声表面波传感器改为声表面波传感器应用于物联网与传感器技术

1.原理

沿着压电材料表面传播的声波为实现信号处理器多样化提供了手段，测量频率范围可从几兆赫到几吉赫。叉指换能器为声表面波技术打下了基础。它的功能是把电能转换成机械能，反之，也能产生和检测声表面波。

非散射的延迟线声表面波器件是将一个叉指换能器与电源连接，另一个与检测器连接。连接电源的叉指换能器在衬底上建立一个电场，通过压电效应发射声表面波，接收声表面波的换能器将表面波转换成电信号。压电材料所产生的声表面波类型主要取决于衬底材料的特性、晶体的切面和电能转换成机械能的电极结构。本节探讨的是在传感器中应用各种声学器件的可行性。首先集中在瑞利波、剪切水平声表面波、乐甫波、声板波和挠性板波上。

瑞利波是一种横向波，沿着表面运行，典型的例子是船在行进时产生的波纹。乐甫波也是一种表面波，但波是反平面剪切波或垂直波。这种振荡模式不适于气体和液体，所以耦合系数很差。然而，这种现象也可成为传感器应用的一大优点，由于与空气耦合不良而能产生低损耗（高品质因数），因而可以制作最低功耗的谐振器件，可以用来制作各种传感器。

瑞利声表面波最初是由瑞利提出的，到目前为止，瑞利波被广泛地了解和使用。有关瑞利声表面波的传播在很多书中有详细说明。在静水中由于自然的扰动引起的波纹被作为类似物来描述瑞利波。石英晶体中的扰动产生于叉指换能器，射频（RF）信号产生的声表面波是通过石英表面的选择形变传播的。

弹性瑞利波有与表面垂直的分量和与表面平行的分量。在径向平面上，瑞利波有两个粒子位移分量。表面粒子在具有与表面垂直分量和与表面平行分量的椭圆形路径上运动。与声波有关的电磁场沿着相同的方向传播。衬底材料和晶体切面决定波速。声表面波的能量被限制在接近表面的区域，有几个波长厚。

声表面波延迟线型传感器其敏感元件是由两个位于压电衬底上的叉指换能器组成，一个发射声表面波，另一个检测它。如果把声表面波延迟线与闭环中的射频放大器连接，系统则按照波速和叉指换能器的电极几何图形确定的频率产生振荡。用频率计数器或电压表对放大器的输出取样。

2.声表面波特性的测量

通过扫描声表面波振荡频率区域内的信号范围，网络分析仪也可产生声表面波。当网络分析仪的输出出现相位漂移时，说明它的速度出现扰动，因此波的物理特性也随之发生变化。网络分析仪输出的缺点是在感测动态信号时分辨率低，这可能是因为网络分析仪在扫描振荡频率范围所用的时间短。这已经被乐甫波传感器所证实，其中与器件连接的振荡器测量扰动前后振荡峰值频率，而器件的参数，如插入损耗和振幅衰减等可通过网络分析仪的结果获得。利用与反馈放大器的反馈回路连接的电极发射和接收装置可获得持续的振荡。叉指换能器的叉指间距d与器件的频率有关。扰动的介质往往会改变波在叉指换能器之间传播的特性，使波的相位和频率改变，然后用适当的测量装置，例如网络分析仪或频率计数器或频率表进行测量（见图6-34）。

3.晶体材料剪切水平声波和传感器灵敏度的作用

这些微器件主要用在生物传感器上。对应于波的传播方向来说，粒子的运动是横向的。表面上的位移几乎全部发生在同一平面上界面处折射。重要的是这些界面不能被损坏，并要有足够的表面抛光度，因为不规则将导致由于多重及不对称的折射引起的附加噪声信号。这种器件的敏感区在两个面上，这就可以用非电极面来感测被测介质，并使换能器与介质绝缘。像声板波那样，在石英的任何一个面的敏感区中没有任何与表面波垂直的分量，它将在液体和气体介质扰动最小的反馈回路中振荡，这对于确认谐振振荡器的灵敏度（品质因数）十分重要。根据敏感界面模式的实际特性，可以感测出界面参数的变化。如果这些界面的条件发生变化，频率也会改变。界面质量的增加仍可引起器件谐振频率的漂移，还可检测到界面特性的变化，如稠黏度和密度。

