声表面波传感器的原理与应用

声表面波简称SAW(Surface Acoustic Wave),是一种沿弹性基体表面传播的声波,任何固体表面都存在这种现象。某些外界因素(如温度、压力、加速度、磁场、电压等)对SAW 的传播参数会造成影响,根据这些影响与外界因素之间的关系可以研制出测量各种物理参数、化学参数的SAW 传感器。SAW传感器是结合SAW 技术、电路技术、薄膜技术设计的器件,由SAW 换能器、电子放大器和SAW 基片及SAW 基片的敏感区构成,采用瑞利波进行工作。

1.SAW 传感器的结构和原理

(1)SAW 换能器

如图3.56所示,IDT 是用蒸发或溅射等方法在压电基片表面淀积一层金属膜,再用光刻方法形成的叉指状薄膜,它是产生和接收声表面波的装置。

图3.56　SAW 换能器示意图

如图3.57所示,当电压加到叉指电极上时,由IDT 激励的声表面波沿基片表面传播。当基片或基片上覆盖的敏感材料薄膜受到被测量调制时,声表面波的频率将改变,并会由接收叉指电极测得。

图3.57　SAW 传播示意图

(2)敏感基片

敏感基片主要采用石英、铌酸锂(LiNb O3)等压电单晶材料制成。当敏感基片受到物理、化学或机械量扰动作用时,其振荡频率会发生变化。通过适当的结构设计和理论计算,能使它仅对某一被测量有响应,并将其转换成频率量。

(3)SAW 振荡器

SAW 传感器的关键是SAW 振荡器,它由压电材料基片和沉积在基片上的具有不同功能的叉指换能器组成,有延迟线型和谐振器型两种振荡器。如图3.58所示,谐振器型SAW 振荡器由SAW 谐振器和放大电路组成。单端对谐振器的IDT 既是发射端,也是接收端;双端对谐振器中的一个IDT 作为发射端,另一个IDT 作为接收端。将SAW 谐振器的输出信号经放大后正反馈到输入端,只要放大器的增益能够补偿谐振器及其导线的损耗,同时又满足一定的相位条件,谐振器就可以起振并维持振荡状态。

图3.58　谐振器型SAW 振荡器示意图(www.xing528.com)

当在压电基片上设置两个IDT(一个为发射IDT,另一个为接收IDT)时,SAW 会在两个IDT 中心距之间产生时间延迟,这个延迟称为SAW 延迟线。如图3.59所示,延迟线型SAW 振荡器由声表面波延迟线和放大电路组成。输入换能器T1激发出声表面波,其传播到换能器T2后转换成电信号,经放大后反馈到换能器T1,以保持振荡状态。

图3.59　延迟线型SAW 振荡器示意图

2.SAW 传感器的应用

(1)SAW 压力传感器

SAW 谐振式力学量传感器包括SAW 压力传感器和SAW 加速度传感器,该类传感器在基底压电材料受到外界作用力时,谐振器的结构尺寸、压电材料的密度、弹性系数等发生变化,从而导致SAW 的波长、频率和传播速度等发生变化。通过测量SAW 压力传感器的频率变化可以得知压力的大小。如图3.60所示,SAW 压力传感器由SAW 振荡器、敏感膜片、基底等组成。

图3.60　SAW 压力传感器的结构图

(2)SAW 气体传感器

如图3.61所示,SAW 气体传感器在SAW 传播路径上和IDT 区域淀积一层化学界面膜,当界面膜吸附被测气体后会引起SAW 传播频率变化,可以通过测量SAW 频率的变化测量气体浓度。已经开发出来的SAW 气体传感器有SO2、水蒸气、丙酮、甲醇、氢气、H2S、NO2等传感器。通常使用SAW 气体传感器对化学毒剂进行检测。

图3.61　SAW 气体传感器的结构图

(3)SAW 温度传感器

当温度变化时,SAW 振荡器的振荡频率会发生变化,从而可以制成SAW温度传感器。SAW 温度传感器具有长期稳定性,灵敏度很高,可测量出10-4～10-6℃的微小温度变化。SAW 温度传感器可以用于气象测温、粮仓测温、火灾报警等。