年代末期才发展起来的一门新兴科学技术,它是声学和电子学相结合的一门边缘学科。
由于声表面波的传播速度比电磁波慢十万倍,而且在它的传播路径上容易取样和进行处理,因此,用声表面波去模拟电子学的各种功能,能使电子器件实现超小型化和多功能化。
同时,由于声表面波器件在甚高频和超高频波段内以十分简单的方式提供了其它方法不易得到的信号处理功能,因此,声表面波技术在雷达、通信和电子对抗中得到了广泛的应用。
声表面波是沿物体表面传播的一种弹性波。
早在九十多年前,人们就对这种波进行了研究。
1885年,瑞利根据对地震波的研究,从理论上阐明了在各向同性固体表面上弹性波的特性。
但由于当时的科学技术水平所限,这种弹性表面波一直没有得到实际上的应用。
直到六十年代,由于半导体平面工艺以及激光技术的发展,出现了大量人造压电材料为声表面波技术的发展提供了必要的物质和技术基础。
1949 年,美国贝尔电话实验室发现了LiNbO3单晶。
1964 年产发表了激发弹性表面波平面结构换邹器的专利。
特别应该指出的是,1965年,怀特(R .M.white)和沃尔特默(F.W.voltmer)在应用物理杂志上发表了题为“一种新型表面波声-电换能器―叉指换能器”的论文,从而取得了声表面波技术的关键性突破。
声表面波器件的结构和原理声表面波器件是在压电基片上制作两个声一电换能器——叉指换能器。
所谓叉指换能器,就是在压电基片表面上形成形状像两只手的手指交叉状的金属图案,它的作用是实现声一电换能。
声表面波器件的工作原理是,基片左端的换能器(输入换能器)通过逆压电效应将愉入的电信号转变成声信号,此声信号沿基片表面传播,最终由基片右边的换能器(输出换能器)将声信号转变成电信号输出。
整个声表面波器件的功能是通过对在压电基片上传播的声信号进行各种处理,并利用声一电换能器的待性来完成的。
声表面波技术的特点第一,声表面波具有极低的传播速度和极短的波长,它们各自比相应的电磁波的传播速度的波长小十万倍。
声表面波原理
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声表面波原理声表面波(Surface Acoustic Wave, SAW)是一种在固体表面传播的机械波,具有许多独特的特性和应用。
声表面波可以在固体表面上沿着微细晶体结构传播,其传播速度和频率范围可通过晶体材料的选择和加工工艺进行调控。
声表面波技术已经在无线通信、传感器、滤波器、延迟线、微波器件等领域得到广泛应用。
声表面波的原理主要基于固体材料的弹性性质和表面结构的特殊性。
当外部施加声激励信号时,固体表面上的晶格结构会发生微小的变形,这种变形会形成一种沿着表面传播的机械波,即声表面波。
声表面波的传播速度取决于材料的弹性模量和密度,而频率范围则取决于晶格结构和加工工艺。
声表面波的特性使其在无线通信领域得到了广泛的应用。
利用声表面波器件可以实现无源无线传感器网络中的无源传感器节点与中心控制器之间的无线通信,同时也可以实现射频信号的滤波和延迟线功能。
声表面波滤波器具有高品质因数和良好的频率选择性,可以用于无线通信系统中的信号调制和解调,以及频谱分析等应用。
另外,声表面波传感器也是声表面波技术的重要应用之一。
声表面波传感器利用声表面波在固体表面上的传播特性,可以实现对压力、温度、湿度、气体浓度等物理量的高灵敏度、高精度检测。
声表面波传感器具有体积小、功耗低、响应速度快等优点,已经在环境监测、医疗诊断、工业控制等领域得到了广泛应用。
此外,声表面波技术还可以用于微波器件中的延迟线和滤波器。
声表面波延迟线可以实现微波信号的相移和延迟,用于无线通信系统中的信号处理和频率合成。
声表面波滤波器则可以实现对微波信号的频率选择性和抑制非期望频率成分,用于无线通信系统中的信号调制和解调。
总的来说,声表面波技术具有许多独特的特性和应用,已经成为无线通信、传感器、滤波器、延迟线、微波器件等领域中的重要技术手段。
随着固体材料和加工工艺的不断进步,声表面波技术将会在更多领域得到广泛应用,并为人类社会的发展带来更多的便利和可能。
声表面波促进伤口愈合的原理与控制方法
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声表面波促进伤口愈合的原理与控制方法Surface acoustic wave (SAW) is a type of sound wave that travels along the surface of a material, such as a biological tissue or an artificial substrate. The promotion of wound healing by SAW is based on its ability to induce mechanical stress and strain in the tissue, which in turn activates cellular responses involved in the healing process.表面声波(SAW)是一种沿着材料表面传播的声波,例如生物组织或人工基板。
声表面波促进伤口愈合的原理基于其能够在组织中诱导机械应力和应变,进而激活参与愈合过程的细胞反应。
