1、声表面波 传感器新型传感技术及应用新型传感技术及应用声表面波传感器声表面波传感器 本章基本内容包括：声表面波的主要性质、声表面波叉指换能器、叉指换能器的基本特性、叉指换能器的基本分析模型、声表面波谐振器及其特性、SAW加速传感器、SAW压力传感器、SAW气体传感器、SAW流量传感器。引 言【CONTENT】1.概 述 2.表面波的基本理论 3.声表面波叉指换能器 4.声表面波谐振器 5.SAW加速度传感器 6.SAW压力传感器 7.SAW气体传感器 8.SAW流量传感器 声表面波传感器声表面波传感器1.概 述【概 述 】声表面波（SAW，Surface Acoustic Wave）是沿物体表面
2、传播的一种弹性波。声表面波是英国物理学家瑞利（Rayleigh）在19世纪80 年代研究地震波的过程中偶尔发现的一种能量集中于地表面传播的声波。1965年，美国的怀特（R.M.White）和沃尔特默（F.W.Voltmer）发表题为“一种新型声表面波声电转化器”的论文，取得声表面波技术的关键性突破，能在压电材料表面激励声表面波的金属叉指换能器 IDT的发明，大大加速了声表面波技术的发展，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。声表面波波形图【概 述 】声表面波(SAW)理论叉指换能器(IDT)SAW传感器SAW谐振器SAW加速度传感器SAW压力传感器SAW流量传感
3、器SAW气体传感器【概 述 】SAW传感器的四个优点：1.高精度、高灵敏度，适合于微小量程的测量。2.结构工艺性好，便于批量生产。3.体积小，质量小，功耗低，易于集成。4.与微处理器相连，接口简单。*为什么说叉指换能器是声表面波传感器的关键部件？声表面波谐振器的核心是叉指换能器。基于声表面波谐振器的频率特性，配上必要的电路和结构，可以实现敏感许多参数的声表面波传感器。利用SAW谐振器的频率特性对温度、压力、磁场、电场和某些气体成分等敏感的规律，设计、研制和开发了十几种声表面波传感器。声表面波传感器声表面波传感器2.表面波的基本理论【表面波的基本理论 】波的分类：在无边界各向同性的固体中传播的声
4、波成为体波或体声波。当固体有界时，由于边界的限制，可出现各种类型的面波，也叫表面波。(1)(1)(1 2)SSlSSSEv对于体波，根据质点的振动方向可将它分为纵波与横波，纵波质点振动平行于传播方向，横波质点垂直于传播方向：2(1)sSSEvvl 纵波速度，m/s;vs 横波速度，m/s;Es表面波材料的弹性模量，Pa；表面波材料的泊松比；表面波材料的质量密度，kg/3mSS弹性模量：弹性形变中，正应力和正应变的比值；泊松比：横向应变与纵向应变之比。【表面波的基本理论 】在一般各向异性的晶体材料中，质点振动方向与声波传播方向的关系比较复杂。通常，质点振动方向既不平行也不垂直于波的传播方向，而且
5、质点振动有三个相互垂直的偏振方式。偏振方向较接近于传播方向的波成为“准纵波”，另外两个偏振方向较接近垂直于传播方向的波成为“准横波”。这三个波的速度个异，其中准纵波最快，两个准横波中，速度交快的一个成为“准快横波”，较慢的一个成为“准慢横波”。这三个波的波前法线方向，即波的相速度方向与波的能流方向不一致，这种现象叫做“波束分离”。在各个异性固体材料中传播的声波n为波前的法线向量，rL、rS1、rS2分别为准纵波、准快横波、准慢横波的能流方向，一般这三束波不共面；oL,oS1,oS2分别正比于rL、rS1、rS2的相速度。【表面波的基本理论】表面波的类型瑞利波电声波乐甫波瑞利型波【表面波的基本理
