表格模板-声表面波技术 精品.ppt

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1、1第第8章章 声表面波传感技术声表面波传感技术8.1 概述概述8.2 声表面波技术基础知识声表面波技术基础知识 8.3 研究声表面波的基础理论研究声表面波的基础理论8.4 声表面波传感器技术声表面波传感器技术 8.5 典型声表面波传感器及应用典型声表面波传感器及应用28.1 概述概述 声表面波（声表面波（SAW）是一种能量集中在表面传播）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的弹性波。最早是由英国物理学家瑞利在19世纪世纪80年代在研究地震波过程中偶然发现的。年代在研究地震波过程中偶然发现的。 1965年，美国的年，美国的R.M.White和和F.M.Voltmov发明发

2、明了能在压电材料表面激励声表面波的金属叉指换能了能在压电材料表面激励声表面波的金属叉指换能器（器（IDT），大大加速了声表面波技术的发展，相继），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。结合的边缘学科。 3 （1）具有较低的传播速度和较短的波长；）具有较低的传播速度和较短的波长；（2）沿固体表面传播的，且传播速度较慢；）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）晶体表面传播的弹

3、性波，不涉及晶体内部电子的迁移过程；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）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。复性和一致性好，易于大批量生产。声表面波特点声表面波特点（相比电磁波） 4滤波器、延迟线、振荡器、混频器、放大器、卷积器、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，一种快速、超小型的频率控制、选择和信

4、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，对电子和通信系统的发展起着极为重要的作用。目前，SAW器件正在朝着器件正在朝着GHz频段到频段到10GHz频段的超高频化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。来越重要的作用。声表面波器件声表面波器件 5 用用SAW器件研制、开发新型传感器始于器件研制、开发新型传感器始于20世纪世纪80年代，起初，人们发现外界因素年代，起初，人们发现外界因素(如温度、压力、如温度、压力、磁场、电场、某种气体等磁场、电场、某种气体等)对声表面波传播特性会对声表面波传播特性

5、会造成影响，进而研究这些影响与外界因素的关系。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。量各种化学的、物理的、生物的被测参数。6 尽管尽管SAW传感器的历史并不长，在实用化方面尚有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、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，世界上许多国家对传感器行业的青睐，世界上许多国家对SA

6、W传感器的开传感器的开发研究极为关注。从发研究极为关注。从80年代至年代至90年代，年代，SAW传感器在欧传感器在欧美，特别是在日本，获得了迅速发展，出现了十几种类美，特别是在日本，获得了迅速发展，出现了十几种类型的型的SAW传感器。近十几年来，传感器。近十几年来，SAW技术、电子技术技术、电子技术和微平面工艺的不断发展，使和微平面工艺的不断发展，使SAW振荡器的频率不断提振荡器的频率不断提高，器件和电路高，器件和电路Q值不断增大，这为值不断增大，这为SAW传感器的发展传感器的发展提供了良好契机。提供了良好契机。 78.2 声表面波技术的基础知识声表面波技术的基础知识1. 什么是声表面波什么是

7、声表面波 SAW泛指沿表面或界面传播的各种模式的波泛指沿表面或界面传播的各种模式的波 机械波机械波在表面传播，能量在表面传播，能量集中在厚度不超过集中在厚度不超过1 1个波长的表层个波长的表层8SAW9SAW的激发的激发1. 基于压电材料的压电效应与逆压电效应基于压电材料的压电效应与逆压电效应电能电能机械能机械能电能电能2. 波在不连续介质处的反射波在不连续介质处的反射10Concept: IDT11v声波可以用质点离开平衡位置的位移来表示，对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

8、，一共四个量。此描述声波的变量还要有电势，一共四个量。222333332111112233333111110Elkiklmmikilmimimimskiklimiklimilimcex xx xtex xx x SAW的描述的描述122. 声表面波的类型声表面波的类型 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。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在半无限基片上存在的声表面波有瑞利波(Rayleigh waves)、漏波、漏波(Leaky SAW)、广义瑞利波、广义瑞利波（Generalized Rayleigh wav

9、es）、水平剪切波）、水平剪切波(SH-SAW)、电声波、电声波(B-G waves)、兰姆波、兰姆波(Lamb waves)等。等。 在层状结构的基片存在有乐甫波在层状结构的基片存在有乐甫波(Love waves)、西沙瓦波西沙瓦波(Sezawa waves)、斯东莱波（、斯东莱波（Stoneley waves）等。）等。133. 瑞利波特点瑞利波特点 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，波，SAW技术中所应用的绝大部分是瑞利波，它具有特点：技术中所应用的绝大部分是瑞利波，它具有特点：非色散波，即波速与频率无关；非色散波，即波速

