一文看懂声表面波（SAW）技术传感器

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。

声表面波技术
 
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。
 
1、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。 
 
2、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。在VHF和UHF绳段内，电磁波器件的尺寸是与波长相比拟的。同理，作为电磁器件的声学模拟声表面波器件，它的尺寸也是和信号的声波波长相比拟的。因此，在同一频段上，声表面波器件的尺寸比相应电磁波器件的尺寸减小了很多，重量也随之大为减轻。
 
例如，用一公里长的微波传愉线所能得到的延迟，只需用传输路径为1。m的声表面波延迟线即可完成。这表声表面波技术能实现电子器件的超小型化。
 
第二，由于声表面波系沿固体表面传播，加上传播速度极慢，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。于是当信号在器件的输入和输出端之间行进时，就容易对信号进行取样和变换。这就给声表面波器件以极大的灵活性，使它能以非常简单的方式去.完成其它技术难以完成或完成起来过于繁重的各种功能。
 
比如脉冲信号的压缩和展宽，编码和译码以及信号的相关和卷积。一个实际例子是1976年报道的一个长为一英寸的声表面波卷积器，它具有使两个任意模拟信号进行卷积的功能，而它所适应的带宽可达100MHz，时带宽积可达一万。这样一个卷积器可以代替由几个快速傅里叶变换(FFT)链作成的数字卷积器，即实际上可以代替一台专用卷积计算机。
 
此外，在很多情况下，声表面波器件的性能还远远超过了最好的电磁波器件所能达到的水平。比如，用声表面波可以作成时间-带宽乘积大于五千的脉冲压缩滤波器，在UHF频段内可以作成Q 值超过五万的谐振腔，以及可以作成带外抑制达70dB 、频率达1 低Hz 的带通滤波器。
 
第三，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。 
 
第四，声表面波器件的抗辐射能力强，动态范围很大，可达100dB。这是因为它利用的是晶体表面的弹性波而不涉及电子的迁移过程。
 
声表面波传感器
 
声表面波(surface acoustic wave ，SAW ) 传感器是近年来发展起来的一种新型微声传感器，是一种用声表面波器件作为传感元件，将被测量的信 息通过声表面波器件中声表面波的速度或频率的变化反映出来，并转换成电信号输出的传感器。
 
声表面波传感器能够精确测量物理、化学等信息 (如温度 、应力 、气体密度 ) 。由于体积小，声表面波器件被誉为开创了无线 、小型传感器的新 纪元；同时，其与集成电路兼容性强，在模拟数字通信及传感领域获得了广泛的应用。 
 
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。 
 
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、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(delay line)和谐振型(resonator) ，图1所示为延迟线型和谐振型的传感器结构类别 。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 。 

2、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。声表面波传感器中起主导作用的主要是压电效应，其设计时需要考虑多种因素：如相对尺寸、敏感性 、效率等。一般地，无线无源声表面波传感器的信号频率范围从40MHz 到几个GHz。图2 所示为声表面波传感器常见的结构，主要部分包括压电衬底、天线、敏感薄膜 、IDT等 。传感器的敏感层通过改变声表面波的速度来实现频率的变化。

3、声表面波传感器工作原理

无线无源声表面波系统包：发射器、接收器、声表面波器件、通信频道。发射器和接收器组合成收发器或者解读器的单一模块。图3为声表面波系统及其相互关联的基础部件。解读器将功率传送给声表面波器件，该功率可以是收发器输入的连续波，脉冲或者啁啾 。一般地，声表面波器件获得 的功率大小具有一定限制，以降低最大的发射功率，从而得到相同平均功率的啁啾 。根据各向同性的辐射体，接收的信号一般能通过高效的辐射功率天线发射。 

声表面波传感器的应用
 
1、声表面波传感器在智能变电站中的应用

为了克服智能变电站温度检测环境复杂、非接触、精度低、成本高等的缺点，中理工学院的张朋等人开发了一种可应用于智能变电站中的无源无线声表面波智能温度传感器，并研究了温度传感器的检测机理以及传感器收发系统; 同时基于开发的无源无线声表面波传感器构建了智能变电站温度检测系统。实验结果表明：该无源无线声表面波温度传感器可彻底解决电缆接头、开关柜、隔离开关等电力设备测温的安装不方便、强电磁干扰、工作环境温度高和信号传输等难题。
 