6、论】瑞利波：瑞利波素的的计算公式比较复杂，在最简单的非压电各向同性的固体材料中，其速度满足：式中vr瑞利波传播速度，m/s;s表面波材料的泊松比。通过分析，比值vr/vs在0.870.96之间，如图7.2，瑞利波速度比横波慢。3288(32)16(1)0rrrss2ss1 2()2(1-slvsv）2vr=rsv（）【表面波的基本理论】瑞利波质点运动是一种椭圆的偏振，是相位差为90 的纵振动和横振动合成的结果。在图中不难看出，瑞利波能 量集中在一个约一个波长深 度的表面层内，频率越高，集中能量的层越薄。这一特点使声表面波较体波更容易获得高声强，同时该特点也使基片对声表面波传播的影响很小，因此就
7、声表面波器件本身，对基片的厚度无严格的要求。在各向异性晶体材料中，瑞利波基本上保持了上述特点。【表面波的基本理论】电声波是一种质点振动垂直于传播方向和表面法线方向的横表面波，1968年由Bleustein和Gulyaev首先发现。电声波传播的坐标系X为波的传播方向；Y为表面法线方向；Z为电声波的质点振动方向。若材料是电自由的，则沿x方向传播的速度为：，电声波在这种表面为电自由的材料中传播时，沿深度y方向的衰减常数为：，4211=1-(1+)sKv v221511 44=dKc215444411=+dcc42111=1+K12=当晶体材料表面短路时，沿x方向传播的电声波的速度 为:这时的衰减系数
8、为：一般晶体材料介电常数远大于1，故在表面为压电自由晶体中传播的电声波速度接近于体横波的速度，透入深度远较表面电短路的电声波深。4v=1-svK22=K【表面波的基本理论】乐甫波：在声表面波器件中，常见到一种复合结构，即在基片上面覆盖一层薄膜。此时解波动方程需要两个边界条件，一是在膜的自由表面，另一是在膜与基片上面覆盖的分界面。可出现两种波：一是质点作椭圆偏振的瑞利型波；另一是当薄膜材料的体横波速度vs小于基片材料的体横波速度vs时出现的横表面波，其质点振动垂直于传播方向x和表面法线方向y，该波成为乐甫波。乐甫波是一种色散波，即波速与频率有关。在截至频率附近，波透入基片中很深，其传播速度接近基
9、体中横波的速度。低频时，膜仅相当于对基体的一种微扰。当频率增高时，波速逐渐减小，透入基片中深度逐渐减小，即波的能量逐渐集中于薄膜层中。当波长比薄膜层厚度小很多时，波基本上集中在薄膜层中，这时波的传播速度接近于薄膜层材料中的横波速度。乐甫波与瑞利型波在各向异性的材料中耦合在一起出现。瑞利型波：瑞利型波的出现不受vsvs时，只有一种基本模式，不存在高次模式，当膜层增厚或频率增高，瑞利型波波速也逐渐增加，直至与基体的体波速度相同，这是波的投射速度很大，类似于体横波。当vsvs时，则类似于了甫波，除了色散外，还存在高次谐波。【表面波的基本理论】声表面波的基本性质：1.声表面波的反射和模式转换。在声表面
10、波传播表面上常会发生声阻抗不连续。声表面波与一般的波动一样，当遇到声阻抗不连续时便会发生反射。对于瑞利波，由于其质点作椭圆振动，既有横振动又有纵振动，因此遇到阻抗不连续时，入射波除了以瑞利波形式反射回来外，还有一部分能量在反射时会转换为体波，这种现象称为模式转换。2.波束偏离与衍射效应。在各向异性固体中，波的相速与群速或者说相位传播方向与能量传播方向一般是不一致的，这种现象称为波束偏离。两者之间的角度称为偏离角度。声表面波与一般的波动一样，也存在着衍射现象。衍射会造成沿垂直于弧矢平面方向上的振幅与相位的变化。【表面波的基本理论】3.声表面波的衰减。（1）波束偏离与衍射效应会引起波束能量改变方向