When SAW is applied to a wound, it generates mechanical forces that can stimulate the migration and proliferation of fibroblasts, which are key players in the production of extracellular matrix and collagen, essential for tissue repair and wound closure. Additionally, SAW has been shown to modulate the inflammatory response at the wound site, reducing the levels of pro-inflammatory cytokines and promoting the secretion of anti-inflammatory factors, which helps to create a more favorable environment for healing.当SAW应用于伤口时,它会产生机械力,可以刺激成纤维细胞的迁移和增殖,这些细胞是产生细胞外基质和胶原蛋白的关键参与者,对于组织修复和伤口闭合至关重要。
声表面波
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以伴有电场分布的弹性波形式在压电基底介质中沿表面传播出去。这一表面波传到压电介质的另一 端时,被另一个叉指换能器接收,再转换成电信号。这样,就在同一个压电基底上完成了电-声-电 的转换过程。 在此过程中, 如果对信号进行加工处理,就构成声表面波器件,由此而形成声表面波技术。 声表面波技术的特点是:①声波比电磁波的传播速度要小 5 个数量级;在相同频率下,波长也短 5 个数量级,因而器件体积将大大缩小;②信号的转换和传递是在压电晶体表面进行的,因而采用半 导体平面工艺就可以制做器件。此外,信号的提取,注入和加工处理也很方便。
声表面波
深圳市思在固体半空间表面存在的一种沿表面传播,能量集中于表面附近的弹性波。声表面波又称为表面声 波。 1885 年,英国物理学家 J.W.瑞利从理论上预言,在各向同性均匀固体表面存在声表面波,故 又称为瑞利波。声表面波的传播速度 Vs 满足瑞利方程
压电晶体本身是换能介质,在传播声表面波的压电晶体表面可以制做电声换能器,使电能和声能互 相转换。叉指换能器(图 2[ 叉指换能器结构])能有效地产生和接收声表面波。这种换能器是在一 仔细取向和抛光的压电晶体表面上沉积两组互相交错分布的、梳状的金属条带(叉指),每组叉指跟 一个称之为汇流条的金属条相连接。通过汇流条把电信号加在这两组叉指上,就会产生以一对叉指 间隔为周期的电场分布。通过电声耦合,即产生一个弹性应变的分布。它激发固体质点的振动,并
以上内容源自:
式中 V1 和 Vt 分别为固体中纵波和横波的传播速度。对于实际的固体,声表面波的传播速度比横波 速度约慢 10%。这时,表面波的传播是非频散的。它的质点振动位移有两个相位差为 90 的分量: 一个垂直于表面,另一个顺着表面内波的传播方向。 它们的幅度随着深度的加深, 虽不一定是单调的, 但最终将趋向于零(图 1[ 各向同性均匀固体中声表面波])。由图可见,当深度在几个波长以后, 其幅度就已很小。 在自然现象中,如在地震时,就存在声表面波。在超声技术领域,它最初用作声 延迟线和用于检测表面缺陷等方面。但由于激发和检测表面波比较复杂,其应用受到一定限制。 声 表面波不仅可以在各向同性均匀固体中传播, 而且也可以在不均匀的 (如分层的) 固体介质中传播。 不过,这时它是频散的,并且有多种模式。 在各向异性介质(如晶体)中,也可能存在声表面波,但由于介质的各向异性,其传播特性随表面 的取向和传播方向而不同,而质点振动一般有三个分量。对于均匀的晶体,其传播也是非频散的。 1965 年,人们发现,在具有压电性的晶体上声表面波也可以传播。由于存在压电性,在电声之间存 在耦合。在这种波传播时,不仅有力学质点的振动,而且电场分布也随之传播。这时,在晶体半空 间内电场最终也随深度趋向于零。同时,在界面另一边的真空中,也有电场传播,并随对表面距离 的增加而逐步减小; 如果在压电晶体表面沉积上一层很薄的良导体 (金属膜) 就会使表面电场短路, 从而降低声表面波的速度。前者称为自由表面,后者称为金属化表面。
声表面波标签的特点
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声表面波标签的特点声表面波标签(Surface Acoustic Wave Tags,SAW标签)是一种无源无源电子标签,它利用声表面波技术实现数据的传输和存储。
它具有许多独特的特点,使其在各个领域广泛应用。
本文将深入探讨声表面波标签的特点,并分享对其的观点和理解。
一、声表面波标签的基本原理声表面波标签的基本原理是利用声表面波传感器和反射器实现数据的传输。
当读写设备中的射频场与标签中的天线共振时,数据被通过声表面波传感器转化为声表面波信号,并在反射器中反射回来。
读写设备通过解码声表面波信号来获取数据,并实现对标签的读写操作。
二、声表面波标签的特点1. 高安全性:声表面波标签采用接触式读写方式,相比于其他无源电子标签(如RFID标签),其读写距离更短,减少了无意中被非法读取或克隆的风险,提高了数据的安全性。
2. 高可靠性:声表面波标签的数据传输基于声表面波技术,可以克服传统电磁波通信中的多径效应和多径干扰问题,减少信号的丢失和干扰,提高了数据传输的可靠性。
