声表面波传感器在实际应用中的作用

声表面波传感器应用广泛，从应用角度可分为物理量传感器、化学量传感器和生物传感器三大类。

物理量传感器：力（压力、应力）传感器、扭矩传感器、加速度传感器、角速度传感器、温度传感器、位移传感器、磁场传感器、电压传感器、流量传感器等。

化学量传感器：气体传感器、露点传感器、湿度传感器、微质量传感器等。

生物传感器：酶传感器、免疫传感器、液体识别传感器、离子识别传感器等。

1）声表面波压力传感器

图5.43（a）所示为一种延迟线型压力传感器的结构。传感器采用圆柱体中空封装，包含压力敏感膜、圆柱保护外壳、传力杆和压电梁等结构。压电梁的一端固定在保护壳内壁上，形成悬臂梁结构。图5.43（b）所示为SAW压力传感器的原理，敏感膜受压后向内变形，变形量通过传力杆传递到压电梁。压电梁是传感器的核心部件，包含压电基底、叉指换能器、反射器、天线引线和吸声材料。图中靠近压电梁固定端的反射器6用来测量压力导致的变形量，反射器9、10用来作为温度测量或温度补偿。

图5.43　SAW压力传感器

1—传力杆；2—压电梁；3—保护壳；4—压力敏感膜；5，11—吸声材料；6，9，10—反射器；7—叉指换能器；8—天线。

延迟线型压力传感器的不足之处是机械品质因数较小，传输损耗大。

SAW压力传感器具有分辨率高、精度高、无须A/D转换、易集成、功耗低、成本低等优点，在航空航天领域、生产过程检测、交通运输和医疗等方面有较大的发展空间。

2）声表面波气体传感器(www.xing528.com)

一个基本的SAW气体传感器单元主要由压电基底材料、激励声波的IDT和气敏薄膜组成，如图5.44所示。SAW气体传感器的敏感膜材料可分为有机聚合物、超分子化合物、无机膜材料、分子液晶材料、生物分子和纳米材料等不同类型。敏感薄膜材料的涂覆可通过直接涂层法、LB膜技术、电化学聚合技术、自组装单层膜技术等镀膜工艺实现。

图5.44　SAW气体传感器

IDT将输入的电信号转换为声波信号，当声表面波通过气敏薄膜下的压电晶体时，由于气敏薄膜对待测气体的吸附使得敏感薄膜的相关参数发生变化，从而引起SAW的传播速度、频率或相位的改变，之后再通过换能器将变化后的声波信号转换成电信号，再经外围电路处理，实现对待测气体的检测。

声表面波气体传感器相较于其他气体传感器有如下优点：精度高，分辨率高，抗干扰能力较强；信号处理方便、快捷；有效检测范围内线性度较好；可重复性、一致性以及可靠性较高；可以实现无线传感；制备工艺相对成熟，易于大批量生产，成本较低。

3）声表面波生物传感器

声表面波生物传感器的检测原理如图5.45所示，由声表面波器件、吸附膜（生物敏感层）、信号产生与处理器等组成。

图5.45　声表面波生物传感器的检测原理

当输入IDT上加载特定频率的交流信号时，IDT将电信号转化为相应的声波信号，并沿器件表面传播。生物敏感层可以特异性地捕获生物检测目标物，当抗体（或抗原）、DNA、细胞等生物体与传感器表面发生特异性反应后，会被结合在器件表面。由于被结合的目标物在器件表面形成的质量负载效应，使声表面波在传播过程中受到影响，最终表现在其波速、相位和幅值等参数的变化。声表面波传播到器件另一端的输出IDT时，转变为电信号输出。通过对声表面波器件的频率、相位、幅值等参数进行测量，从而实现对生物信号的检测。

声表面波生物传感器集高效、灵敏、特异、结构小巧、经济实用等优点于一身，并且在众多信息敏感技术中，SAW生物传感器在微量信息敏感等方面展示了与众不同的特点，特别是在快速微量信息敏感方面，SAW生物传感器显示了独特的性能，具有巨大的发展前景。