11、或发散出去，使接收换能器不能全部截获到发射波束的能量，因而导致器件插入损耗的增加。（2）表面波与材料热声子相互作用引起的衰减，这是材料固有的衰减，也是衰减所能达到的最小极限。（3）材料表面粗糙引起的表面波散射所产生的衰减，其大小与材料质量和抛光工艺水平有关，与温度无关。（4）表面波在传播过程中不断向气体中辐射声波所引起的衰减。声表面波传感器声表面波传感器3.声表面波叉指换能器【声表面波叉指换能器】声表面波叉指换能器是一个非常重要的声表面波器件。自从出现了叉指换能器，才使声表面波技术以及声表面波传感器得到了具有实用价值的飞速发展。到目前为止，叉指换能器是唯一可实用的声表面波换能器。3.1叉指换能
12、器的基本结构如图所示为叉指换能器的基本结构，它由若干淀积在压电衬底材料上的金属膜电极组成，这些电机条互相交叉放置，两端由汇流条连在一起，其形状如同交叉平放的两排手指，故称为均匀(或非色散)叉指换能器。叉指周期T=2a+2b。两相邻电极构成一电极对，其相互重叠的长度为有效指长，即换能器的孔径，记为W。若换能器的各电极对重叠长度相等，则叫等孔径（或等指长）叉指换能器。叉指换能器基本结构【声表面波叉指换能器】3.2叉指换能器激励SAW的物理过程交流电信号发射产指换能器逆压电效应材料形变产生SAW波正压电效应接收叉指换能器电信号SAW频率等于所加电信号的频率。3.3叉指换能器的基本特性（1）工作频率（
13、f0）高。电机应变周期T即为声波波长，可表示为：=T=v/f0v材料的表面波声速，m/sf0SAW频率，即外加电场的同步频率，Hz当指宽a与间隔b相等时，T=4a,f0=v/4a对于确定的声速v，叉指换能器的最高工作频率只受工艺上所能获得的最小电极宽度a的限制。叉指电极由平面工艺制造，随着集成电路工艺技术的发展，现已能获得0.3 m左右的线宽。对石英基片，换能器的工作频率可高达2.6GHz。工作频率高是这类期间的一大特点。【声表面波叉指换能器】（2）时域（脉冲）响应与空间几何图形的对应性叉指换能器的每对叉指电极的空间位置直接对应于时间波形的取样。在多指对发射、接收情况下，将一个脉冲加到发射换能
14、器上，在接收端收到的信号是到达接收换能器的声波幅度与相位叠加，能量大小正比于指长。（3）带宽直接取决于叉指对数。对于均匀的叉指换能器，即等指宽、等间隔的叉指换能器，带宽可简单地表示为：f0中心频率（工作频率），Hz N叉指对数由公式可知，中心频率一定时，带宽只决定于叉指对数。叉指对数越多，换能器带宽越窄。声表面波期间的带宽具有很大的灵活性，相对带宽可窄到0.1%，可宽到1倍频程（即100%）。（4）具有互易性。作为激励SAW用的叉指换能器，同样（且同时）也可作接收用。（5）可作内加权。在叉指换能器中，每对叉指辐射的能量与指长重叠的有效长度即孔径有关。这就可以用改变指长重叠的办法实现对脉冲信号幅
15、度的加权。（6）制造简单，重复性、一致性好。0 f=fN【声表面波叉指换能器】3.4叉指换能器的基本分析模型1.函数模型叉指换能器截面的电场分布如图a所示。若近似地认为只有垂直表面的电场才激励SAW，那么可将电场分布简化为b的形式。这时，认为电场仅存在于叉指电极的下方，而电极间无电场分量的作用，且各电极的电场是正负交替出现的，沿x传播方向的电场分布如图c所示。电场梯度最大的地方是在电极边缘处为一系列脉冲，且两两同号相间，如d。这就是说，将每条叉指的每个边缘看成互相独立的函数声源输出的叠加。【声表面波叉指换能器】一个叉指换能器IDT，各叉指重叠长度相等，对有N对指的换能器（2N+1根指，2N个间
