声表面波传感器课件

声表面波波形图
【 概 述 】
声表面波(SAW)理论
叉指换能器(IDT) SAW谐振器 SAW传感器 SAW加速度传感器 SAW气体传感器 SAW压力传感器 SAW流量传感器
【
概
述
】
SAW传感器的四个优点： 1.高精度、高灵敏度，适合于微小量程的测量。 2.结构工艺性好，便于批量生产。 3.体积小，质量小，功耗低，易于集成。 4.与微处理器相连，接口简单。 *为什么说叉指换能器是声表面波传感器的关键部件？ 声表面波谐振器的核心是叉指换能器。基于声表面波 谐振器的频率特性，配上必要的电路和结构，可以实 现敏感许多参数的声表面波传感器。利用SAW谐振器 的频率特性对温度、压力、磁场、电场和某些气体成 分等敏感的规律，设计、研制和开发了十几种声表面 波传感器。
【表面波的基本理论】
声表面波的基本性质： 1.声表面波的反射和模式转换。 在声表面波传播表面上常会发生声阻抗不连续。声表面波与 一般的波动一样，当遇到声阻抗不连续时便会发生反射。 对于瑞利波，由于其质点作椭圆振动，既有横振动又有纵振 动，因此遇到阻抗不连续时，入射波除了以瑞利波形式反射 回来外，还有一部分能量在反射时会转换为体波，这种现象 称为模式转换。 2.波束偏离与衍射效应。 在各向异性固体中，波的相速与群速或 者说相位传播方向与能量传播方向一般 是不一致的，这种现象称为波束偏离。 两者之间的角度Φ称为偏离角度。
【表面波的基本理论】
瑞利波质点运动是一种椭圆的偏振，是相位差为 90° 的纵振动和横振动合成的结果。 在图中不难看出，瑞利波能 量集中在一个约一个波长深 度的表面层内，频率越高， 集中能量的层越薄。
这一特点使声表面波较体波更容易获得高声强，同时该特点也 使基片对声表面波传播的影响很小，因此就声表面波器件本身， 对基片的厚度无严格的要求。 在各向异性晶体材料中，瑞利波基本上保持了上述特点。
声表面波传感器
3.声表面波叉指换能器
【声表面波叉指换能器】
声表面波叉指换能器是一个非常重要的声表面波器件。自从出现了叉指换能器， 才使声表面波技术以及声表面波传感器得到了具有实用价值的飞速发展。到目前 为止，叉指换能器是唯一可实用的声表面波换能器。
3.1叉指换能器的基本结构
如图所示为叉指换能器的基本结构 ，它由若干淀积在压电衬底材料上 的金属膜电极组成，这些电机条互 相交叉放置，两端由汇流条连在一 起，其形状如同交叉平放的两排手 指，故称为均匀(或非色散)叉指换 能器。叉指周期T=2a+2b。两相邻 电极构成一电极对，其相互重叠的 长度为有效指长，即换能器的孔径， 记为W。若换能器的各电极对重叠 长度相等，则叫等孔径（或等指长） 叉概
述
】
声表面波（SAW，Surface Acoustic Wave）是 沿物体表面传播的一种弹性波。 声表面波是英国物理学家瑞利（Rayleigh）在19 世纪80 年代研究地震波的过程中偶尔发现的一种 能量集中于地表面传播的声波。 1965年，美国的怀特（R.M.White）和沃尔特默 （F.W.Voltmer）发表题为“一种新型声表面波 声——电转化器”的论文，取得声表面波技术的 关键性突破，能在压电材料表面激励声表面波的 金属叉指换能器 IDT的发明，大大加速了声表面 波技术的发展，使这门年轻的学科逐步发展成为 一门新兴的、声学和电子学相结合的边缘学科。
【声表面波叉指换能器】
一个叉指换能器IDT，各叉指重叠长度相等，对有N对指的换能器（2N+1根指， 2N个间隔），当考虑到Δ ω / ω 0<<1时，其转移函数为：
-1 π ) sin X - j ( 2 N 2 H ( )=2 NW e X
X =Nπ


一个有两个IDT的SAW器件，分别用于发射和接收，设两个IDT相同，且接收换能 器有M个边缘，则总的输出应为M个边缘输出的叠加，其频率响应简化为：
2 =K
2
电声波传播的坐标系
电声波在这种表面为电自 由的材料中传播时，沿深 度y方向的衰减常数为：
K 2= 1+11
4
1
= 1 ，
2 π

