声表面波传感技术概述
声表面波简介
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。
声波传感器的工作原理
声波传感器的工作原理声波传感器是一种使用声波作为探测媒介的传感器，它的工作原理是基于声波的传播和回波接收原理。
声波传感器将声波发送到目标物体或媒介中，通过接收回波来确定目标物体的位置、距离、形态等信息。
下面将详细介绍声波传感器的工作原理。
声波传感器分为发射器和接收器两个部分。
发射器通过震动元件（例如压电晶体）产生高频声波，然后将声波传播到目标物体或传感器要监测的媒介中。
接收器则用于接收回波信号，并将其转换为电信号。
当发射器将声波传播到媒介中时，声波会因媒介的阻抗和密度差异而出现反射、折射、散射等现象。
当声波遇到目标物体时，一部分声波会被目标物体吸收、散射或反射。
这些散射或反射的声波会在媒介中形成回波，并通过传回给接收器。
接收器接收到回波信号后，通过接收元件（例如压电晶体）将回波声波转换为电信号。
接收元件的震动会受到回波信号的影响，进而在电极上产生微小的电压变化。
这个电压变化信号经过放大、滤波等处理后，最终转换为数字信号，供后续处理和分析。
声波传感器需要进行声速校准，因为声波在不同的媒介中传播速度不同。
校准的目的是根据声波在特定媒介中的传播速度来计算目标物体的真实距离。
声波传感器通常会将发射和接受的时间差（也称为时间延迟）转换为距离。
在进行测距时，声波传感器发射声波信号后，开始计时，待接收到回波信号后，记录下时间。
通过测量发射和接收时间差以及声波在媒介中的传播速度，可以计算出目标物体与传感器的距离。
这种测距原理被称为时间差法测距。
声波传感器还可以用来检测目标物体的形态和位置。
通过分析回波信号的幅度、频率、相位等参数，可以判断出目标物体的形态特征。
例如，当回波信号的幅度越大，说明目标物体越大或越靠近传感器。
频率信息可以用于鉴别目标物体的种类，因为不同物体会对声波产生不同频率的响应。
总之，声波传感器通过发射和接收声波来获取目标物体的位置、距离、形态等信息。
其工作原理是利用声波在媒介中的传播和回波特性，通过时间差法测距以及分析回波信号的特征参数来实现对目标物体的探测和检测。
声音传感器工作原理
声音传感器工作原理
声音传感器是一种可以检测声波信号并将其转化为电信号的设备。
其工作原理可简述如下：
1. 振动膜片：声音传感器内部通常内置着一个振动膜片，其可以随声音波动而产生微小的振动。
2. 振动转化：当声波进入声音传感器时，会导致振动膜片不断震动。
这里面的机制可以是通过声波作用于振动膜片表面的压力差异引起的。
3. 电信号转换：振动膜片的震动将会导致传感器内部的电极受到压电效应的影响而产生电荷分布不均。
这样，就形成了一个微弱的电场。
4. 电信号输出：传感器通过引出与电极相连的导线，将这个微弱的电场转换为电信号输出。
这个电信号可以通过放大电路进一步处理，以便进行分析或记录。
总的来说，声音传感器工作原理是通过将声波信号转化为电信号来实现声音的检测和测量。
这个过程涉及到声波的传导、振动膜片的震动、电荷的分布和电信号的转换等多个步骤。
通过分析这些电信号，我们可以得到关于声音信号的各种信息。
声表面波传感器的工作原理
声表面波传感器的工作原理发布时间：2021-09-16T02:31:42.791Z 来源：《教育学》2021年6月总第253期作者：逄珂李英棣邓海峰吴一丁少娜[导读] 会改变声传播速度等特性，通过检测声速变化量，可以表征待测参量的大小。
91206部队山东青岛266100摘要：如今，传感器在我们生活中发挥着非常重要的作用，如移动设备采用环境光传感器来优化显示，同时利用加速度传感器实现高水平的交互性；汽车采用了接近传感器来避免事故。
声表面波传感器是一种利用声表面波芯片作为传感元件，以声表面波速度或频率的变化来表征被测量的传感器。
本文主要对声表面波传感器的工作原理及模式进行了阐述。