16、隔），当考虑到 /01时，其转移函数为：一个有两个IDT的SAW器件，分别用于发射和接收，设两个IDT相同，且接收换能器有M个边缘，则总的输出应为M个边缘输出的叠加，其频率响应简化为：固定延迟 ym两个叉指换能器中心之间的距离，m；2.脉冲响应模型若接收换能器为一宽带换能器，有足够的孔径将全部发射声波束收集起来，则总的频率相应位：H()=H1()H2()按卷积定理，总脉冲响应h（t）为两个换能器的冒充响应之卷积，即：2-1-()2sin()=2NjXHNWeX =X Nn2f2fjx-j2vvnn=1()=eeNBHW（）mny-xB 2f-jveB12-ht=h ht-d（）（）（）声表面波
17、传感器声表面波传感器4.声表面波谐振器【声表面波谐振器】声表面波传感器是基于声表面波谐振器的频率特性来实现的，即基于谐振器的频率随着被测参量的变化而改变来实现对被测量的检测的。因此，声表面波传感器的关键器件就是声表面波谐振器。声表面波谐振器有两种实现方式。一种以声表面波谐振子（SAWRsurface acoustic wave resonar）为核心，一种以声表面波延迟线为核心，再配以适当的放大器组成。由SAWR构成的声表面波谐振是目前在甚高频和超高频段实现高Q值的唯一器件。Q值代表通频带宽度，Q值越大，通频带越窄，选频特性越好。【声表面波谐振器】谐振子的构成：SAWR由一对叉指换能器及金属栅
18、条式反射器构成。两个叉指换能器一个用作发射声表面波，一个用作接收声表面波。叉指换能器及反射器是用半导体集成工艺将金属铝淀积在压电基底材料上，再用光刻技术将金属薄膜刻成一定尺寸及形状的特殊结构。叉指换能器的指宽、叉指间隔以及反射器栅条宽度、间隔都必须根据中心频率、Q值的大小、对噪声抑制的程度和损耗大小来进行设计、制作。【声表面波谐振器】A.属于单端对、单通道谐振子结构，具有低的互相干扰和低的插入损耗。B、C.所示的是双叉指换能器式谐振子和带耦合的双叉指换能器式谐振子的结构，由于在谐振腔的中心，声信号的传播损耗大，而使整个谐振器具有较高的插入损耗。但他们都具有受正反馈谐振子控制的振荡结构所必需的1
19、80相移。三种常用的谐振子简图：【声表面波谐振器】选频特性如何产生？在输入或输出换能器两边有许多周期性排列的反射栅条。当SAW的波长近似等于栅条周期的2倍时，反射栅的作用就像一面镜子。在这个频率范围内，所有的表面波能量都被限制在由这两个栅条组成的谐振腔内。每个栅条就像一个阻抗不匹配的传输线那样产生反射。用足够数目的栅条，就可以使来自所有反射栅条的总反射几乎等于来自叉指换能器的入射波；在谐振频率上，所有的反射叠加在一起，就产生一个高Q值的窄带信号。单端对谐振子的缺点（图A）？它没有双端对谐振子设计灵活。当用它组成谐振器电路时，单端对谐振器反馈到谐振器放大器的输入端的信号必须设计成具有180的相移
20、。实际上，单端对谐振器所要求的180相移虽然能够得到，但是相位噪声却超过了双端对谐振器。SAW谐振子的基片选材？应考虑相对带宽、插入损耗、工作温度要求以及与温度有函数关系的频率稳定度等一些因素。各种不同的压电材料，它们的应用特性不大相同。当要求宽频带且温度系数不大于0.0001/时，可采用高耦合材料铌酸锂。而石英材料由于插入损耗大，不适合应用于宽频带。当要求窄频带时，则由于石英晶体有很高的稳定性而常常被采用。在080的温度范围内，使用温度补偿振荡电路，也可使石英晶体制作的SAW谐振子标称频漂小于0.0001.【声表面波谐振器】由SAWR组成的谐振器结构图所示。将声表面波谐振子的输出信号经放大后
