聲表面波技術(shù)

 

聲表面波是沿物體表面?zhèn)鞑サ囊环N彈性波。早在九十多年前，人們就對(duì)這種波進(jìn)行了研究。1885年，瑞利根據(jù)對(duì)地震波的研究，從理論上闡明了在各向同性固體表面上彈性波的特性。但由于當(dāng)時(shí)的科學(xué)技術(shù)水平所限，這種彈性表面波一直沒(méi)有得到實(shí)際上的應(yīng)用。直到六十年代，由于半導(dǎo)體平面工藝以及激光技術(shù)的發(fā)展，出現(xiàn)了大量人造壓電材料為聲表面波技術(shù)的發(fā)展提供了必要的物質(zhì)和技術(shù)基礎(chǔ)。

 

1949 年，美國(guó)貝爾電話實(shí)驗(yàn)室發(fā)現(xiàn)了LiNbO3單晶。1964 年產(chǎn)發(fā)表了激發(fā)彈性表面波平面結(jié)構(gòu)換鄒器的專(zhuān)利。特別應(yīng)該指出的是，1965年，懷特(R .M.white)和沃爾特默(F.W.voltmer)在應(yīng)用物理雜志上發(fā)表了題為“一種新型表面波聲-電換能器―叉指換能器”的論文，從而取得了聲表面波技術(shù)的關(guān)鍵性突破。

 

1、聲表面波器件的結(jié)構(gòu)和原理

 

聲表面波器件是在壓電基片上制作兩個(gè)聲一電換能器——叉指換能器。所謂叉指換能器，就是在壓電基片表面上形成形狀像兩只手的手指交叉狀的金屬圖案，它的作用是實(shí)現(xiàn)聲一電換能。

 

聲表面波器件的工作原理是，基片左端的換能器(輸入換能器)通過(guò)逆壓電效應(yīng)將愉入的電信號(hào)轉(zhuǎn)變成聲信號(hào)，此聲信號(hào)沿基片表面?zhèn)鞑?，最終由基片右邊的換能器(輸出換能器)將聲信號(hào)轉(zhuǎn)變成電信號(hào)輸出。整個(gè)聲表面波器件的功能是通過(guò)對(duì)在壓電基片上傳播的聲信號(hào)進(jìn)行各種處理，并利用聲一電換能器的待性來(lái)完成的。 

 

2、聲表面波技術(shù)的特點(diǎn)

 

第一，聲表面波具有極低的傳播速度和極短的波長(zhǎng)，它們各自比相應(yīng)的電磁波的傳播速度的波長(zhǎng)小十萬(wàn)倍。在VHF和UHF繩段內(nèi)，電磁波器件的尺寸是與波長(zhǎng)相比擬的。同理，作為電磁器件的聲學(xué)模擬聲表面波器件，它的尺寸也是和信號(hào)的聲波波長(zhǎng)相比擬的。因此，在同一頻段上，聲表面波器件的尺寸比相應(yīng)電磁波器件的尺寸減小了很多，重量也隨之大為減輕。

 

例如，用一公里長(zhǎng)的微波傳愉線所能得到的延遲，只需用傳輸路徑為1。m的聲表面波延遲線即可完成。這表聲表面波技術(shù)能實(shí)現(xiàn)電子器件的超小型化。

 

第二，由于聲表面波系沿固體表面?zhèn)鞑?，加上傳播速度極慢，這使得時(shí)變信號(hào)在給定瞬時(shí)可以完全呈現(xiàn)在晶體基片表面上。于是當(dāng)信號(hào)在器件的輸入和輸出端之間行進(jìn)時(shí)，就容易對(duì)信號(hào)進(jìn)行取樣和變換。這就給聲表面波器件以極大的靈活性，使它能以非常簡(jiǎn)單的方式去.完成其它技術(shù)難以完成或完成起來(lái)過(guò)于繁重的各種功能。

 