图6-34 声表面波延迟线型传感器

乐甫波被认为像声表面波那样在由给定的材料制成的波导层中传播，波导层是沉积在由另一种材料M1层（压电衬底）制成的衬底上，这种材料与最初的层相比，具有不同的声特性和无限厚度。这些波是横向波，仅起剪切应力的作用。单元体积的位移矢量与传播方向X垂直，并以Z轴方向取向。因为乐甫波是一种表面波，它的传播能量位于M2（氧化硅）层上和与界面接近的部分衬底上。它的振幅根据深度成指数地下降。通过比较，反平面剪切波有局限性，原因是高噪声和声信号衍射到晶体中以及从较低表面反射所产生的背景干扰。M2层（氧化硅）对器件顶层具有限制和制导波的作用，因此要避免与反平面剪切器件类似的缺点（通常在界面灵敏度降低）。

乐甫波存在的必要条件是在层中剪切的声速必须小于在衬底上剪切的声速。它们之间的差越大，波导效应就越大。产生波的基本原理与声表面波传感器的原理十分类似。所不同的是，乐甫波模式与沉积在叉指换能器顶部的层中传播的声表面波模式相同。该层有助于波的传播和极化波的水平波导，极化波最初是由沉积在波导层和下面的压电材料之间界面上的叉指换能器产生的。这个波的粒子位移根据波的传播方向运行，也就是与波导表面层平行。工作频率是由叉指换能器叉指间距和波导层中的剪切波速确定的。这些声表面波器件已经证明可以在液体中作为微传感器使用。(www.xing528.com)

乐甫波对电导率、邻近液体或固体介质的介电常数敏感。叉指换能器产生的波被耦合在波导层中，然后与表面成角度地传播。这些波在波导表面之间折射（通常沉积材料的密度要比下面材料的密度低），就像它们在叉指换能器上方按波导传播那样。工作频率由波导层的厚度和叉指换能器叉指间距确定。乐甫波器件主要用于感测液体，其优点是器件工作的表面可作为敏感的有源区。按这种方式，负载直接加在叉指换能器的上部，如上所述，叉指换能器能与敏感介质绝缘而不影响器件的性能。界面（波导层、衬底）要保持完好，并认真观察沉积过程，生成的膜要均匀，整个厚度的密度不变。

乐甫波传感器用于测量气体或液体环境中选定的化合物浓度。用以聚合物层（如PM-MA）为基础的乐甫波传感器通过实验确定从化学混合物中吸附某些蛋白质的表面质量灵敏度。最近还展示出一种设计合理的乐甫波传感器，因为这种传感器灵敏度高（由于质量负载使振荡频率相应地改变），所以非常有希望对气体和液体进行化学感测。一些具有上述特性的传感器已经成为现实。用作液体中化学感测的剪切乐甫波模式的主要优点来源于水平极化，因此它们与理想的液体没有弹性干扰。有时也发现稠黏液体负载可引起小的频率漂移，增大了器件的插入损耗。

4.声表面波传感器输出转换

1）声表面波传感器及测量。利用声表面波延迟线制作的表面波叉指换能器式微传感器，不仅具有相应的频率转换特性，而且它的物理尺寸同样可以使多种物理和化学介质进一步实现微型化和远距离感测。声表面波传感器将相应的物理和化学特性转换成能够被测量的信号。传感器的测量数据最终必须经过处理才能够使用户进一步理解和应用这些数据。仪表系统的作用必须能执行这一任务。在振荡电路中作为有源频率控制元件的声表面波传感器，用振荡输出频率作为被测量参数，加之是数字式类型的器件，具有良好的动态范围和线性度。因此，目前已经能够使用数字式声表面波微传感器。数字式仪表和早期的系统技术相比较的主要优点是对完成频率-电压（输出）转换没有限制，在转换的这一过程中，经常会引起分辨率的下降，同时也必须考虑耐久性、功能性和适用性等方面的要求。在测量声表面波（二端口）的微传感器响应等相关性能时，通常采用以下3种电子构型：