21、，正反馈到它的输入端。只要放大器的增益能补偿谐振子及其连接导线的损耗，同时又能满足一定的相位条件，那么谐振子就可以起振、自激。起阵后的声表面波谐振子的谐振频率会随着温度、压电基底材料的变形等因素影响而发生变化。因此，声表波谐振器可用来做成测量各种物理量的传感器。若用声表面波延迟线为核心作成谐振器，并在两叉指电极之间涂覆一层对某种气体或适度敏感的材料，就可制成SAW气体或温度传感器。【声表面波谐振器】声表面波谐振器使用的注意：为了提高稳定性，在制造SAW器件时，在工作频率范围内要进行老化试验。为减小老化的影响，应采取密封装置、真空烘干和抽真空封装等措施。为了提高SAW器件的长期稳定性，不要在SA
22、W空腔谐振子内喷涂单分子有机物或其他材料；在安装的密封盒内不要有易于产生气体的物质。所有这些措施都将会大大提高SAW谐振子的频率稳定度。这样处理的结果，SAW谐振子特性随时间的变化很小，在其工作1年以后，频率稳定度可达到10的负七次方或更优。同时，在实际应用中，采用集成温度补偿、双通道SAW谐振子以及高真空封装技术，可使频率和温度稳定度达到很高水平声表面波传感器声表面波传感器 5.SAW加速度传感器【SAWSAW加速度传感器加速度传感器】原理：SAW加速度传感器采用悬臂梁式弹性敏感结构，在由压电材料（如压电石英晶体）制成的悬臂梁的表面上设置SAW谐振器结构，加载到悬臂梁自由端的敏感质量块感受被
23、测加速度，在敏感质量块上产生惯性力，使谐振器区域产生表面形变，改变SAW的波速，导致谐振器的中心频率变化。因此，SAW加速度传感器实质上是加速度频率变换器，输出的频率信号经相关处理，就可以得到被测加速度值。图中，长L、宽B、厚H的一端固支的悬臂梁加速度传感器，自由端通过直径为D的质量块加载，以感受加速度。【SAWSAW加速度传感器加速度传感器】SAW加速度传感器的特性方程：未加载时SAWR的谐振频率为：V0表面波的传播速度，m/s；0表面波的波长，m；ES表面波材料的弹性模量，Pa；S表面波材料的密度，00s0()svfHzEv3/kg m对于均匀分布的叉指换能器，声表面波的波长与叉指换能器两
24、相邻电极中心距之间的关系为：d0叉指换能器两相邻电极中心距，m。002d【SAWSAW加速度传感器加速度传感器】考虑SAWR基片上产生的应变，由于叉指电极是沉积在压电基底材料上的，所以两叉指中心距d也因基底材料应变二改变。这样，SAWR的应变也可写成：声表面波器件受力作用产生应变后，叉指中心距d与应变的关系为：又因为0=2d0，所以同时，在压电材料发生应变时，会引起材料密度的变化，从而影响声波传播速度的变化。应变对传播速度v的影响可表示为：k 材料常数。0000()(1)ddd ddd 00()2()2(1)(1)dd0()(1)vvk0dd【SAWSAW加速度传感器加速度传感器】声表面波谐振
25、器的谐振频率与应变有关，可描述为：由应变引起的谐振频率的绝对变化为：一般情况下，值很小，所以上式中 可忽略，得到以下近似关系：当SAWR的基底材料为石英晶体时，有：00(1)()()()(1)vkvf 0001(1)()(1)()11kkfffff 0000()(1)()(1)1ffffkffffkkk 000.4,11.4()(1 1.4)kkkffff 【SAWSAW加速度传感器加速度传感器】借助第四章的公式，可得加速度a引起的梁上表面沿x方向的正应变为：当SAW谐振器置于悬臂梁的（x1，x2）时，则SAW谐振器感受到的平均应变为：将上式带入f（）中可得：该式为加速度传感器的特性方程，利用