3. 高读取精度:声表面波标签的传感器具有较高的灵敏度,可以实现高精度的数据读取。
这使得声表面波标签在要求读取精度较高的场景中得到广泛应用,如物流追踪、库存管理等。
4. 高适应性:声表面波标签可以工作在不同频率范围内,具有很强的适应性。
由于其无源无源的特点,不需要电池供电,可以在各种环境下工作并且具有较长的使用寿命。
5. 大容量存储:声表面波标签中的反射器可以根据实际需求设计成各种形式,从而提供不同容量的存储空间。
这使得声表面波标签适用于不同规模和需求的应用场景。
三、对声表面波标签的观点和理解声表面波标签作为一种新兴的无源无源电子标签技术,具有广泛的应用前景。
我对于声表面波标签的特点和优势表示认同。
声表面波标签的高安全性对于一些对数据安全性要求较高的场景具有重要意义。
在金融领域和军事领域,声表面波标签可以有效防止敏感信息被非法读取或篡改,提高数据的安全性。
SAW技术
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4.5 声表面波传感器
声表面波传感器是利用声表面波器件为转换元件, 将感受到的被测量参数转换成可用于输出信号的传感 器。例如,当外界因数(如压力、温度、加速度、气 体、化学和生物环境变化等)对声表面波传播特性产 生影响时,在声表面波器件的各项参数上就可以反映 出来,因此可以利用这种现象制备各种压力、温度、 加速度、流量、化学、生物传感器,用于测量和监控 各种化学和物理参数。
声表面波谐振器结构
随着通信技术的发展,对信号源的高频 化、高准确度和高稳定度提出了越来越高的要 求,信号源的设计一般是采用石英晶体谐振器 在低频下产生振荡(一般为几兆赫或几十兆 赫),然后采用倍频的办法形成高频信号,这 样作的优点是石英晶体谐振器的频率稳定度高, 缺点是线路复杂,体积大,成本高,同时经过 几次倍频之后,相位噪声变大; 采用声表面波谐振器可以直接在GHZ频带 产生振荡而形成高频信号,无需倍频,这样简 化了线路,缩小了体积,降低了成本,减小了 相位噪声,同时提高了可靠性
4.2 声表面波延迟线
延迟线:信号在传输过程中,由于多种因素的影响,
总会发生不同程度的延迟,要求统一处理的信号出现了 时间差。为了把这种时间差纠正过来,就需要将早到达 的 信号延迟一段时间。延迟线就是能将电信号延迟一 段时间的器件。 左端的IDT将输入电信号转变 成声信号,通过声媒质表面 传播后,由右端的IDT将声信 号还原成电信号输出。延迟 时间τ 的大小取决于基片媒 质的声表面波速度v和两换能 器之间的距离L,即τ = L/v。 SAW延迟线原理
声表面波传感器分类
物理传感器
温度传感器 压力传感器 湿度传感器 加速度传感器 陀螺仪(角速率)传感器 酶以及免疫传感 器
声表面波压力传感器
SAW压力传感器是较早研究的一种SAW传 感器。其工作原理是基于声表面波器件在基底 压电材料受到外界作用力作用后,材料内部各 点的应力发生变化,通过压电材料的非线性弹 性行为,使材料的弹性常数、密度等随外界作 用力的变化而变化,从而导致声表面波得到传 播速度的变化。同时,压电材料受到作用力后, 使声表面波谐振器的结构尺寸发生变化,从而 导致声表面波的波长改变。声表面波谐振器的 谐振频率f=v/λ ,于是谐振频率变化。测量材 料频率大小就可以知道外界作用力的大小。
声表面波技术
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Vibration and Acceleration SAW Sensor
f
v l
n
E 2
23
SAWR由左右两个反射栅阵 列构成谐振腔,声表面波在两个 反射栅之间来回反射、叠加、共 振形成驻波。对于叉指间隔和反 射栅指条间隔均匀分布的SAWR, 谐振型振荡器的振荡频率为:
(a)单端对谐振器
fv v
2lP
(b)双端对谐振器
SAWR器件的品质因数Q值高、插损小,由于Q值
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
接收端
接地电极 压电基体
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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。
3
i1
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3
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声表面波气相色谱仪及其应用
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声表面波气相色谱仪及其应用声表面波气相色谱仪是一种用于分析挥发性化合物的仪器,其基本原理是利用气相色谱技术和声表面波技术相结合,通过将样品与气相混合并注入色谱柱,在柱内利用各种填充物进行分离,并利用声表面波传感器对样品进行检测和分析。
采用声表面波气相色谱仪可以快速、准确地分析各种挥发性物质,如酯类、醛类、酮类、芳香烃等。
其应用领域十分广泛,包括医学、食品、化妆品、环境等多个领域。
下面将详细介绍声表面波气相色谱仪及其应用:一、原理及结构声表面波气相色谱仪由两部分组成:气相色谱分析部分和声表面波传感器部分。
气相色谱分析部分用于分离和分析样品,声表面波传感器部分用于检测分析结果。
气相色谱分析部分主要由气瓶、注射器、色谱柱、检测器等组成。