比如脈沖信號(hào)的壓縮和展寬，編碼和譯碼以及信號(hào)的相關(guān)和卷積。一個(gè)實(shí)際例子是1976年報(bào)道的一個(gè)長(zhǎng)為一英寸的聲表面波卷積器，它具有使兩個(gè)任意模擬信號(hào)進(jìn)行卷積的功能，而它所適應(yīng)的帶寬可達(dá)100MHz，時(shí)帶寬積可達(dá)一萬(wàn)。這樣一個(gè)卷積器可以代替由幾個(gè)快速傅里葉變換(FFT)鏈作成的數(shù)字卷積器，即實(shí)際上可以代替一臺(tái)專(zhuān)用卷積計(jì)算機(jī)。

 

此外，在很多情況下，聲表面波器件的性能還遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了最好的電磁波器件所能達(dá)到的水平。比如，用聲表面波可以作成時(shí)間-帶寬乘積大于五千的脈沖壓縮濾波器，在UHF頻段內(nèi)可以作成Q 值超過(guò)五萬(wàn)的諧振腔，以及可以作成帶外抑制達(dá)70dB 、頻率達(dá)1 低Hz 的帶通濾波器。

 

第三，由于聲表面波器件是在單晶材料上用半導(dǎo)體平面工藝制作的，所以它具有很好的一致性和重復(fù)性，易于大量生產(chǎn)，而且當(dāng)使用某些單晶材料或復(fù)合材料時(shí)，聲表面波器件具有極高的溫度穩(wěn)定性。 

 

第四，聲表面波器件的抗輻射能力強(qiáng)，動(dòng)態(tài)范圍很大，可達(dá)100dB。這是因?yàn)樗玫氖蔷w表面的彈性波而不涉及電子的遷移過(guò)程。

 

聲表面波傳感器

 

聲表面波(surface acoustic wave ，SAW ) 傳感器是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新型微聲傳感器，是一種用聲表面波器件作為傳感元件，將被測(cè)量的信 息通過(guò)聲表面波器件中聲表面波的速度或頻率的變化反映出來(lái)，并轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出的傳感器。

 

聲表面波傳感器能夠精確測(cè)量物理、化學(xué)等信息 (如溫度 、應(yīng)力 、氣體密度 ) 。由于體積小，聲表面波器件被譽(yù)為開(kāi)創(chuàng)了無(wú)線 、小型傳感器的新 紀(jì)元；同時(shí)，其與集成電路兼容性強(qiáng)，在模擬數(shù)字通信及傳感領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。 

 

聲表面波傳感器能將信號(hào)集中于基片表面、工作頻率高，具有極高的信息敏感精度，能迅速地將檢測(cè)到的信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出，具有實(shí)時(shí)信息檢測(cè)的特性；另外 ，聲表面波傳感器還具有微型化 、集成化 、無(wú)源 、低成本、低功耗、直接頻率信號(hào)輸出等優(yōu)點(diǎn)。 

 

國(guó)內(nèi)目前已經(jīng)形成了包括聲表面波壓力傳感器、聲表面波溫度傳感器 、聲表面波生物基因傳感器、聲表面波化學(xué)氣相傳感器以及智能傳感器等多種類(lèi)型。 

 

聲表面波是一種在固體淺表面進(jìn)行傳播的彈性波，具有多種模式 ，瑞利波是目前應(yīng)用最廣泛的一種聲表面波。不同類(lèi)型的聲表面波具有不同的特性，利用其制成的傳感器可適用于不同場(chǎng)合探測(cè)。

 

1、聲表面波傳感器的結(jié)構(gòu)類(lèi)型

 

聲表面波傳感器的兩種基本構(gòu)型為延遲線型(delay line)和諧振型(resonator) ，圖1所示為延遲線型和諧振型的傳感器結(jié)構(gòu)類(lèi)別 。延遲線 型和諧振型聲表面波傳感器在結(jié)構(gòu)上均由壓電基片、叉指換能器和發(fā)射柵 共同構(gòu)成 。 

 