10、与频率无关；质点作椭圆偏振，偏振平面不一定在弧矢平面内，椭圆的质点作椭圆偏振，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；主轴也不一定与传播方向或表面法线平行；质点通常有三个位移分量，并随深度方向呈衰减振荡，能质点通常有三个位移分量，并随深度方向呈衰减振荡，能量几乎集中在量几乎集中在12个波长的深度范围内；个波长的深度范围内；波的相速度依赖于晶体的切向和波的传播方向，除沿纯模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。方向外，能流方向一般也不平行于传播方向。14 目前目前SAW技术的应用已涉及地震学、天文学、技术的应用已

11、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，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、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。超声领域最为活跃的学科分支之一。 4. SAW技术应用与器件技术应用与器件155. SAW器件材料器件材料 SAW器件的特性在很大程度上是由压电基片材器件的特性在很大程度上是由压电基片材料决定的

12、，一般描述料决定的，一般描述SAW器件材料的性能指标有：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、弹性模量与杨氏模因子、插入与传播损耗、密度、弹性模量与杨氏模量等。量等。16目前使用的目前使用的SAW基片材料主要有：基片材料主要有：压电单晶压电单晶：石英（：石英（SiO2）、铌酸锂）、铌酸锂(LiNbO3)、钽酸锂、钽酸锂（LiTaO3）、铌酸钾（）、铌酸钾（KNbO3）等，重复性好、可靠性高、）等，重复性好、可靠性高、传播损耗小传播损耗小 ，一般它们是各向异性材料，一般它们是各向异性材料 ，难以同

13、时满足机电，难以同时满足机电耦合系数高，而温度系数又要小的要求；耦合系数高，而温度系数又要小的要求； 压电陶瓷压电陶瓷：机电耦合系数最大：机电耦合系数最大 ，一致性差，一致性差 ，工作频率受到多，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，一般只适宜作低频器件。宜作低频器件。 压电薄膜压电薄膜：如：如ZnO ，表面波传播特性由压电薄膜和衬底的特性，表面波传播特性由压电薄膜和衬底的特性共同决定，它可以很方便的与半导体电子器件集成为单片器件，共同决定，它可以很方便的与半导体电子器件集成为单片器件，使声表面波信号处理器件或传感器与

14、外围电路集成化使声表面波信号处理器件或传感器与外围电路集成化 17Materials188.3 SAW问题的基础理论问题的基础理论 1. 压电效应及其本构方程压电效应及其本构方程 EijijklklkijkSiiklklikkTcSe EDe SE2. 压电体内的波动方程压电体内的波动方程 2,2,0 0Eiijklk ljkijkjSiklk liikkiucuete u 193. 压电介质中的压电介质中的Christofel方程方程 各种各种SAW问题的解都是从上述公式出发，问题的解都是从上述公式出发，结合各个问题的对称性和边界条件来求得。结合各个问题的对称性和边界条件来求得。 24400

15、Eijklljijkkijkjsikllikikkic n nvAe n n Ae n n An n A204. 声表面波特性的理论分析声表面波特性的理论分析 声表面波特性的理论分析就是根据给定的材料常声表面波特性的理论分析就是根据给定的材料常数（包括弹性常数、压电常数、介电常数、密度、数（包括弹性常数、压电常数、介电常数、密度、热膨胀系数及其相应的一阶和二阶温度系数常数）热膨胀系数及其相应的一阶和二阶温度系数常数）按按Christofel方程和边界条件来计算某个切向条件下方程和边界条件来计算某个切向条件下的声表面波速度的声表面波速度(包括自由化表面和金属化表面包括自由化表面和金属化表面)、机

16、、机电耦合系数（电耦合系数（K2）、能流角（）、能流角（PFA）、延时温度系）、延时温度系数（数（TCD）等特性参数，这是进行）等特性参数，这是进行SAW器件设计的器件设计的基础和出发点。基础和出发点。 218.4 声表面波传感器技术声表面波传感器技术工作原理：工作原理： 利用外界物利用外界物理量（如温度、理量（如温度、压力等）的变化压力等）的变化引起声表面波的引起声表面波的传播特性发生变传播特性发生变化的原理来敏感化的原理来敏感被测量。被测量。22结构型式结构型式 SAW传感器一般采用振荡器电路形式，其中传感器一般采用振荡器电路形式，其中SAW振振荡器是传感器的核心。荡器是传感器的核心。SAW传感器的基本工作原理就是利传感器的基本工作原理就是利用了用了SAW振荡器这一频控元件受各种物理、化学和生物量振荡器这一频控元件受各种物理、化学和生物量的作用而引起振荡频率的变化，通过精确测量振荡频率的的作用而引起振荡频率的变化，通过精确测量振荡频率的变化，从而实现检测上述物理量及化学量变化的目的。变化，从而实现检测上述物理量及化学量变化的目的。移相器移相器匹配匹配网络网络SAW振荡器振荡器放大器