样品通过注射器注入色谱柱,在色谱柱中被各种填充物分离,并最终通过检测器输出结果。
声表面波传感器部分主要由声表面波晶体、信号处理电路、显示器等组成。
当样品进入声表面波晶体时,声表面波晶体会产生共振,其共振频率会发生变化,这种频率变化会被电路检测并处理,最终输出分析结果。
二、应用领域1、医学声表面波气相色谱仪在医学领域中主要用于检测和分析呼出气和尿液中的挥发性有机物。
通过分析呼出气和尿液中的挥发性有机物,可以实现早期疾病预测、疾病诊断和疾病治疗效果监测等目的。
2、食品声表面波气相色谱仪在食品领域中主要用于对食品中的香味成分的检测和分析。
香味成分是食品中不可缺少的一部分,也是影响食品质量和口感的重要因素。
采用声表面波气相色谱仪可以快速、准确地分析食品中的香味成分,提高食品的品质和市场竞争力。
3、化妆品声表面波气相色谱仪在化妆品领域中主要用于检测和分析化妆品中的挥发性成分。
化妆品中的挥发性成分对化妆品的质量和安全性都有重要影响。
采用声表面波气相色谱仪可以对化妆品中的挥发性成分进行准确、快速的检测和分析,保障化妆品的质量和安全性。
4、环境声表面波气相色谱仪在环境领域中主要用于检测和分析环境中的挥发性有机物。
SAW技术解析
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4.5 声表面波传感器
声表面波传感器是利用声表面波器件为转换元件, 将感受到的被测量参数转换成可用于输出信号的传感 器。例如,当外界因数(如压力、温度、加速度、气 体、化学和生物环境变化等)对声表面波传播特性产 生影响时,在声表面波器件的各项参数上就可以反映 出来,因此可以利用这种现象制备各种压力、温度、 加速度、流量、化学、生物传感器,用于测量和监控 各种化学和物理参数。
SAW振荡器的优点:
SAW振荡器能够弥补LC振荡器、晶体振荡器各方面之不足,它具有优 良的频率温度性、高纯净频谱和低相位噪声,可靠性高,体积小, 质量轻,电磁兼容性好,工作温度范围宽等特点。
由于其独特的优越性,声表面波振荡器在现代电子 系统和军事装备应用中已成为一种重要的微波频率源。 目前应用于SAW传感器的振荡器大致有两种,一种是延迟 线型振荡器 另外一种是谐振器型振荡器。 延迟线型振荡器由于本身能够提供足够长的延时,设计相 对简单 。一般SAW气体传感器所采用的是延迟线型振荡 器 谐振器型振荡器的频率噪声特性优越于延迟线型的振荡 器,它具有高质量因子、低损耗、高频率稳定度的特点, 被用于液体传感器
4.3声表面波振荡器
振荡器是用来产生重复电子讯号(通常是正弦波或方
波)的电子元件
传统振荡器的不足:
随着现代电子技术和军事装备的发展,电子设备中信号处理的工作 频率不断提高,虽然对LC振荡器、晶体振荡器进行多次的频率变换 能得到微波频段的信源,但是: 1、在微波频段的LC型信源存在着严重的温度稳定性问题 2、晶体型振荡器在多次的频率变换导致频谱性能恶化,同时在多次 的频率变换中使用大量的元器件,使信源器件体积大、成本高、可 靠性变差等 3、晶体振荡器难以实现宽的可控频率变化范围和调制频率偏移。
声表面波器件制作工艺介绍
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声表面波器件制作工艺介绍概述声表面波器件是一种用于声波传播与处理的微型化器件,它通常由压电材料与声表面波导构成。
制作声表面波器件需要经过一系列复杂的工艺步骤,包括材料准备、加工工艺、掩膜制备、电极沉积、腔体刻蚀等环节。
材料准备声表面波器件的制作一般使用压电材料作为基底材料,常见的材料包括石英、锂钽酸锂等。
在选用材料时需要考虑其压电性能、稳定性和加工性能等因素。
加工工艺1.基片清洗:使用去离子水和有机溶剂彻底清洗基片表面,确保基片表面干净。
2.切割基片:将大尺寸的基片切割成所需尺寸,常见的加工方式有机械切割和激光切割。
3.抛光处理:对基片表面进行抛光处理,以保证表面光滑度和平整度。
4.清洁处理:再次清洁基片表面,确保没有杂质影响后续工艺。
5.温度调节:控制加工环境的温度,以确保材料的稳定性和加工精度。
掩膜制备1.制备光刻胶:将光刻胶溶液涂覆在基片表面。
2.光刻:使用掩膜模板进行光刻曝光,形成所需的图案。
3.显影:使用显影液使未曝光区域的光刻胶溶解,形成光刻图案。
电极沉积1.金属蒸镀:在光刻图案的基础上,通过金属蒸镀的方式沉积电极材料。
2.电镀:对蒸镀的电极进行电镀处理,提高电极的导电性。
腔体刻蚀1.腔体制备:对沉积好电极的基片进行腔体制备,通常采用离子刻蚀技术。
2.刻蚀:使用腔体模板和刻蚀气体对基片进行刻蚀处理,形成声表面波导结构。
总结声表面波器件的制作工艺包括材料准备、加工工艺、掩膜制备、电极沉积和腔体刻蚀等多个环节,每个环节的精细操作都直接影响器件的性能和稳定性。
随着微纳加工技术的发展,声表面波器件的制作工艺不断优化,将为声波传播与处理领域带来更多创新和应用。
{技术管理套表}声表面波技术
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Electronic ID
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
SAW
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
电能
2. 波在不连续介质处的反射
Concept: IDT
外加电压 吸声材料
接收端
接地电极 压电基体