延遲線型聲表面波傳感器通過(guò)天線接收正弦激勵(lì)信號(hào)，傳遞至叉指換能器 (interdigital transducer，IDT ) ，正弦信號(hào)在壓電基片激勵(lì)出聲表面波，實(shí)現(xiàn)聲波和電信號(hào)的轉(zhuǎn)換。聲表面波在壓電基片上傳播經(jīng)過(guò)一段時(shí)間延遲到達(dá)反射柵 ，反射柵將部分聲波反射回來(lái) ，反射的聲波又通過(guò) IDT轉(zhuǎn)換為正弦激勵(lì)信號(hào) ，從而實(shí)現(xiàn)電聲轉(zhuǎn)換。

 

諧振型聲表面波傳感器將 IDT置于2 個(gè)全反射的反射柵間。激勵(lì)的聲表面波的頻率與諧振器頻率相等時(shí)，聲表面波在反射柵間形成駐波 ，反射柵反射的能量達(dá)到最大。外部激勵(lì)信號(hào)加載在輸入IDT上 ，IDT將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為 聲表面波，聲表面波沿壓電晶體表面向兩邊傳播，經(jīng)兩側(cè)反射柵反射疊加 由輸 出 IDT 輸 出 ，最終實(shí)現(xiàn)聲／電轉(zhuǎn)換 。 

 

 

2、聲表面波傳感器的工作模式

 

聲表面波器件一般使用壓電晶體 (例如石英晶體等 )作為媒介，然后通過(guò)外加一正電壓產(chǎn)生聲波，并通過(guò)襯底進(jìn)行傳播，然后轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出。聲表面波傳感器中起主導(dǎo)作用的主要是壓電效應(yīng)，其設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮多種因素：如相對(duì)尺寸、敏感性 、效率等。一般地，無(wú)線無(wú)源聲表面波傳感器的信號(hào)頻率范圍從40MHz 到幾個(gè)GHz。圖2 所示為聲表面波傳感器常見(jiàn)的結(jié)構(gòu)，主要部分包括壓電襯底、天線、敏感薄膜 、IDT等 。傳感器的敏感層通過(guò)改變聲表面波的速度來(lái)實(shí)現(xiàn)頻率的變化。

 

 

3、聲表面波傳感器工作原理

 

無(wú)線無(wú)源聲表面波系統(tǒng)包：發(fā)射器、接收器、聲表面波器件、通信頻道。發(fā)射器和接收器組合成收發(fā)器或者解讀器的單一模塊。圖3為聲表面波系統(tǒng)及其相互關(guān)聯(lián)的基礎(chǔ)部件。解讀器將功率傳送給聲表面波器件，該功率可以是收發(fā)器輸入的連續(xù)波，脈沖或者啁啾 。一般地，聲表面波器件獲得 的功率大小具有一定限制，以降低最大的發(fā)射功率，從而得到相同平均功率的啁啾 。根據(jù)各向同性的輻射體，接收的信號(hào)一般能通過(guò)高效的輻射功率天線發(fā)射。 

 

 

聲表面波傳感器的應(yīng)用

 

1、聲表面波傳感器在智能變電站中的應(yīng)用

 

為了克服智能變電站溫度檢測(cè)環(huán)境復(fù)雜、非接觸、精度低、成本高等的缺點(diǎn)，中理工學(xué)院的張朋等人開(kāi)發(fā)了一種可應(yīng)用于智能變電站中的無(wú)源無(wú)線聲表面波智能溫度傳感器，并研究了溫度傳感器的檢測(cè)機(jī)理以及傳感器收發(fā)系統(tǒng); 同時(shí)基于開(kāi)發(fā)的無(wú)源無(wú)線聲表面波傳感器構(gòu)建了智能變電站溫度檢測(cè)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該無(wú)源無(wú)線聲表面波溫度傳感器可徹底解決電纜接頭、開(kāi)關(guān)柜、隔離開(kāi)關(guān)等電力設(shè)備測(cè)溫的安裝不方便、強(qiáng)電磁干擾、工作環(huán)境溫度高和信號(hào)傳輸?shù)入y題。

