声表面波传感技术.ppt

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1、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18.1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。1965年，美国的R.M.White和F.M.Voltmov发明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（1）具有较低的传播速度和较短的

2、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。声表面波特点（相比电磁波）3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。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。声表面波器件4

3、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

4、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。68.2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7SAW8SAW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9Concept:IDT10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。SAW的描述112.声表

5、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(Rayleighwaves)、漏波(LeakySAW)、广义瑞利波（GeneralizedRayleighwaves）、水平剪切波(SH-SAW)、电声波(B-Gwaves)、兰姆波(Lambwaves)等。在层状结构的基片存在有乐甫波(Lovewaves)、西沙瓦波(Sezawawaves)、斯东莱波（Stoneleywaves）等。123.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

6、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。13目前SAW技术的应用已涉及地震学、天文学、雷达通讯及广播电视中的信号处理、航空航天、石油勘探、无损检测、识别定位和传感器等许多学科领域。随着电子学、声学、微平面工艺的飞速发展，SAW技术的发展也越来越迅速，目前已成为电子、超声领域最为活跃的学科分支之一。4.SAW技术应

7、用与器件145.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。15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

8、器件。压电