声表面波

SAW谐振器型正是利用这种SAW的反射性质，使声波在 反射阵列之间进行相干反射、相互叠加，在腔体内形 成驻波，发生共振，使振荡幅度达到最大，这样，在 一对反射阵列之间就构成了谐振腔，将 SAW 限制在谐 振腔内以得到能量存储的目的。
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8.4.1 SAW传感器的结构形式与基本原理

任何量只要能引起v、l或lp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。

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。

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 L 、 IDT 与反射栅之间的距离 l 以及声表面波波速 v 来决定， 即脉冲信号从读写器发射到回收的传播时间为：

1965年美国的White和Volrmov利用叉指换能器 IDT （ Interdigital Transducer ）直接在压电介 质上有效地激励出SAW后，SAW技术才很快地 发展起来。
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声表面波激发--叉指换能器

在发射叉指换能器上施加适当频率的交流电信号后， 在压电晶片内部分布有电场，该电场可分解为垂直和 水平二个分量（Ev和Eh），通过逆压电效应使指条电 极间的材料发生垂直于和平行于表面的交变形变（声 波），其频率与激励频率一致，此声信号沿基片表面 传播，并最终由接收叉指换能器通过压电效应转换为 电信号输出。
8.4.1 8.4.2 8.4.3

8.5
典型声表面波传感器简介
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8.4.2

SAW传感器的信号检测与处理
检测电路主要由 SAW 谐振器振荡电路、混频电路、低通滤波 及放大电路、频率测量四部分组成。

检测电路的性能，特别是振荡器电路的频率稳定性直接决定了 传感器的分辨率、精度、稳定性等性能指标。
当外界被测量信息变化时，两个 SAW 振荡器的振荡频率发生 不同的变化，混频后输出两个振荡器的差频信号，经低通滤波 和放大电路处理后，送频率测量部分。
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8.1 概述
⑷便于实现无线、无源化

SAW器件的工作频率一般在几十 MHz到几个 GHz，处于射频 频段，因而可直接发射，进行遥测。同时利用 SAW敏感器件 的低损耗和压电基片的机电转换特性及其对电磁波能量的贮存 能力，还可以实现声表面波传感器的无源化。这对于运动部件、 密闭腔、易燃、易爆、辐射、高温等特殊环境的检测更为有利。 90 年代初，德国 Siemens公司开发的挪威奥斯陆汽车过桥收费 系统及德国慕尼黑火车进站定位系统，利用贴在汽车或火车特 定部位的 SAW辨识标签，实现了汽车的不停车收费和达厘米 级的控制列车进站停靠位置精度。

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8.1 概述

⑸多参数敏感性，抗干扰能力强：声表面波对压力、温度、气 体、湿度、电场、磁场等多种物理、化学量敏感，通过选择合 适的基片材料及切向可以制成多种类型的传感器；同时由于声 表面波器件利用的是晶体表面的弹性波而不涉及晶体内部电子 的迁移过程，因而SAW传感器具有良好的抗电磁干扰能力。

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。
IDT 反射栅
天线
压电基片
吸声材料
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第8章 声表面波技术及其传感应用

8.1 8.2 8.4
概述 声表面波技术基础知识 SAW传感技术 SAW传感器的结构形式与基本原理 SAW传感器的信号检测与处理 SAW传感器的温度补偿


声表面波是晶体表面传播的弹性波，不涉及晶体内部电子的迁 移过程，这样使得 SAW器件具有较强的抗辐射能力和较大的 动态范围。
7
8.1 概述

声表面波器件所具有的不同于电磁波和体波的特殊性质使 SAW器件 在许多领域得到了广泛的应用，目前已经研制成功或正在研制的 SAW器件主要包括：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。 利用SAW器件研制、开发新一代传感器始于20世纪80年代，起初人 们在研究 SAW电子器件时发现，外界因素 ( 如温度、压力、磁场、 电场、某种气体等 ) 对 SAW传播特性会造成影响，进而研究了这些 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、物理的被测参数。
SAW温度传感器，其理论分辨率可达10-7℃ 。
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8.1 概述

⑵准数字输出： SAW 传感器工作时以频率信号输出，不 需经A／D转换便可与微机接口，既便于传输处理，同时 也减小了数字化带来的误差。

⑶微型化，低功耗：声表面波传感器为物性型传感器， 利用半导体制作工艺，可以使集成化技术得到充分应用， 容易将信息敏感器件与信息处理功能电路集成在一起， 大大减小传感器的体积和重量，做到传感器微型化。同 时因为 SAW 的能量集中在介质表面，因而损耗低，加上 SAW 传感器电路简单，所以整个传感器的功耗很小。这 对于煤矿、油井或其他有防爆要求的场合特别重要。