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。
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。
8.4 声表面波传感器技术
工作原理:
利用外界物 理量(如温度、 压力等)的变化 引起声表面波的 传播特性发生变 化的原理来敏感 被测量。
结构型式
SAW传感器一般采用振荡器电路形式,其中SAW振 荡器是传感器的核心。SAW传感器的基本工作原理就是 利用了SAW振荡器这一频控元件受各种物理、化学和生 物量的作用而引起振荡频率的变化,通过精确测量振荡频 率的变化,从而实现检测上述物理量及化学量变化的目的。
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。
声表面波原理
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声表面波原理声表面波是一种沿着固体表面传播的超声波,它具有很强的穿透力和灵敏度,因此在材料的缺陷检测和应力分析中得到了广泛的应用。
声表面波原理是指声表面波在固体表面传播的物理机制,了解声表面波原理对于深入理解声表面波的特性和应用具有重要意义。
声表面波是一种横波,它沿着固体表面传播,其传播速度远远高于体波。
声表面波的传播速度与材料的弹性常数和密度有关,因此可以通过测量声表面波的传播速度来确定材料的力学性质。
声表面波的频率范围通常在MHz级别,因此可以应用于微小缺陷的检测和材料的微观结构分析。
声表面波的产生和接收通常通过压电材料实现。
压电材料具有压电效应,当施加外加电压时,会产生机械振动,从而产生声波。
而当声波传播到压电材料上时,又会产生电信号,从而实现声表面波的接收。
通过合理设计和选择压电材料,可以实现高效的声表面波的产生和接收。
声表面波的传播受到表面结构和材料性质的影响。
表面的粗糙度和涂层等对声表面波的传播会产生影响,因此需要对表面进行适当的处理和准备。
此外,材料的吸收和散射也会对声表面波的传播产生影响,因此需要对材料的声学特性进行充分的了解。
声表面波的应用包括材料的缺陷检测、应力分析、涂层测厚等领域。
在材料的缺陷检测中,声表面波可以检测出微小的裂纹和气泡等缺陷,对于保证材料的质量具有重要意义。
在应力分析中,声表面波可以通过测量不同方向上的传播速度来确定材料的应力状态,为工程结构的设计和安全评估提供重要依据。
在涂层测厚中,声表面波可以通过测量涂层上的声波传播时间来确定涂层的厚度,为涂层工艺的控制提供重要参考。
总的来说,声表面波原理是声表面波传播的物理机制,了解声表面波原理对于深入理解声表面波的特性和应用具有重要意义。
声表面波具有很强的穿透力和灵敏度,因此在材料的缺陷检测和应力分析中得到了广泛的应用。
声表面波的产生和接收通常通过压电材料实现,而其传播受到表面结构和材料性质的影响。
声表面波的应用包括材料的缺陷检测、应力分析、涂层测厚等领域,为工程技术和材料科学的发展提供了重要支持。
声表面波 温度
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声表面波温度声表面波(SAW)技术是一种先进的信号处理和通信技术,广泛应用于无线通信、传感和雷达等领域。
在SAW系统中,温度是一个重要的影响因素,它可以通过影响声表面波的传播速度和传播路径来影响系统的性能。
因此,研究声表面波与温度之间的关系是十分必要的。
首先,我们需要了解声表面波的基本原理。
声表面波是指在固体表面传播的弹性波,其传播速度远低于声波在介质中的速度。
声表面波的传播速度受到多种因素的影响,其中温度是一个重要的因素。
温度的变化会导致材料热膨胀和热传导等物理效应,进而影响声表面波的传播速度和传播路径。
在SAW系统中,温度对声表面波的影响主要体现在以下几个方面:1. 传播速度:随着温度的升高,声表面波的传播速度会逐渐减小。
这是因为温度升高会导致材料热膨胀,进而减小介质中的波长,从而使波速减小。
这种变化会对SAW系统的性能产生影响,尤其是在高频和高精度应用中。
2. 传播路径:温度还会影响声表面波的传播路径。
在某些温度下,声表面波的传播路径会发生弯曲或扭曲,这可能会导致信号失真或误差。
这种现象在温度变化较大或对信号精度要求较高的应用中尤为明显。
3. 传感器性能:SAW技术广泛应用于传感器领域,如压力、温度和气体传感器等。
在这些应用中,温度对声表面波的影响直接关系到传感器的性能。
例如,温度变化可能影响传感器的灵敏度、线性度和测量范围等参数。
为了减小温度对SAW系统的影响,可以采用多种方法和技术。
例如,采用温度补偿技术来调整系统参数或设计具有温度稳定性的SAW器件。
此外,还可以通过材料选择和优化设计来提高SAW系统的抗温性能。
总之,温度对声表面波技术的影响是一个复杂而重要的研究领域。
了解声表面波与温度之间的关系有助于优化SAW系统的设计和性能,提高其在不同环境下的稳定性和可靠性。
未来,随着技术的不断进步和应用需求的不断提高,对声表面波与温度之间关系的深入研究将有助于推动SAW技术的进一步发展。
浅谈我国声表面波技术
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SAW频率合成器 以SAW频率源和以SAW滤波器组选定频率分量的直接式频率合成器是一种高信号质
量,高速的频率合成器,国外对此相当重视。我国这方面的开发不落人后,国内开发的SAW
393