①微传感器和网络分析仪（或矢量电压表）连接，在基频任意一边用窄射频带扫描；

②用微传感器作为无源元件，受固定的射频源激励（振幅或相位）测量；

③应用微传感器作为有源反馈元件，控制振荡电路的频率。

尽管声表面波谐振器相当于一个模拟电路，但是根据电子谐振器和相应的振荡电路相匹配的概念，一般要完成网络分析判断声表面波传感器振荡器的设计参数。因为通过网络分析仪和矢量电压表可以测出导纳Y或阻抗Z。这些测量值将会在一组分立的频率数据点上产生导纳或者阻抗的轨迹。导纳或者阻抗可应用直角（实数和虚数）或者极坐标（振幅和相位）来表示。通过这种仪表进行的分析，提供了大量与加载状态下的声换能器或者传感器有关的信息、谐振频率的设计误差细节和品质因数值的改变。

2）模拟（振幅）测量系统。此系统设计来自于RF共用源的输出和零相位漂移分离，用来激励声器件和RF分级衰减器。二极管检测器整流输入信号，从声器件产生反向直流电流和从衰减器分路产生正向直流电流。用电位器将信号调整到零位，以便对谐振器不产生干扰。低通滤波器限制产生的模拟信号的带宽。

图6-35 相位测量系统

3）相位测量系统（见图6-35）对初始测量阶段来说，与振幅测量系统是一样的，但是，双平衡混频器替代了二极管探测器和低通滤波器。从声器件和RF分级衰减器电路产生的两个RF信号提供给双平衡混频器，在混频器的中频端口产生电位差，产生的电位差和相位差是一致的。通过电阻电容滤波器在仪表放大器上施加输出电压，一般是调整RF分级衰减器，以便能和从声器件产生的信号匹配。

与矢量电压表和网络分析仪不同，振幅和相位测量系统是便携式的。它们的优点是同样可以通过外部的固定的RF源来激励，在此，可以调节RF源的振幅补偿过重的阻尼条件。但是，鉴于一系列原因，不能选择振幅来控制声传感器的响应。最大的问题是动态范围大幅度地减小，一般在10000∶1和1000∶1之间。很清楚，例如当利用频率或时域测量时，电压表或者图表记录仪应用仪表的振幅信号在准确度和灵敏度方面都是不理想的。频率的动态范围或时间的测量在10000000∶1的范围之内。此外，由于出现漂移，有时需要进行重复调节，应用电位器预调0基线，使振幅系统的操作步骤变得更加复杂。Grate及其合作者论述了一些在非扰动谐振频率条件下产生漂移的机理，这种非扰动频率谐振可以称为环境污染，例如氧化、压电材料中的变化、装配应力、温度的增减、滞后、时间引起的产品老化等。为了与来自于声器件的RF信号大小相匹配，系统要求用户调节RF分级衰减器。

4）频率测量系统。假设RF放大器的增益超过谐振器的插入损耗，振荡将保持不变。不理想的是，由于是测量机械负载（阻尼效应）和得出有关品质因数值评价，因此，单一测量声振荡器的频率不能够提供有关信号振幅的信息。此外，在重负载的条件下，振荡作用可能停止。为了克服这一限制，某些研究人员应用了采用自动增益控制（AGC）技术的振荡器电路。测量自动增益控制的反馈可以评估产生的振荡器频率的振幅（阻尼）大小。自动增益控制的唯一目的是在重负载的条件下，在晶体衬底常数范围内保持声波量，保持持续进行振荡。然而，自动增益控制不能恢复任何电路品质因数的损耗。