声表面波传感器：结构和原理

声表面波（Surface Acoustic Wave，SAW）是一种能量集中在表面传播的弹性波，由英国物理学家瑞利于19世纪80年代在研究地震波过程中发现的。声表面波具有以下特点：

①具有较低的传播速度和较短的波长；

②是一种在晶体表面传播的弹性波，不涉及晶体内部电子的迁移过程；

③采用单晶材料和平面工艺制造，重复性和一致性好，易于批量生产。

任何固体表面都会存在表面波，外界因素（温度、压力、磁场、电压等）对声表面波的传播会造成一定影响，声表面波传感器就是利用这些物理量的变化引起声表面波传播特性发生变化实现测量的，它可以将被测量的信息通过声表面波器件中SAW速度或频率的变化反映出来，并转换成电信号输出。

1）传感器的基本结构

声表面波传感器的核心是SAW振荡器。当受到外界物理、化学或生物量的作用时，振荡器的振荡频率会发生相应的变化，通过精确测量振荡频率的变化，可以实现检测上述物理量及化学量变化的目的。

如图5.32所示，SAW传感器由压电基底、叉指换能器（Interdigital Transducer，IDT）和反射栅组成。工作时输入电信号，经过输入IDT发生声-电转换，将电信号转换为声波信号，声波信号通过压电基底传播到输出IDT再次转换为电信号输出。

图5.32　常见SAW传感器的结构

2）叉指换能器

IDT是在压电基片表面形成的手指交叉状的金属图案，如图5.33所示，它的作用是实现声-电换能。

图5.33　叉指换能器

IDT的工作原理如下：当在压电基片上的一组IDT的输入端施以交变电信号激励时，会产生周期分布的电场，由于逆压电效应，在压电介质表面附近激发出相应的弹性形变，从而引起固体质点的振动，形成沿基体表面传播的声表面波。当该声表面波传到压电介质的另一端时，又因为正压电效应在金属电极两端产生电荷，从而利用另一组IDT输出交变电信号。

IDT的重要参数如下：

①指条周期长度M：决定IDT所产生声表面波的谐振频率，M越大，表面声波的谐振频率越小；

②指条对数N：N越大，带宽越窄，分辨率越高；

③孔径W（指条重叠长度）：对于均分IDT，每根指条的宽度和指条的间距皆为M/4。

指条对数N和孔径W共同决定了声表面波的强度（即振幅）。一般情况下，指条对数越多，产生的声表面波强度越强，孔径越大，强度也越大，作用距离越远。指条对数N和孔径W越大，越有利于提高传感器的分辨率。

3）传感器的结构类型

声表面波传感器根据是否连接电源分为有源和无源两种。有源SAW传感器以声表面波器件作为传感元，结合相关振荡电子线路的SAW传感器，需要有相应电源。无源SAW传感器以声表面波器件为传感元，结合无线应答系统的SAW传感器，无需电源。

从结构角度来讲，声表面波振荡器又有两种基本构型：延迟线型（Surface Acoustic Wave Delay-line，SAWD）和谐振型（Surface Acoustic Wave Resonator，SAWR）。因此，SAW传感器可以分为四大类：有源-延迟线型、有源-谐振型、无源-延迟线型及无源-谐振型。

（1）有源-延迟线型

在压电基片上设置两个IDT，一个为发射IDT，另一个为接收IDT，表面波在两个IDT中心距之间产生时间延迟T，称为SAW延迟线。延迟线型声表面波（SAWD）传感器的工作原理是，被测量的变化会导致声表面波传播速度变化，从而引起传感器谐振频率和输入输出相位差的变化，通过测量延迟T可以测出谐振频率和相位的变化（幅频特性测量法、相位差测量法），从而分析得到被测量的值。延迟线型SAW振荡器由声表面波延迟线和放大电路组成（见图5.34），输入换能器T1激发出声表面波，传播到换能器T2并转换成电信号，经放大后反馈到T1以保持振荡状态。

图5.34　有源-延迟线型SAW振荡器(www.xing528.com)

（2）有源-谐振型

有源-谐振型声表面波传感器是将一个或两个IDT置于一对反射栅阵列组成的腔体中，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。谐振器使用一个IDT时称为单端对谐振器，使用两个IDT时称为双端对谐振器，如图5.35所示。

图5.35　有源-谐振型声表面波传感器

单端对谐振器的IDT既是发射端，也是接收端；如图5.36所示，双端对谐振器中的一个IDT作为发射端，另一个作为接收端，将SAW谐振器的输出信号放大后，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5.36　有源-SAW谐振器

SAW谐振器的谐振频率由声表面波的传播速度V和反射栅的间距d决定，关系式为f=V/2d。当基片表面的应力、温度、表面介质等因素变化时，V和d发生相应的变化，从而导致谐振频率的变化，通过测量频率的变化量即可实现对非电量的检测。

（3）无源-延迟线型

如图5.37所示，当SAW振荡器工作时，由敏感基片的天线接收正弦激励信号，通过IDT将正弦激励信号转换为声表面波，实现声电转换。声表面波经过一段延迟后到达反射栅，并被反射栅反射回来，最后再通过IDT将信号转换为电信号，再次实现声电转换，并通过天线发射出去，由读写器接收处理。当被测量（压力、温度等）改变时，声传播路径长度和声表面波的波长将发生变化，导致回波的相位产生变化，这种相位的变化量可以反映出被测量的变化。

图5.37　无源-延迟线型SAW振荡器

（4）无源-谐振型

如图5.38所示，将IDT（常用单端对）放在两个全反射的反射栅之间。当产生的表面波频率与谐振器频率相等时，表面波会在反射栅间形成驻波。外部激励信号加载在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后再由IDT转化为电信号输出。

图5.38　无源-SAW谐振器

4）声表面波传感器的性能指标

SAW器件的特性在很大程度上是由压电基片的材料决定的，不同材料的基片会有不同的性能。声表面波传感器的主要性能指标包括：

（1）机电耦合系数

机电耦合系数用来表征电声转换效率，影响IDT的电品质因数。如果SAW传感器器件未经过匹配调试就使用，机电耦合系数将决定换能器的衰减；如果经过匹配后使用，则机电耦合系数决定器件的最大带宽。

（2）传播速度

传播速度又称为声表面波传感器的相速度，是设计SAW器件必需的重要参数，也是计算其他特性参数的基础和出发点，是声表面波器件设计与优化的关键。

（3）能流偏向角和各向异性因子

在各向异性的压电介质中，声波的能量传播方向和相速度的传播方向常常不一致，这就是波束偏向现象。能量传播方向与波阵面传播方向的夹角称为能流偏向角（Power Flow Angle，PFA），它反映了声波能量衍射的大小，波束偏向会增大器件的插入损耗和传播衰减，对SAW器件产生不利的影响。实际应用中，应选择PFA更小的传播方向或者纯模方向。各向异性因子γ用来表征能流偏向角φ与波传播方向偏离纯模方向的角度之间的比例系数，决定了IDT转化的平面波的传播临界长度，设能流偏向角为φ（θ），θ为波传播的方向角，则各向异性因子γ定义为：

（4）温度稳定性

SAW对温度敏感的特性主要由弹性刚度系数、密度等参数对温度的敏感性以及热膨胀系数引起。温度系数小，则温漂也小，传感器较为稳定，若温漂大，传感器的测试精度就差。