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。
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。
IDT 反射栅
天线
压电基片
吸声材料
21
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

11
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。
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。
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
16
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。
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。
14

8.4.1 SAW传感器的结构形式与基本原理
10
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。

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。
8.4.1 8.4.2 8.4.3

8.5
典型声表面波传感器简介
22
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。
12
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
13
8.4.1 SAW传感器的结构形式与基本原理
SAW温度传感器，其理论分辨率可达10-7℃ 。
9

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。
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。
6
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。

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。
17
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。
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
2
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。

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。
3
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。


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。