2、声表面波传感器在电力设备中的应用

由于电力设备是工作在高电压、强负荷且长期不停电状态下，对于测温装置的要求自然更高。运行中高压电力设备周围分布有强电场，其温度检测传感器必须具备无源或者自取能功能，才能保证电力设备的安全性。另外，电力设备间要求保持特定安全距离，故检测装置体积应尽可能小。对于各种型号的电力设备均适应安装，以及设备维护周期应尽量长，以保障电力设备长期不断电运行。研究人员研究了射频能量收集技术在监控电力系统温度变化的可能性，同时还开发了一种基于射频能源动力的声表面波温度传感器。该系统主要由一个双通道的阅读器和许多传感器节点组成，传感器的节点通过从阅读器输送的能量中获得能量，而传输的射频能量作为打开传感器从而避免数据冲突的唤醒信息。根据作者的分析，射频能量收集技术是一种非常适用于电力设备的声表面波传感器技术。
 
3、声表面波传感器在列车中的应用

列车运行速度快导致牵引功率增大，增加了车轮与铁轨间的摩擦冲击、车轴的振动幅度和动力效应。随着列车车轴的磨损，车轴会增加发热量，增大振动幅度，从而加速车轴缺陷的扩张，影响列车正常运行。一般通过对车轴轴温和振动的监测直观反映列车车轴的运行状况，声表面波温度传感器是一种可以反映列车车轴状态的检测装置。一般地，声表面波温度传感器检测系统主要由3 部分组成：声表面波温度传感芯片、信号读写器及无线中继、后台监控系统。由于声表面波温度传感芯片为无源无线，因此，需要额外供电。声表面波温度传感器可以安装于需要测温的列车车轴上，准确地跟踪发热点的温度变化。声表面波温度传感器应用于列车的优势主要表现在：其测温芯片可以通过天线和信号读写器进行无线通信，每个信号读写装置对应多个探测点，即插即用，便于扩大规模和系统升级; 信号读写器将温度信号处理成数字信号通过光纤传输至后台监控系统，从而实现长距离无中继传输; 后台监控器采用时分复用或频分复用等方式同时控制1 —— 100 个信号读写器，而每个信号读写器可同时对应多个声表面温度传感器。
 
4、声表面波传感器及其在湿度检测中的应用

湿度检测在仓储、粮食及食品防霉、温室种植、环境监测、仪表电器、交通运输、气象、军事等方面均起着越来越重要的作用。由于在常规的环境中，湿度是一个很难准确测量的参数。因此，湿度测量需要具有高灵敏度、快速响应速
 
度高等性能。浙江大学的课题组通过对声表面波传感器扰动理论模型及其质量负载效应、声电祸合效应等响应机理进行了深入剖析，从根本上为声表面波传感器的结构设计、湿敏材料选择提供了理论依据和参考。同时，还使用精密光刻工艺制备出了高频声表面波单端谐振器作为湿敏传感器的基本换能元件，并开发了具有高性能的声表面波高频振荡电路及整套的检测系统以及提出了新型的叉指电极串联式声表面波传感器结构，为高频声表面波传感器的设计提供了新的思路，满足了其在湿度检测中的应用。
 
5、声表面波传感器在复杂多变环境中的应用

长期以来，传统的温度传感器存在许多无法克服的缺陷，不能满足实际多变的测量需求。浙江大学的课题组以YZ 切铌酸锂（ LiNbO3 ） ，128°YX 切LiNbO3，ST 切石英和YX 切石英4 种不同压电敏感材料为基底，设计和制作了单端口谐振型声表面波温度传感器。研究结果表明：LiNbO3 声表面波温度传感器较石英传感器具有较大的频率温度系数; 在0 — 80 ℃ 范围内，YZ 切LiNbO3，128°YX切LiNbO3 和YX 切石英较ST 切石英的温度传感器具有线性的温度频率特性; 石英声表面波温度传感器较LiNbO3 传感器具有较大的品质因数和较强的回波信号;在相同的测试条件下，当无线传输距离小于10 cm 时，YZ切LiNbO3 温度传感器的测量精度较高; 当距离超过10 cm后，YX 切石英传感器具有较高的测量精度。该研究结果对于单端口谐振型声表面波温度传感器的设计和制作具有普遍的意义，为制备在复杂多变环境中的声表面波传感器提供了重要的指导作用。

为了适应未来多变的环境、快速以及智能化的生活模式，未来声表面波传感器应向微型化、灵活化、智能化以及高精度高可靠性等方向发展。具体的研究如：1） 新型器件敏感材料的开发和制备，提高声表面波传感器的性能及可靠性; 2） 加强声表面波传感器的理论设计，为声表面波传感器的智能化、微型化提供有力的理论指导; 3） 发展声表面波传感器的集成工艺，使声表面波传感器可与多种设备互相兼容。