关键词：声表面波传感器原理声表面波传感器是一种对生物、物理、化学等物质量进行检测的新型传感器，它利用IDT和晶体的压电效应激发声表面波，使其以一定的声波速在输入输出换能器之间的压电基片表面传播，如果在声波传播路径上施加如压力、温度等被测参量时，会改变声传播速度等特性，通过检测声速变化量，可以表征待测参量的大小。
一、声表面波传感器的定义表面声波(Surface Acoustic Wave,SAW)首先由Rayleigh勋爵解释，他描述了压电材料中声波传播的表面模式。
后来，White和V oltmer通过使用叉指式换能器(IDT)发现了一种产生表面声波的简便方法，从此，SAW器件因其各种优点在许多领域发挥了重要作用。
声表面波传感器是一种对生物、物理、化学等物质量进行检测的新型传感器，其原理是由于物理量变化，声表面波振荡器频率也发生变化。
就现在传感器元件的发展，可以制作成研究气体、压力、温度等参数的传感器。
它通过监测声波在毫米大小的压电基板上的调制来工作，小尺寸的声表面波传感器允许它们对环境参数的变化做出快速反应。
此外，频率调制的使用使它们能够进行精确的测量，这在很大程度上不受信号衰减的影响。
二、声表面波传感器的结构类型SAW传感器的类型各种各样，按其供电方式可以分为有源传感器和无线无源传感器两种。
声表面波传感器的应用
声表面波传感器的应用发布时间：2021-08-06T02:34:49.855Z 来源：《教育学文摘》2021年6月总第374期作者：逄珂李英棣邓海峰张健傅伟[导读] 抗干扰能力强数字化、易批量生产、体积小、重量轻、功耗低等众多优点，应用十分广泛。
91206部队山东青岛266100摘要：声表面波传感器是一种利用声表面波芯片作为传感元件，以声表面波速度或频率的变化来表征被测量的传感器。
它具有灵敏度高，性能稳定等优点，由于声表面波传感器是由压电材料构成，使得这种传感器具有优良的抗高压及电磁辐射能力，其工作环境取决于压电材料和金属膜的耐受程度，选用的材料合适，就可工作于极端环境，本文主要对声表面波传感器的部分实际应用进行综述。
关键词：声表面波传感器应用声表面波简称SAW(Surface Acoustic Wave)是一种沿弹性基体表面传播的声波，任何固体表面都存在这一现象。
某些外界因素(温度、压力、加速度、磁场、电压等)对SAW的传播参数都会造成影响，根据这些影响与外界因素之间的关系，可以研制出测量各种物理、化学参数的SAW传感器，该类传感器具有高精度、高灵敏度、抗干扰能力强数字化、易批量生产、体积小、重量轻、功耗低等众多优点，应用十分广泛。
一、温度传感器应用表面波速度取决于温度，并由用于制造声波传感器的结晶材料的取向和类型决定。
振荡频率由叉指换能器周期和波速决定，当外界温度改变时，其振荡频率也会改变。
df/f=dv/v-dl/l (9)对于普通的晶体材料，温度的变化对材料长度的影响不大，所以温度对速率的影响主要是由声表面波波速随温度变化而引起的。
基于SAW延迟线振荡器的温度传感器具有毫秒级分辨率、良好的线性度和低滞后。
但是，SAW传感器对质量负载非常敏感，因此SAW温度传感器必须密封在密封包装中。
最近，据报道，一个124-MHz ST切割石英SSBW温度传感器的温度系数为32ppm/℃，分辨率为0.22℃。
声表面波SAW
声表面波（SAW）传感是一种新型的检测技术2008-06-16 23:31:52摘要：声表面波（SAW）传感是一种新型的检测技术。
近几十年来，人们对SAW基本性质的认识越来越深入，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。
声表面波技术的应用已涉及到许多学科领域，如地震学、天文学、雷达通信及广播电视中的信号处理、航空航天、石油勘探和无损检测等等。
随着微电子技术、集成电路技术、计算机技术和材料、微细加工技术的迅速发展，声表面波传感器的研究也应运而生，具有一个十分巨大的发展空间和应用前景。