 

2、聲表面波傳感器在電力設(shè)備中的應(yīng)用

 

由于電力設(shè)備是工作在高電壓、強(qiáng)負(fù)荷且長(zhǎng)期不停電狀態(tài)下，對(duì)于測(cè)溫裝置的要求自然更高。運(yùn)行中高壓電力設(shè)備周?chē)植加袕?qiáng)電場(chǎng)，其溫度檢測(cè)傳感器必須具備無(wú)源或者自取能功能，才能保證電力設(shè)備的安全性。另外，電力設(shè)備間要求保持特定安全距離，故檢測(cè)裝置體積應(yīng)盡可能小。對(duì)于各種型號(hào)的電力設(shè)備均適應(yīng)安裝，以及設(shè)備維護(hù)周期應(yīng)盡量長(zhǎng)，以保障電力設(shè)備長(zhǎng)期不斷電運(yùn)行。研究人員研究了射頻能量收集技術(shù)在監(jiān)控電力系統(tǒng)溫度變化的可能性，同時(shí)還開(kāi)發(fā)了一種基于射頻能源動(dòng)力的聲表面波溫度傳感器。該系統(tǒng)主要由一個(gè)雙通道的閱讀器和許多傳感器節(jié)點(diǎn)組成，傳感器的節(jié)點(diǎn)通過(guò)從閱讀器輸送的能量中獲得能量，而傳輸?shù)纳漕l能量作為打開(kāi)傳感器從而避免數(shù)據(jù)沖突的喚醒信息。根據(jù)作者的分析，射頻能量收集技術(shù)是一種非常適用于電力設(shè)備的聲表面波傳感器技術(shù)。

 

3、聲表面波傳感器在列車(chē)中的應(yīng)用

 

列車(chē)運(yùn)行速度快導(dǎo)致?tīng)恳β试龃?，增加了?chē)輪與鐵軌間的摩擦沖擊、車(chē)軸的振動(dòng)幅度和動(dòng)力效應(yīng)。隨著列車(chē)車(chē)軸的磨損，車(chē)軸會(huì)增加發(fā)熱量，增大振動(dòng)幅度，從而加速車(chē)軸缺陷的擴(kuò)張，影響列車(chē)正常運(yùn)行。一般通過(guò)對(duì)車(chē)軸軸溫和振動(dòng)的監(jiān)測(cè)直觀反映列車(chē)車(chē)軸的運(yùn)行狀況，聲表面波溫度傳感器是一種可以反映列車(chē)車(chē)軸狀態(tài)的檢測(cè)裝置。一般地，聲表面波溫度傳感器檢測(cè)系統(tǒng)主要由3 部分組成：聲表面波溫度傳感芯片、信號(hào)讀寫(xiě)器及無(wú)線中繼、后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)。由于聲表面波溫度傳感芯片為無(wú)源無(wú)線，因此，需要額外供電。聲表面波溫度傳感器可以安裝于需要測(cè)溫的列車(chē)車(chē)軸上，準(zhǔn)確地跟蹤發(fā)熱點(diǎn)的溫度變化。聲表面波溫度傳感器應(yīng)用于列車(chē)的優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在：其測(cè)溫芯片可以通過(guò)天線和信號(hào)讀寫(xiě)器進(jìn)行無(wú)線通信，每個(gè)信號(hào)讀寫(xiě)裝置對(duì)應(yīng)多個(gè)探測(cè)點(diǎn)，即插即用，便于擴(kuò)大規(guī)模和系統(tǒng)升級(jí); 信號(hào)讀寫(xiě)器將溫度信號(hào)處理成數(shù)字信號(hào)通過(guò)光纖傳輸至后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離無(wú)中繼傳輸; 后臺(tái)監(jiān)控器采用時(shí)分復(fù)用或頻分復(fù)用等方式同時(shí)控制1 —— 100 個(gè)信號(hào)讀寫(xiě)器，而每個(gè)信號(hào)讀寫(xiě)器可同時(shí)對(duì)應(yīng)多個(gè)聲表面溫度傳感器。