频率合成器频率点数从数十点至数十万点。频率步进从lkHz至几兆赫,频率切换时间在
I--8.2胪,且具有极高的信号品质和各频率分量的幅度一致性,已能满足捷变频雷达,TIS 等多种用途的需求,而且体积小,模块化,重量轻,已实现频率合成的一个飞跃。 3.3脉压子系统
声表面波(SAw),顾名思义是一种沿物体表面传播的弹性波。SAW技术是20世纪
60年代末期才发展起来的一门新兴科学技术,它是声学和电子学相结合的一门边缘学科。
由于SAW的传播速度极低(大约是电磁波传播速度的十万分之一),并且在它的传播路径 上容易取样和进行处理,因此,用SAW去模拟电子学的各种功能,可使电子器件实现超 小型化和多功能化。同时,由于SAW器件在甚高频(Ⅵ{F)和超高频(UHF)段内以十 分简单的方式提供了用其他方法所不易得到的信号处理功能,因此,SAW技术在雷达、 通信、导航、识别和电子战等领域获得了广泛的应用。 我国SAW技术开发始于1970年,只比西方晚3年时间。SAW器件自20世纪70年 代末实际应用以来,现在已遍及军工和民用各方面,大致是:SAW信号处理器件主要应用 于军工领域,而频率选择和频率控制SAW器件和SAW传感器则都是军民共用的器件。
下做了很多理论研究和实验。但总体来看,距离商品化路程甚远,多数停留在实验阶段。
394
浅谈我国声表面波技术
作者: 作者单位: 唐光庆 驻重庆气体压缩机厂军事代表室,630000
本文链接:/Conference_7064384.aspx
微电子器件中的声表面波技术研究
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微电子器件中的声表面波技术研究近年来,随着科技的不断进步,微电子器件在各个领域中的应用越来越广泛。
而在微电子器件的研究中,声表面波技术成为了热门的研究方向之一。
声表面波技术是一种利用声波在固体表面上传播的现象来实现信号传输和处理的技术。
本文将探讨微电子器件中的声表面波技术研究,并介绍其在通信和传感器领域的应用。
首先,我们来了解一下声表面波技术的基本原理。
声表面波是一种沿着固体表面传播的机械波,其传播速度较慢,但具有较长的传播距离。
声表面波技术利用固体表面的声表面波来传输信号,可以实现高速、低功耗的通信。
此外,声表面波技术还可以通过改变表面波的传播路径和速度来实现信号处理,如滤波、调制等。
在微电子器件中,声表面波技术被广泛应用于无线通信领域。
由于声表面波的传播距离较长,可以在微电子器件中实现远距离的无线通信。
同时,声表面波技术具有较低的功耗,可以在微电子器件中实现低能耗的通信。
此外,声表面波技术还可以通过调制声表面波的频率、相位等参数来实现多用户的同时通信,提高通信效率。
除了通信领域,声表面波技术在微电子器件中的传感器应用也备受关注。
声表面波传感器是一种利用声表面波的敏感特性来检测环境参数的传感器。
通过将敏感层放置在声表面波传感器上,当环境参数发生变化时,敏感层会引起声表面波的频率、相位等参数的变化,从而实现对环境参数的检测。
声表面波传感器具有高灵敏度、高精度和快速响应的特点,广泛应用于气体、液体、温度等环境参数的检测。
此外,声表面波技术还可以与其他微电子器件技术相结合,实现更多应用。
例如,声表面波技术与微流控技术相结合,可以实现微流控芯片中的液体操控和混合。
声表面波技术与纳米材料技术相结合,可以实现纳米颗粒的操控和检测。
这些结合应用的研究不仅拓展了声表面波技术的应用领域,还为微电子器件的研究提供了新的思路和方法。
虽然声表面波技术在微电子器件中的应用前景广阔,但仍然存在一些挑战。
首先,声表面波技术在微电子器件中的集成化和封装化仍然面临一定的难题。
声表面波的应用
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声表面波传感器的应用一.声表面波简介声表面波(SAW)技术是声学和电子学相结合而形成的一门新兴边缘学科。
在该技术的基础上,现已经成功地研制出声表面波带通滤波器、振荡器、表面波卷积器和传感器等声表面波器件。
由于声表面波器件具有体积小、可靠性高、一致性好以及设计灵活等优点,所以在雷达、通信等领域的研究得到了广泛的应用。
把声表面波技术应用于传感器技术领域在近十年来得到了很大的发展。
目前, 采用技术来研制力、加速度、温度、湿度、气体及电压等一系列新型传感器的工作逐渐成为传感器研究的一个热点。
二.声表面波传感器工作原理SAW传感器构成的识别系统由一个SAW传感器标签、一个带主动式天线的阅读器和一个信号后处理单元组成。
SAW 标签由传感器天线、压电模式、指换能器和经传感器体外编码的反射区组成。
传感器天线接收由远处阅读器发送来的访问电磁脉冲信号,通过叉指换能器转化为声表面波,遇到反射条后形成回波,回波通过叉指换能器重新转化为电磁波并再次通过天线发射出去。
这些回波信号形成了由晶体表面的反射条的数目和位置决定的脉冲序列,它类似于条形码图案,每个脉冲的时间延迟取决于SAW 传播速度。
信号后处理单元对脉冲延迟变进行估计,实时解调出识别码。
天线接收到询问信号后,由IDT将电信号转换为声波信号,声波信号撞击反射区。
反射区位置不同,个数不同,会产生不同的振幅和不同的相位变化。
三.声表面波传感器的应用(1) LiNb03的声表面波应用声表面波器件(SAW)的基本原理是在压电基体上通过光刻的方法制出由相互交叉的电极(一般为铝电极)组成的叉指电极(叉指换能器),利用基片的压电效应激发起沿着表面层传播的高频超声波,从而实现滤波、延时、脉冲压缩与扩展、卷积等多种电子学功能。