本文讨论了把传感器、DSP、对测量值进行评估的智能器件集成在一起的完整系统。
关键词：声表面波；传感器；FPGA；DSP1. 引言在现代信息社会中，目标辨识已经得到了广泛的应用。
例如超市中货物的识别、图书馆中书刊的识别、银行磁卡等都是目标识别系统应用的实例。
尤其是近年来，自动识别方法在许多服务领域、在货物销售与后勤分配方面、在商业部门、在生产企业和材料流通领域、在智能交通管理等方面得到了快速的普及和推广。
在几年前，条形码——纸带在识别系统领域引起了一场革命并得到了广泛的认同与应用。
但是随着现代社会的发展，这种技术在越来越多的情况下不能满足人们的需求了。
条形码虽然便宜，但它的不足之处在于存储能力小以及不能改写。
目前，另一种广泛使用的技术是接触式IC卡（电话IC卡、银行卡），它是将数据存储在一块硅芯片里。
然而，在许多情况下，机械触点的接通是不可靠的。
特别是对于运动目标或不可触及的目标更显得无能为力。
于是研究更好的目标识别技术尤其是非接触识别技术，有了它深刻的现实意义。
近年来，非接触识别已经逐步发展成为一个独立的跨学科的专业领域。
这个专业领域与任何传统学科都不相同。
它将大量来自完全不同专业领域的技术综合到一起：如高频技术、电磁兼容性、半导体技术、数据保护和密码学、电信、制造技术和许多专业应用领域。
{技术管理套表}声表面波技术
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。
声表面波传感器产品简介(温度传感器)
112 mm x 81 mm x 36mm 配备卡槽，固定于 35mm 导轨上 约 2m（取决于读取器发射功率，可调）
432 MHz ~444MHz RS485
AC 85 ~265V,50 ~60HZ
DC 5V,1A 95mm x95mm x113mm 嵌入式，开孔尺寸：92mm x92mm(±0.5mm)
江苏声立传感技术有限公司
江苏声立传感技术有限公司
SAW 无源无线温度监测系统
系统概述
电力系统中，各类设备的开断接触点可能因为松动、老化、电弧冲击等原因造成接触电 阻增大。这会使触点的温度不断上升，给电网安全带来隐患。如果不及时发现，容易引起起 火爆炸、大面积停电、人员伤亡等灾难事故，直接和间接经济损失巨大。因此，对电力设备 的温度进行在线监测并及时排除隐患，越来越得到行业的认可和重视。
公司开发成功的无源无线温度传感系统采用了声表面波传感技术。其传感器具有完全无 源、可无线读取的优点，尤其适合电力、化工、采矿、冶金等特殊环境。该产品从声表面波 温敏器件、无线读取器到信号处理软件都具有完全自主知识产权，填补了国内空白，可替代 进口同类产品。目前该产品已经通过了中国电力科学研究院的检测认证，并开始在电力行业 推广应用。 地址：南通市崇川路 58 号南通产业技术研究院 3 号楼 8 楼 806 室 电话：0513—55080001 13552700090 18210365488 技术支持：0513—55080012 传真：0513—55080012
安装方式 无线传输距离 无线频率范围
下行接口 电源输入 电源输出 外形尺寸 安装方式 下行接口 上行接口 电源输入
功耗 外形尺寸 安装方式 数据存储
工作环境
安全性能 产品认证
接触式测温
表面声波传感器工作原理
3.2 表面声波传感器工作原理表面声波的辐度和传播速度都可以用于监测器件表面介质的化学、物理性质。
应用较多的是传播速度，因为在电子学中表面波传播速度可以以较高的精度测量（10-7）；而辐度测量精度为10-3。
精度速度的变化，可以转变为频率的变化。
在这一方表面声波器件类似于石英晶体微量天平（QMB,quartz crystal microbalance）。
为了更好地理解表面声波器件工作原理和它的特性，我们把它与石英晶体微量天平做一比较。
石英晶体微量天平由一块石英压电晶体与电极构成。