26、它可以针对加速度传感器的检测灵敏度，来设计悬臂梁的有关结构参数和敏感质量块的结构参数。26()()xma LxxEbh1212260.5()(,)xma Lxxx xEbh12028.40.5()()1ma LxxffEbh【SAWSAW加速度传感器加速度传感器】SAW加速度传感器的动态特性分析：对于加速度传感器，多数情况是用于动态过程的测量。由于悬臂梁的厚度对于其长度较小，因此其最低阶固有频率较低，这将限制传感器所测加速度的动态频率范围。当不考虑悬臂梁自由端出敏感质量块的附加质量时，其悬臂梁的最低阶固有频率为：显然，考虑敏感质量块后悬臂梁最低阶弯曲振动固有频率远比上式低，因此，此式没有使用价
27、值。12m0.162BhEfL3mE-Pa-kg/m悬臂梁材料的弹性模量，；悬臂梁材料的密度，。【SAWSAW加速度传感器加速度传感器】当把悬臂梁看成是一个感受弯曲变形的弹性部件时，以其自由端的唯一Wmax作为参考点，器等效刚度为：D敏感质量块的直径，m；于是，该加速度传感器的整体敏感结构的最低阶弯曲振动的固有频率为：则该式可以针对加速度传感器的最低固有频率，来设计悬臂梁的有关结构参数和敏感质量块的结构参数。3eq3maxk=40.5eqeqFEbhWLLLDmeqL 带有敏感质量块的悬臂梁的有效长度，；3eqeq,m3eqeqkk111f=2m+m2m4mBEbhL2mbm=4D3meqmk
28、gkg/mmkg敏感质量块的质量，；敏感质量块材料的密度，与悬臂梁材料相同；加速度敏感结构最低阶弯曲振动状态下，悬臂梁自身的等效质量，。声表面波传感器声表面波传感器6.SAW压力传感器【SAWSAW压力传感器压力传感器】这是一个具有温度补偿的差动结构的SAW压力传感器。该SAW传感器的关键部件是在石英晶体膜片上制备的压力敏感芯片，其上制备有两个完全相同的声表面波谐振器，分别置于膜片的中央和边缘。两个SAW谐振器分别连接到放大器的反馈回路中，构成输出频率的谐振器。两路输出的频率经混频、低通滤波和放大，得到一个与外加压力一一对应的差频输出。因为敏感膜片上的两个谐振器相距很近，故认为环境温度变化对两
29、个谐振器的影响所引起的频率偏移近似相等，经混频取差频信号就可以减小或抵消温度对输出的影响，即具有差动结构的SAW压力传感器可以实现温度补偿。【SAWSAW压力传感器压力传感器】在两个振荡回路内，一旦设计的放大器的增益能补偿谐振器的插入损耗，同时又满足一定的相位条件，系统就可以起振，实现闭环工作。起阵条件可以表述为：GA放大器增益；LS(f)谐振器的插入损耗；R谐振器的相移，（）；A放大器的相移，（）。另，SAW的谐振频率为：f=v/;对于均匀叉指换能器，SAW波长是叉指电极中心距d的2倍，即=2d。所以，当外力作用于敏感膜片上时，基片受应力作用产生应变，使叉指电极的中心距发生变化，亦即波长发生
30、变化。同时，材料弹性模量和密度也发生变化。其变化大小与外加压力的大小有对应的关系。由于基片中传播的声速v和叉指电极中心距d都是压力和温度的函数，因此谐振频率也是压力p和温度T的函数，可以描述为：()ASGLf2nRAn ，为整数(,)(,)(,)v p Tf p Tp T【SAWSAW压力传感器压力传感器】当压力和温度都发生变化时，这两种因素变化而引起的谐振频率的相对变化量为：ap一阶压力系数，1/pa；aT一阶温度系数，1/。叉指换能器各电极的中心距d与沿着声表面波传播方向上得应变有关，其关系式为：又因为=2d，可得到：而SAW速度与应变间的关系可以表示为：其中1，2与SAW传播方向平行和垂