叉指换能器的基本构造如图,换能器的中心频率f0由声表面波的相速vs和电极的周期λ0确定:fo=vs/λ0,即声表面波器件的中心频率和声波的传播速率成正比,与电极的周期成反比,所以提高器件的中心频率主要在于如何提高声表面波的传播速率和缩短电极周期,又因为光刻技术的限制不可能无限制地缩短电极周期,因此当前制作高频声表面波器件的关键在于选择合适的基体材料和不断提高改进基体的晶体质量和提高压电性能,同时降低传输损耗。
声表面波
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4
常用的声表面波器件材料
制作 SAW 器件的基片材料,必须是压电材料。压电 材料的特性将直接影响所制作的 SAW 器件的各项性 能,进而对SAW传感器的性能指标产生重要影响。
表征压电材料性能的重要参数有介电常数、弹性常数、 压电常数、介质损耗、机械品质因数、居里温度、温 度系数以及机电耦合系数等,它们分别描述了压电材 料的弹性、压电、介电、热学性质。
从应用角度来看,不同用途的压电材料对上述各参数 有不同的要求。
5
常用的声表面波器件材料
在实际应用中,对压电基片材料的基本要求包括较大的机电耦 合系数,零或较小的温度延时系数,较低的传播损耗,同时这 种基片材料还要易于生产,电材料(重复性好、可靠性 高、声表面波传播损耗小,但是一般难以同时满足机电耦合系 数高,而温度系数又要小的要求,且一般它们是各向异性材料, 所以需要有高精度的定向切割技术)、压电陶瓷(机电耦合系 数大,其横向各向同性,容易制成任意形状,价格低廉,工作 频率受限,一致性差)和压电薄膜(压电薄膜和非压电衬底形 成了多层结构,表面波传播特性则由压电薄膜和衬底的特性共 同决定,方便集成)三种。
SAWD设计简单,但稳定性较差。
15
8.4.1 SAW传感器的结构形式与基本原理
谐振型(SAWR)由左右两个反射栅阵列构成谐振腔,声表面 波在两个反射栅之间来回反射、叠加、共振形成驻波。
对于叉指间隔和反射栅指条间隔均匀分布的SAWR,SAW波 长和IDT周期长度满足: v v
2l P
SAW辨识标签具有误码率低、读取时间快、作用距离远、 不受光遮盖和读取方向影响等优点,因而 SAW标签是对 IC射频标签的一个有力补充。
激光声表面波用于金属表面缺陷无损检测的研究的开题报告
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激光声表面波用于金属表面缺陷无损检测的研究的开题报告一、研究背景和意义金属材料作为现代工业和科技的基本组成部分,其表面的缺陷问题对材料的质量和性能具有重要影响。
传统的无损检测方法主要分为X射线、超声波、磁粉检测等,这些方法需要对被检测材料进行表面处理,且存在可能对人体造成伤害的危险。
因此,开发一种新的、无损、安全的表面缺陷检测方法对于工业生产具有重要意义。
激光声表面波 (Laser Ultrasonic Surface Wave, LUSW) 技术是一种新型的、无损、高分辨率的检测方法,其检测原理是将激光束聚焦在被测材料表面上,产生表面超声波,通过用不同传感技术对主要传播方向和横向传播方向的表面波接收和分析,可以检测出材料表面的各种缺陷。
LUSW技术与传统的检测技术相比具有灵敏度高、检测时间短、准确性高等优点。
并且,激光声表面波技术不会对被检测材料造成损伤,从而避免了潜在的危险。
二、研究内容和方法本研究主要以激光声表面波技术为核心,研究其在金属表面缺陷检测方面的应用。
具体来说,本研究将分为以下几个方面:1. 激光声表面波技术原理和相关试验技术对激光声表面波技术的原理进行深入的研究,对该技术相关的试验设备、电子控制设备等进行探究。
2. 系统仿真模拟在Matlab环境下,模拟激光声表面波系统的动态特性,建立检测模型,对各种情况进行仿真。
3. 对金属表面缺陷的处理方法研究金属表面缺陷在激光声表面波技术下的检测特点,对其进行分析和处理,提出相应的缺陷检测方法。
4. 实验研究通过实验对激光声表面波技术在金属表面缺陷检测方面进行验证。
三、研究前景本研究将为金属材料表面缺陷的无损检测方法提供一种新的技术方案,具有极大的应用前景。
随着材料科学、工业制造水平的不断提高,尤其是对安全性、质量、生产效率的要求日益增加,激光声表面波技术将逐渐成为无损检测领域不可或缺的技术手段。
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如果相应位置上的反射栅被布置或抽取,则该
位置上的脉冲可表示编码“1”或“0”,相同结构的
器件就变成了用于目标辨识的SAW标签(IDTag)。虽然目前SAW辨识标签没有随时改写的功 能,但与其它类型的辨识标签相比,具有误码率低、 读取时间快、作用距离远、不受光遮盖和读取方向
影响、可在金属液体表面读取等优点,因而SAW
E v f n l 2
23
SAWR由左右两个反射栅阵 列构成谐振腔,声表面波在两个 反射栅之间来回反射、叠加、共 振形成驻波。对于叉指间隔和反 射栅指条间隔均匀分布的SAWR, 谐振型振荡器的振荡频率为:
(a)单端对谐振器
v f 2lP
v
(b)双端对谐振器
SAWR器件的品质因数Q值高、插损小,由于Q值
19
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。
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(SH-