⑹结构工艺性好，便于大批量生产： SAW传感器是平面结构， 设计灵活；片状外形，易于组合；能比较方便地实现单片多功 能化、智能化；安装容易，并能获得良好的热性能和机械性能。 SAW传感器中的关键部件 —SAW谐振器或延迟线，采用半导 体平面制作工艺，结构牢固，质量稳定，重复性及可靠性好， 易于大批量生产。
E v f n l 2
IDT
反射栅
v f 2l P

v
天线
压电基片
吸声材料
无源遥测是 SAW 传感器的一大优势，但工作原理不同于一般 的 SAW传感器，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。
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8.4.1 SAW传感器的结构形式与基本原理
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第8章 声表面波技术及其传感应用

8.1 8.2 8.4
概述 声表面波技术基础知识 SAW传感技术 SAW传感器的结构形式与基本原理 SAW传感器的信号检测与处理 SAW传感器的温度补偿
8.4.1 8.4.2 8.4.3

8.5
典型声表面波传感器简介
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8.4.1 SAW传感器的结构形式与基本原理

SAW 振荡器通常有延迟型（ SAWD ）和谐振型（ SAWR ）两 种结构形式。

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：
E v f n l 2
延迟线型 式中，v 为SAW的传播速度； l为两个 IDT之间的距离； n为取 决于电极形状和l的正整数；φE为反馈回路的相移。
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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8.4.1 SAW传感器的结构形式与基本原理

声表面波器件包括一个压电材料薄基板和采用薄膜工艺制作在 基板上的叉指换能器和反射极阵列。

叉指换能器受100～1000MHZ频率的信号激励，由于逆压电效 应实现的电→声转换，从而在基板表面一个声波长深度范围内 产生表面波，其传播速度在3000m/s～4000m/s左右，即比光速 慢100000左右。
IDT 反射栅
2lik ik v
天线 压电基片 吸声材料

同样，当基片受到来自外界环境量的影响时，波速及间距将发 生改变，从而使从反射栅返回来脉冲的时延发生变化。通过测 量时延的变化就可以测出被测量。
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7.4

SAW传感器的结构形式与基本原理
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（ID-Tag）。
第8章
声表面波技术及其传感应用
日期：
1
第8章 声表面波技术及其传感应用

8.1 8.2 8.4 8.6 8.7 8.8
概述 声表面波技术基础知识 SAW传感技术 SAW传感器的信号检测与处理 典型声表面波传感器简介 SAW传感器的温度补偿
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8.1 概述

声表面波SAW（Surface Acoustic Wave）是一 种能量集中在介质表面传播的弹性波，最早是 由英国物理学家瑞利在1885年研究地震波传播 过程时发现的。


SAWD设计简单，但稳定性较差。
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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。
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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
8

8.1 概述
⑴高精度、高灵敏度

由于SAW能量集中在介质表面，对外界物理参量的扰 动非常灵敏，因而SAW传感器具有很高的灵敏度，可 以检测到常规传感器难以检测到的微小变化。

SAW 压 力 传 感 器 ， 精 度 可 达 0.01 ％ ， 灵 敏 度 可 达 0.3×l0-6f0 ／ Pa 。 若传感器的中心频率 f0 为 300MHz， 检测器能检测出 1Hz的频率变化，那么该传感器可反 应出0.01Pa的压力变化。
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8.1 概述

声表面波具有较低的传播速度和较短的波长，大概是相应电磁 波的10-5倍，因此在同一频段上，SAW器件的尺寸比相应电磁 波器件的尺寸小得多，这样就可以大幅度减小器件的体积和重 量，有利于电子器件的超小型化。 由于声表面波是沿固体表面传播的，且传播速度较慢，这使得 时变信号在给定瞬时可以完全呈现在晶体基片表面上，当信号 在输入和输出之间行进时，就容易对信号进行注入、提取和变 换等处理。

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，便于加工，价格合理。

目前使用的SAW基片材料有单晶压电材料（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。
f


2l P

SAW在谐振腔内谐振，谐振型振荡器的振荡频率为：
单端对谐振器
双端对谐振器
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8.4.1 SAW传感器的结构形式与基本原理

SAW 延迟线型是属于传输型器件，它利用的是声波的 行波特性，在波的传播方向上，设置的另一个 IDT 将 接收到的声波转换成电信号输出。显然，在这些叉指 电极中的任何反射都会使得器件性能恶化。
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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。
IDT 反射栅
2l 2 L v c
天线 压电基片 吸声材料
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8.4.1 SAW传感器的结构形式与基本原理

在遥测时，读写器与敏感基片之间距离的变化也会引起 τ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 距离的的影响，即：