31、直的表面弯曲应变；1，2实验测定的应变系数。()pTdfdvda dpa dTfv 11pvapvp 11pvapvp d d=d(1+)11dpdpp 1 122(1)vdvv 【SAWSAW压力传感器压力传感器】由上式可得到一阶压力系数：借助于圆平膜片在均布压力作用下，其上表面各处的应变关系式，同时考虑到叉指换能器的孔径与圆平膜片的半径相比是小量，因此，可给出周边固支的圆平膜片上声表面波谐振器的平均压力系数为：E，分别为基片材料的弹性模量（pa）和泊松比；R，H分别为圆平膜片的半径（m）和厚度（m）；X0，y0SAW叉指换能器中心点位置，m。1212pappp2200300012121(,
32、)(1)()(1 3)()(1)3ppxyaxyaRR 2203(1)()8pRaEH【SAWSAW压力传感器压力传感器】两路通道的输出频率分别为：f10，f20设置于圆平膜片中心和边缘处的谐振子1和2在未加压时的输出频率，Hz；，圆平膜片中心和边缘处的平均压力系数，1/pa;基片的平均温度系数，1/。T温度的变化量，。由此可得传感器的输出差频为：其中fD0=f10-f20，是未加压力时两个谐振器的差频输出，所以有外加压力而以你的频率偏移为：11101pTffapaT22201pTffapaT1pa2paTa1212010201020()()ppTDDffffafafpaffT1201020(
33、)ppDpDDfffafafp【SAWSAW压力传感器压力传感器】由温度差T引起的漂移为：，由于温度变化而引起的两个谐振器的频率偏移，Hz。分析该式可知，只要参数选择合适，采用差动结构的压力传感器，其灵敏度将比单通道结构大大提高。如果设计的两个谐振器的初始固有频率（未加压力时）较为接近，即使fD0=f10-f20f10(或f20)，则由温度变化引起的差频输出偏移远小于由温度所引起的单通道内的频率偏移f1T或f2T。这样，就得到一个具有温度补偿的高灵敏度的声表面波谐振式压力传感器。010201020()()TTTTDTDTTfa fTaffTa fTa fT 12ffT1fT2f声表面波传感器声
34、表面波传感器7.SAW气体传感器【SAWSAW气体传感器气体传感器】SAW气体传感器由于具有灵敏度高、选择性好、体积小、廉价，近年来得到迅速发展，目前可用于检测的主要有SO2、水蒸气、丙酮、H2、H2S、CO、CO2、NO2等。SAW气体传感器的工作原理：SAW气体传感器大部分采用双通道延迟线结构，以实现对环境温度变化等共模干扰影响的补偿。在双通道SAW延迟线振荡器结构中，一个通道的SAW传播路径被气敏薄膜所覆盖用于感知被测气体成分，另一个通道未覆盖薄膜用于参考，两个振荡器的频率经混频器后，取差频输出，以实现对共模干扰（主要是环境温度变化）的补偿。在SAW气体传感器中，除了SAW延迟线之外，最
35、关键的部件就是有选择性的气敏薄膜。SAW气体传感器的敏感机理随气敏薄膜的种类不同而不同。【SAWSAW气体传感器气体传感器】当薄膜用各向同性绝缘材料时，SAW气体传感器提供的信号可近似的描述为：f覆盖层由于吸附气体而引起的SAW振荡器的频率偏移，Hz；K1、k2、k3压电基片材料常数;F0SAW谐振器初始谐振频率，Hz；H薄膜厚度，m；s薄膜材料的密度。当薄膜用导电材料或金属氧化物半导体材料时，SAW气体传感器的输出响应可描述为：K机电耦合系数；cf薄膜材料常数，A/V;0薄膜电导率，A/VS;VRSAW的声速，m/s。20123f=f()shkkk2220022220f2Rfhkfhv c【