SAW)、电声波(B-G waves)、兰姆波(Lamb waves)
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)
(1)具有较低的传播速度和较短的波长;
功放
带通 滤波 混频器
开关
带通 滤波
70MHz 晶振
图7-11 发射接收系统框图
30
SAW传感器信号检测
A cos( 0 t )
90°功分器 A1 cos(0t ) A1 sin(0t )
B1 cos( 0t i )
I
arctan
低通滤波
Q
低通滤波
0° 功 S (t ) B cos( 0 t i ) 分 B1 cos( 0 t i ) 器
33
种类
到日前为止,已经研制出的SAW传感 器,归纳
起来可分为三大类: 1 物理量传感器: 力(压力、应力)传感器、扭矩传 感器、加速度传感器、 角速度传感器(陀螺)、温 度传感器、位移传感器、倾斜度传感器、磁场传感
器、电压传感器、流量传感器、水声传感器等
等。 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、微平面工艺的前已成为电子、
超声领域最为活跃的学科分支之一。
是决定振荡器频率稳定性的重要参数之一,因此这种高
Q值谐振器结构可以进一步提高SAW传感器灵敏度和分 辨率。
24
任何量只要能引起 v、 l 或 l P发生变化,就会 使SAW振荡器的振荡频率发生变化。通过振荡
电路检测出振荡频率的变化就可以建立起频率
偏移与待测量之间的关系。 若在两又指电极或反射栅之间徐覆一层对 某种气体或湿度敏感的材料就可制成SAW气体 或湿度传感器。
20
8.4 声表面波传感器技术
工作原理:
利用外界物 理量(如温度、 压力等)的变化
引起声表面波的
传播特性发生变
化的原理来敏感
被测量。
21
结构型式
SAW传感器一般采用振荡器电路形式,其中SAW振 荡器是传感器的核心。SAW传感器的基本工作原理就是利 用了SAW振荡器这一频控元件受各种物理、化学和生物量 的作用而引起振荡频率的变化,通过精确测量振荡频率的 变化,从而实现检测上述物理量及化学量变化的目的。
25
无源遥测是SAW传感器的 一大优势,从结构上看, 无线SAW传感器也可分为 延迟型和谐振型两种,但 工作原理不同于一般的 SAW传感器,以延迟型为
天线 压电基片 吸声材料 IDT 反射栅
例,传感器由压电基片、叉指换能器、反射栅及读写器 (高频激励∕接收装置)组成。工作时读写器发射出脉冲激 励信号,由敏感基片的天线接收无线信号,并通过IDT将电 磁信号转换为声表面波。声表面波经过一段延迟后由反射 栅反射回来,再通过IDT将信号转换为电磁波信号,并经天 线发射出去,再由读写器接收处理。
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 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 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。
26
脉冲信号从发射到接收的返回时间主要由读写 器与IDT天线的距离、IDT与反射栅之间的距离以
及声表面波波速来决定,即脉冲信号从读写器发射
到回收的传播时间为:
2l 2 L v c
在遥测时,读写器与敏感基片之间距离的变化也会引起传 播时间的变化,为解决这一问题,在基片上设置多个反射 栅,反射栅之间的时延只反映器件本身的状态,而不受读 写器与敏感基片之间距离的影响。在实际测量中,由于时 延值非常小,常采用测量相位的方法来代替对时延的测量
14
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、
图7-12 正交相位检波原理
31
SAW传感器的温度补偿
一 选择零温度系数切型 二 差动法
三 数字补偿法
四 浮动零点法
32
SAW传感器特点
1)高精度,高灵敏度; 2)准数字输出 ; 3)微型化,低功耗;
4)便于实现无线、无源化 ;
5)多参数敏感性,抗干扰能力强; 6) 结构工艺性好,便于大批量生产
放大器
移相器
匹配 网络
SAW振荡器
匹配 网络
声表面波振荡电路 Schematic of SAW oscillator circuit
22
SAW振荡器通常有延迟型(SAWD)和 谐振型(SAWR)两种结构 . SAWD由两个叉指换能器(IDT)的中心 距决定相位反馈,由IDT的选频作用和反馈放 大器产生固定频率的振荡。其振荡频率为:
16
Materials
17
8.3
SAW问题的基础理论
E Tij cijkl S kl ekij Ek S D e S ikl kl ik Ek i
1. 压电效应及其本构方程
2. 压电体内的波动方程
E 2ui 0 cijkl uk ,lj ekij , kj 2 t S e u ikl k ,li ik , ki 0
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。
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
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。
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