 

4、聲表面波傳感器及其在濕度檢測(cè)中的應(yīng)用

 

濕度檢測(cè)在倉(cāng)儲(chǔ)、糧食及食品防霉、溫室種植、環(huán)境監(jiān)測(cè)、儀表電器、交通運(yùn)輸、氣象、軍事等方面均起著越來(lái)越重要的作用。由于在常規(guī)的環(huán)境中，濕度是一個(gè)很難準(zhǔn)確測(cè)量的參數(shù)。因此，濕度測(cè)量需要具有高靈敏度、快速響應(yīng)速

 

度高等性能。浙江大學(xué)的課題組通過(guò)對(duì)聲表面波傳感器擾動(dòng)理論模型及其質(zhì)量負(fù)載效應(yīng)、聲電禍合效應(yīng)等響應(yīng)機(jī)理進(jìn)行了深入剖析，從根本上為聲表面波傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、濕敏材料選擇提供了理論依據(jù)和參考。同時(shí)，還使用精密光刻工藝制備出了高頻聲表面波單端諧振器作為濕敏傳感器的基本換能元件，并開(kāi)發(fā)了具有高性能的聲表面波高頻振蕩電路及整套的檢測(cè)系統(tǒng)以及提出了新型的叉指電極串聯(lián)式聲表面波傳感器結(jié)構(gòu)，為高頻聲表面波傳感器的設(shè)計(jì)提供了新的思路，滿足了其在濕度檢測(cè)中的應(yīng)用。

 

5、聲表面波傳感器在復(fù)雜多變環(huán)境中的應(yīng)用

 

長(zhǎng)期以來(lái)，傳統(tǒng)的溫度傳感器存在許多無(wú)法克服的缺陷，不能滿足實(shí)際多變的測(cè)量需求。浙江大學(xué)的課題組以YZ 切鈮酸鋰（ LiNbO3 ） ，128°YX 切LiNbO3，ST 切石英和YX 切石英4 種不同壓電敏感材料為基底，設(shè)計(jì)和制作了單端口諧振型聲表面波溫度傳感器。研究結(jié)果表明：LiNbO3 聲表面波溫度傳感器較石英傳感器具有較大的頻率溫度系數(shù); 在0 — 80 ℃ 范圍內(nèi)，YZ 切LiNbO3，128°YX切LiNbO3 和YX 切石英較ST 切石英的溫度傳感器具有線性的溫度頻率特性; 石英聲表面波溫度傳感器較LiNbO3 傳感器具有較大的品質(zhì)因數(shù)和較強(qiáng)的回波信號(hào);在相同的測(cè)試條件下，當(dāng)無(wú)線傳輸距離小于10 cm 時(shí)，YZ切LiNbO3 溫度傳感器的測(cè)量精度較高; 當(dāng)距離超過(guò)10 cm后，YX 切石英傳感器具有較高的測(cè)量精度。該研究結(jié)果對(duì)于單端口諧振型聲表面波溫度傳感器的設(shè)計(jì)和制作具有普遍的意義，為制備在復(fù)雜多變環(huán)境中的聲表面波傳感器提供了重要的指導(dǎo)作用。

 

為了適應(yīng)未來(lái)多變的環(huán)境、快速以及智能化的生活模式，未來(lái)聲表面波傳感器應(yīng)向微型化、靈活化、智能化以及高精度高可靠性等方向發(fā)展。具體的研究如：1） 新型器件敏感材料的開(kāi)發(fā)和制備，提高聲表面波傳感器的性能及可靠性; 2） 加強(qiáng)聲表面波傳感器的理論設(shè)計(jì)，為聲表面波傳感器的智能化、微型化提供有力的理論指導(dǎo); 3） 發(fā)展聲表面波傳感器的集成工藝，使聲表面波傳感器可與多種設(shè)備互相兼容。