当一随时间变化的电压加在电极上时，晶格经受位移，产生弹性波，从晶体的一边，传到另一边。
波速和振荡频率与晶体表面接触物质的密度和质量有关：这里Δf 是频移（Hz），它与质量变化有关；F 是晶体的固有谐振频率（MHz ）；ΔM 是晶体表面质量变化（g），A 是晶体的表面积（㎝2）。
当晶体表面镀附一层吸收介质时，石英晶体微量天平可以制成化学传感器。
石英晶体微量天平传感器的灵敏度是一个放射性函数，最大灵敏度出现在器件中心，并向周边降低。
表面声波传感器也要求使用一块压电晶体，但与石英晶体微量天平传感器不同，电极制在压电晶体的同一面，形状为手指形交叉形（IDT S）。
当一个随时间变化的电压加上之后，晶格经历一种机械变形，它只限定于晶体表面一个特定区域，形成表面声波,如图7１所示。
图１表面声波在表面声波延迟线上的传播 (a)顶视图 (b)侧视图图2 表面声波传感器工作原理的延迟线结构中，实际上是一对传感器，组成两个表面声波延迟线,并制作在同一块基质上。
每一套表面声波延迟线，都由发射器和接收器组成。
表面声波延迟线手指交叉形电级作为发射器，发射表面声波，另一套手指交叉形电级作为接收器，把表面声波变成电信号．在图7-2 所示的传感器表面镀一层非传导的、各向同性的聚合物薄膜．其响应特性如方程２所示：这里K1、K2是石英基质材料常数；V R是瑞利波传播速度；h 是膜的厚度；ρ是密度；μ是膜材料的剪切模数，λ是朗伯（Lamb）常数；o f 是器件的固有频率。
声音传感器的工作原理
声音传感器的工作原理
声音传感器是一种能够捕捉环境中声音信息的设备。
它的工作原理基于声音的传播和振动。
当声音传播到传感器附近时，声波会引起传感器的振动。
传感器内部通过某种材料或装置将声音的振动转化为电信号。
一旦声音信号转化为电信号，传感器就可以将这些信号发送到其他设备进行进一步处理或分析。
声音传感器的工作原理可以简单归纳为以下几个步骤：
1. 接收声波：声音传感器的接收部分用于接收周围环境中的声波。
传感器通常采用一个或多个麦克风来接收声音。
2. 声音振动传导：一旦声音波在麦克风附近产生，麦克风会感受到声波的振动。
这些振动会通过麦克风的结构传导到传感器的内部。
3. 转化为电信号：传感器内部的材料或装置会将声音的振动转化为电信号。
这可能涉及到一些装置，如压电材料或变压器等。
4. 信号处理与传输：一旦声音信号转化为电信号，传感器可以通过适当的电子电路对信号进行处理和放大。
然后，传感器可以将这些处理后的信号发送到其他设备进行进一步处理或分析。
总的来说，声音传感器的工作原理基于声音振动的捕捉和转化为电信号。
通过将声音转化为电信号，可以实现对声音的分析、处理和控制。
在各种应用中，声音传感器能够提供重要的环境音量、声波频率等信息，从而实现各种智能设备和系统的功能。
声表面波传感技术
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
• 压电效应：某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其 内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电 荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压 电效应。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。相反，当 在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去 掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应，或称为电 致伸缩现象。依据电介质压电效应研制的一类传感器称为为压电传感 器。 • 压电效应分类 压电效应可分为正压电效应和逆压电效应。 • 正压电效应是指：当晶体受到某固定方向外力的作用时,内部就产生电 极化现象,同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力撤去后， 晶体又恢复到不带电的状；当外力作用方向改变时，电荷的极性也随 之改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。压电式传感 器大多是利用正压电效应制成的。 • 逆压电效应是指对晶体施加交变电场引起晶体机械变形的现象。用逆 压电效应制造的变送器可用于电声和超声工程。压电敏感元件的受力 变形有厚度变形型、长度变形型、体积变形型、厚度切变型、平面切 变型5种基本形式。压电晶体是各向异性的，并非所有晶体都能在这5 种状态下产生压电效应。例如石英晶体就没有体积变形压电效应，但 具有良好的厚度变形和长度变形压电效应。 3
程。
• （4）由于声表面波器件是在单晶材料上用半导体平面工
艺制作的，所以它具有很好的一致性和重复性，易于大量 生产，而且当使用某些单晶材料或复合材料时，声表面波 器件具有极高的温度稳定性。
声表面波
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。
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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。
声表面波的应用
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。
无源无线声表面波传感器硬件系统研究
1、无源无线SAW传感器的原理
声表面波（SAW）是指沿着固体表面传播的声波。无源无线SAW传感器利用声 表面波在材料表面反射和传播的特性，通过测量反射波或传播波的时间差或振幅 变化来检测外部物理量的变化，如温度、压力、湿度等。无源无线SAW传感器不 需要外部电源，而是通过无线信号接收器发送电磁波，电磁波与SAW在传感器上 产生相互作用，从而实现对外部物理量的监测。
无源无线声表面波传感器硬件 系统研究
基本内容
在传感器技术领域，无源无线声表面波（SAW）传感器因其独特的优势和广 泛的应用前景而备受。由于其具有无需电源、结构简单、低成本、高可靠性以及 适用于各种环境等优点，无源无线SAW传感器在许多领域，如健康监测、环境监 测、物联网等，都有着广泛的应用前景。本次演示主要对无源无线SAW传感器硬 件系统的研究进行探讨。
3、硬件系统优化
为了提高无源无线SAW传感器的性能和稳定性，需要对硬件系统进行优化。
3、1频率选择
选择合适的频率是硬件系统优化的关键因素之一。高频信号可以提供更高的 分辨率和更快的传输速度，但同时也会受到更多的干扰和衰减。因此，需要根据 具体的应用需求和传输距离来选择最合适的频率。
3、2天线设计
2、硬件系统设计
无源无线SAW传感器的硬件系统主要由传感器、信号发射器和信号接收器三 部分组成。
2、1传感器部分
无源无线SAW传感器的核心部分是SAW传感器，它由基底材料和声表面波传播 路径上的延迟线构成。基底材料通常选用石英、玻璃等具有高声速和高稳定性的 材料。延迟线是用于产生和检测声表面波的金属线条，通常用金、银、铜等金属 制作。
四、系统特点
1、无源性：该系统不需要外部电源，因此具有很高的便携性和灵活性。
2、无线性：由于该系统采用无线传输方式，因此可以实现远距离的温度测 量。
声表面波器件的用途、生产制作和工艺介绍
常用表面波切型
简称
主面及传播方向
128 °Y-X 128 ° 旋转Y切X向传播
LN
铌酸锂
64 °Y-X LN
Y-Z LN
64° 旋转Y切X向传播 铌酸锂
Y切Z向传播 铌酸锂
碳化硅 100 120 180 240# W28 W1 1000# 2000 W3.
