文档介绍：声表面波传感器的研究进展

何世堂,王文,李红浪
(中国科学院声学研究所,北京 100080)

1 前言
1885 年, 瑞利(Lord Rayleigh)[1]首先在半无限各向同性固体中发现声表面波(SAW: surface
acoustic wave) 的存在。这种瑞利波具有纵向与剪切分量并与介质耦合在基片表面传播(通常声波能
量集中于在基片表面下 1 个波长范围内),且声波速度比电磁波速度低了大概 5 个数量级。White 和
Vo l t me r [ 2 ] 利用沉积在压电晶体上的叉指换能器(Interdigital Transducer, IDT)有效地激励和检测 SAW,
采用半导体平面工艺可以大批量制造 SAW 器件。这种 SAW 器件自其诞生之日起,就被用于信号处
理技术,包括滤波、延时、脉冲压缩、相关、卷积等功能,广泛应用于雷达、航空航天、广播电视、
通信等领域。SAW 器件实现商用化已经超过 40 年了,而且随着 SAW 技术的发展,各种具有良好特
性的压电基片材料的涌现,各种新型的低损耗器件结构与声波模式(瑞利型 SAW、剪切型 SAW、
BG 波、漏表面波以及 Love 波等等)的产生以及各种器件模拟理论(如等效电路模型以及耦合模理
论模型)的出现均为性能优良的 SAW 器件研制以及开辟应用新领域创造了条件。正是由于声表面波
的本质特点,即声波沿基片表面传播,使得 SAW 对其表面扰动的物理、化学或者其他机械参量相当
敏感,由此有可能制作各种具有高灵敏度的传感器。其基本原理是由于物理或者化学参量以各种不
同机理作用于 SAW 器件表面时,形成对 SAW 传播的扰动从而引起其速度与幅度的变化,通过测量
输出信号(相位、频率或者幅度)的相应改变,即可实现对待测对象的检测。
本文回顾了目前基于 SAW 技术的各种传感器的研究。经过数十年的发展,这些传感器形成了
SAW 技术的另外一个新兴市场,开始广泛应用于自动控制(力矩与轮胎压力控制系统等)、医疗应
用(生物传感器),工业、商业以及军事应用(气体、湿度、温度检测等)。SAW 传感器相对于其他
类型的传感器而言具有其独特优点,即低成本、高灵敏度、良好的稳定性与可靠性,而且借助于无
线读取系统可以实现无线无源检测。
SAW 传感器的类型各种各样,本文从其物理结构出发,将传感器分为两类,一类为有源传感器,
这一类传感器通常采用基于延迟线或者谐振器的有源振荡器作为其传感元,结构简单,输出信号为
频率信号,易于与计算机接口组成自适应适时处理系统。目前化学/气体传感器、生物传感器多采用
这种结构。另外一类为无源无线传感器,这种传感器结合无线读取系统以及无线天线,一般采用单
端对谐振器或者反射型延迟线等无源器件来实现对待测参量的无线检测。目前温度、湿度、压力以
及力矩等物理传感器多采用无线测量方式,具有无源,能在危险环境应用的特点,是未来 SAW 传感
器的一个重要发展方向。本文重点回顾了 SAW 技术在温度、压力、湿度、力矩、气体、角速率以及
生物等方面的应用。另外,对 SAW 传感器的发展趋势作了展望,智能化、便携式、多功能集成式以
及无线检测是未来 SAW 传感器的主要发展趋势。

2 有源声表面波传感器

这一节主要介绍一些采用有源 SAW 振荡器结构作为传感元的 SAW 传感器及在温度、压力、角
速度、气体以及生物检测中的应用,其中 SAW 气体传感器应用最为广泛也最具有应用前景,因此本
节重点介绍 SAW 气体传感器的基本原理、发展现状以及未来发展趋势等。

声表面波温度传感器
SAW传播速度与温度(T)关系为ΔvvTCDTT=⋅0 ⋅−(ref ),其中TCD为延迟温度系数,通常取决
于压电基片材料的晶体结构以及切向,Δv为速度变化,v0为SAW速度,Tref为参考温度。因此,SAW
技术可用于温度的检测。
一些具有较高温度系数的压电基片如铌酸锂、钽酸锂以及La3Ga5SiO4等材料广泛应用于温度传感
器之中。Wohltjen等[3]首先报道了基于SAW延迟线振荡器结构的温度传感器,表现出了良好的灵敏
o o
度(毫度级)与线性特性。随后也陆续有基于 128 YXLiNbO3材料(温度系数为 75ppm/ C)的温度
传感器报道。然而,在温度传感器的实际应用中,传感器易受到外围环境质量负载效应的影响,因
此,在随后的温度传感器研究中,通常采用密封封装技术。近来一种 124MHz 基于ST切割的石英基
片材料所激发的表面掠射体波(SSBW)以其良好的温度系数(32ppm/oC)应用到了温度传感器[4],
其分辨率达