36、SAWSAW气体传感器气体传感器】薄膜与传感器特性之间的关系：1.薄膜与传感器的选择性薄膜对气体的选择性是SAW气体传感器的一项重要性能指标，决定了SAW气体传感器的选择性。不同类型的化学气体需要不同的材料的薄膜。可以说，只要研究出实用的可选择吸附某种特定气体的敏感膜，就能实现检测这种气体的SAW传感器。因此，对于SAW气体传感器而言，研制选择性好的吸附膜是一项非常关键的任务。2.薄膜与传感器的可靠性作为传感器，其输出响应必须是可重复和可靠的。SAW气体传感器输出的可靠性在很大程度上取决于敏感膜的稳定性，特别是敏感膜特性的可逆性和高稳定性，这是基本要求。3.薄膜与传感器的响应时间SAW气体传感
37、器与其他传感器一样，希望响应时间越短越好。SAW气体传感器的响应时间与敏感层的厚度及延迟线谐振器的工作频率密切相关。4.薄膜与传感器的分辨率SAW气体传感器的分辨率主要由敏感薄膜的稳定性决定。其分辨率与所使用膜层的稳定度处于同一数量级。声表面波传感器声表面波传感器8.SAW流量传感器【SAWSAW流量传感器流量传感器】传感器的结构与原理：SAW流量传感器主要由SAW延迟线、加热器、放大器以及供流体流动的通道等部分组成。其工作原理是：加热器对SAW基片加热，在热平衡状态时，基片温度TSAW保持稳定；当有流体流动时，使基片热量散失，引起SAW波速变化，从而使谐振器频率改变，通过测量频率的变化就可以
38、知道流量的大小。这就是基于SAW延迟线谐振器的SAW流量传感器的工作原理。【SAWSAW流量传感器流量传感器】基本方程：当气体流动时，热量的损耗是通过热传导、自然对流和热辐射三种方式实现的。qcond、qnc、qrad热传导损耗、自然对流损耗及热辐射损耗，W；TSAWSAW基片温度，K；T0周围环境温度，K；Gth基片与环境间热传导，W/K;Hn自然对流系数，；A基片的表面积，；K波尔兹曼常数，；基片的辐射系数，。00440()()()condthSAWncnSAWradSAWqGTTqh A TTqk A TT2/()Wm k2m-23k=1.381*10/JK-213m s K【SAWSA
39、W流量传感器流量传感器】辐射损耗相对较小，可以忽略，故当热输入功率pth时，在热平衡状态下：在SAW流量传感器中，SAW装置与周围物体是隔热的。若装置用厚度为d的热绝热体将它与壳体隔离，则：K绝热材料的热传导系数，W/mk；进一步引入：G0在没有气体流动的情况下，基片和环境间的有效热导，W/K。0()()thcondncthnSAWPqqGh A TTthKAGd00defdefthnGGh AAg0nKghd【SAWSAW流量传感器流量传感器】由上两式推理：当出现强迫对流冷却时，上式应修改为：推理可得由于流量变化而引起的温度变化，即：SAW谐振器频率变化f与TSAW的关系式为：f0流速为零时
40、的振荡器频率值，Hz；SAW器件频率温度系数，1/；v/v由于基片温度变化而引起SAW速度相对变化；l/l由于基片温度变化而引起SAW传播路径的相对变化。000ththSAWPPTTGAg00()thSAWffPTTA ghv0200-()=()()thfSAWfSAWffffPhTThTA ghvghv0fSAWTf 0f1vl(-)ffvlSAWSAWf【SAWSAW气体传感器气体传感器】可得到频率与流速的频率响应：流速与流量关系为：Ac基片上方通过流动气体的横截面积。因此，就可以利用SAW谐振器的频率偏移f，解算出流体的体积流量QV。若想获得高灵敏度，就要求基片具有大的频率温度系数，并应使基片与环境之间有良好的热隔离；在较高的基片静态温度下工作，将会获得较高的灵敏度；为降低加热功率，在给定的基片温度下，SAW装置的表面积要小。000-f()f=()SAWfffTThghvvcfQA vThank you!