规格号 # # #
4
#
5
粒度尺 160 125 80 63
28- 14- 15.5
8.5
3.5-
寸范围
20 10
2.5
晶片粗 >7 ≥5 ≥3 1-3 糙度
0.5 0.5-0.7 0.150.3
金胜
3--
1.5— 0.8- 0.5 水晶:
5
2.2 1.5 - 0.5-1.0
1.0 其他
0.8-1.5
DQ备 晶片背面粗糙度数值为LN晶片实测典型值。晶片材料不同其
注
加工粗糙度值略有差别。
四.声表面波器件制作工艺流程
1.前工序
镀金属膜
涂胶
曝光
显影
腐蚀
基
片
探针测试
清
洗
涂胶
曝光
显影
镀金属膜
剥离
镀保护膜
后工序
Hale Waihona Puke 湿法工艺①.镀膜铝 晶片
②.涂光刻胶
光刻胶 铝
晶片
③.曝光
光刻胶 铝
UV 光
晶片
④.显影
光刻 胶
铝
晶片
⑤.刻蚀
声表面波传感器的原理及应用综述
声表面波传感器的原理及应用综述摘要：声表面波传感器能将信号集中于基片表面、工作频率高，具有极高的信息敏感精度，能迅速地将检测到的信息转换为电信号输出，具有实时信息检测的特性；另外，声表面波传感器还具有微型化、集成化、无源、低成本、低功耗、直接频率信号输出等优点。
国内目前已经形成了包括声表面波压力传感器、声表面波温度传感器、声表面波生物基因传感器、声表面波化学气相传感器以及智能传感器等多种类型。
关键词：声表面波；传感器；工作原理；应用1声表面波传感器的工作原理1.1声表面波声表面波是一种在固体浅表面进行传播的弹性波，具有多种模式，瑞利波是目前应用最广泛的一种声表面波。
不同类型的声表面波具有不同的特性，利用其制成的传感器可适用于不同场合探测。
1.2声表面波传感器的结构类型声表面波传感器的两种基本构型为延迟线型﹙delayline﹚和谐振型﹙resonator﹚。
延迟线型和谐振型声表面波传感器在结构上均由压电基片、叉指换能器和发射栅共同构成。
延迟线型声表面波传感器通过天线接收正弦激励信号，传递至叉指换能器﹙interdigital transducer，IDT﹚，正弦信号在压电基片激励出声表面波，实现声波和电信号的转换。
声表面波在压电基片上传播经过一段时间延迟到达反射栅，反射栅将部分声波反射回来，反射的声波又通过IDT转换为正弦激励信号，从而实现电声转换。
谐振型声表面波传感器将IDT置于2个全反射的反射栅间。
激励的声表面波的频率与谐振器频率相等时，声表面波在反射栅间形成驻波，反射栅反射的能量达到最大。
外部激励信号加载在输入IDT上，IDT将电信号转换为声表面波，声表面波沿压电晶体表面向两边传播，经两侧反射栅反射叠加由输出IDT输出，最终实现声/电转换。
1.3声表面波传感器的工作模式声表面波器件一般使用压电晶体﹙例如石英晶体等﹚作为媒介，然后通过外加一正电压产生声波，并通过衬底进行传播，然后转换成电信号输出。
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无源遥测是SAW传感器的
一大优势，从结构上看，
IDT
反射栅
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
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
图7-12 正交相位检波原理
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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
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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
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。
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。
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
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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：
传感器、微质量传感器(微量天平)等；
3 生物传感器： 酶传感器、免疫传感器、液体识别
传感器、离子识别传感器等。
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8.5 声表面波传感器的应用
Vibration and Acceleration SAW Sensor Torque SAW Sensor Flow SAW Sensor SAW Gyroscope Liquid SAW Sensor Gas SAW Sensor Applications of SAW Device in Automobile
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。
i 31l 3i1 31m 3 k 3 1 1 ciE lk 3 lm 1eik xli2 x xl2 m ix k l i 31im 31 3 1m e3 m 1ikism x i2 x ix2 m xm 02t2k
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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。
2l 2L
vc
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
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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 标签是对IC射频标签的一个有力补充。
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
电能
2. 波在不连续介质处的反射
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Concept: IDT
外加电压 吸声材料
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。
26Biblioteka 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：
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
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。
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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。
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。
（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
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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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8.4 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。
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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。
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SAW传感器信号检测
SAW振荡器1
压
力 信
混 频
号
SAW振荡器2
低 通
放
滤
大
波
器
器
被测量环境温度
频
微
率
处 输出
测
理
量
器
图7-10 SAW传感器信号检测与处理电路 框图
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SAW传感器信号检测
混频器
限幅输出
LNA
带通
中频
对数
放
天线
滤波
滤波
放大
大
RSSI
收发 开关
射聘 418MHz 本振