【表面波的基本理论】
瑞利型波： 乐甫波：在声表面波器件中，常见到一种复合结构，即在基片 瑞利型波的出现不受vs`<vs的限制，即 上面覆盖一层薄膜。此时解波动方程需要两个边界条件，一是在 无论薄膜材料的体横波速度大于还是小 膜的自由表面，另一是在膜与基片上面覆盖的分界面。可出现两 于基片材料的体横波速度都能出现瑞利 种波：一是质点作椭圆偏振的瑞利型波；另一是当薄膜材料的体 型波。 横波速度vs`小于基片材料的体横波速度 vs时出现的横表面波，其 当vs`>vs时，只有一种基本模式，不存 质点振动垂直于传播方向 x和表面法线方向y，该波成为乐甫波。 在高次模式，当膜层增厚或频率增高， 瑞利型波波速也逐渐增加，直至与基体 乐甫波是一种色散波，即波速与频率有关。在截至频率附近， 的体波速度相同，这是波的投射速度很 波透入基片中很深，其传播速度接近基体中横波的速度。低频时， 大，类似于体横波。 膜仅相当于对基体的一种微扰。当频率增高时，波速逐渐减小， 当vs`<vs时，则类似于了甫波，除了色 透入基片中深度逐渐减小，即波的能量逐渐集中于薄膜层中。当 散外，还存在高次谐波。 波长比薄膜层厚度小很多时，波基本上集中在薄膜层中，这时波 的传播速度接近于薄膜层材料中的横波速度。 乐甫波与瑞利型波在各向异性的材料中耦合在一起出现。
【声表面波叉指换能器】
（2）时域（脉冲）响应与空间几何图形的对应性
叉指换能器的每对叉指电极的空间位置直接对应于时间波形的取样。在多指对发射、 接收情况下，将一个δ脉冲加到发射换能器上，在接收端收到的信号是到达接收换 能器的声波幅度与相位叠加，能量大小正比于指长。
（3）带宽直接取决于叉指对数。
对于均匀的叉指换能器，即等指宽、等间隔的叉指换能器，带宽可简单地表示为： f f0——中心频率（工作频率），Hz f= 0 N——叉指对数 N 由公式可知，中心频率一定时，带宽只决定于叉指对数。叉指对数越多，换能器带 宽越窄。声表面波期间的带宽具有很大的灵活性，相对带宽可窄到0.1%，可宽到1 倍频程（即100%）。
4
这时的衰减系数为：
d K = 11c44
2
2 15
c = c + 44 44 ，
d
11
2 15
一般晶体材料介电常数远大于1， X为波的传播方向； 故在表面为压电自由晶体中传播 的电声波速度接近于体横波的速 Y为表面法线方向； 度，透入深度远较表面电短路的 Z为电声波的质点振动方向。 电声波深。
【表面波的基本理论】
电声波是一种质点振动垂直 于传播方向和表面法线方向的 横表面波，1968年由Bleustein 和Gulyaev首先发现。
当晶体材料表面短路时，沿x方向 传播的电声波的速度 为:
若材料是电自由的，则沿x 方向传播的速度为：
K4 v =vs 1(1+11 ) 2
v=vs 1-K
1. δ函数模型
叉指换能器截面的电场分布如图a所示。若近 似地认为只有垂直表面的电场才激励SAW， 那么可将电场分布简化为b的形式。这时，认 为电场仅存在于叉指电极的下方，而电极间 无电场分量的作用，且各电极的电场是正负 交替出现的，沿x传播方向的电场分布如图c 所示。电场梯度最大的地方是在电极边缘处 为一系列脉冲，且两两同号相间，如d。这 就是说，将每条叉指的每个边缘看成互相独 立的δ函数声源输出的叠加。
声表面波与一般的波动一样，也存在着衍射现象。衍射会造成 沿垂直于弧矢平面方向上的振幅与相位的变化。
【表面波的基本理论】
3.声表面波的衰减。
（1）波束偏离与衍射效应会引起波束能量改变方向 或发散出去，使接收换能器不能全部截获到发射波束 的能量，因而导致器件插入损耗的增加。 （2）表面波与材料热声子相互作用引起的衰减，这 是材料固有的衰减，也是衰减所能达到的最小极限。 （3）材料表面粗糙引起的表面波散射所产生的衰减， 其大小与材料质量和抛光工艺水平有关，与温度无关。 （4）表面波在传播过程中不断向气体中辐射声波所 引起的衰减。
vl ——纵波速度，m/s; vs ——横波速度，m/s; Es——表面波材料的弹性模量，Pa； S ——表面波材料的泊松比； S ——表面波材料的质量密度，kg/m3
E vs 2 S (1 S )
弹性模量：弹性形变中，正应力和正应变的比值； 泊松比：横向应变与纵向应变之比。
【
表面波的基本理论
声表面波传感器
2.表面波的基本理论
【
表面波的基本理论
】
波的分类： 在无边界各向同性的固体中传播的声波成为体波或体声波。 当固体有界时，由于边界的限制，可出现各种类型的面波，也叫表面波。 对于体波，根据质点的振动方向可将它分为纵波与横波，纵波质点振动平行于 传播方向，横波质点垂直于传播方向：
ES (1 S ) vl S (1 S )(1 2S )
】
在一般各向异性的晶体材料中，质点振动方向与声波传播方向的关系比较复杂。 通常，质点振动方向既不平行也不垂直于波的传播方向，而且质点振动有三个 相互垂直的偏振方式。偏振方向较接近于传播方向的波成为“准纵波”，另外 两个偏振方向较接近垂直于传播方向的波成为“准横波”。这三个波的速度个 异，其中准纵波最快，两个准横波中，速度交快的一个成为“准快横波”，较 慢的一个成为“准慢横波”。这三个波的波前法线方向，即波的相速度方向与 波的能流方向不一致，这种现象叫做“波束分离”。
新型传感技术及应用
声表面波
传感器
声表面波传感器
本章基本内容包括： 声表面波的主要性质、声表面波叉指换 能器、叉指换能器的基本特性、叉指换 能器的基本分析模型、声表面波谐振器 及其特性、SAW加速传感器、SAW压 力传感器、SAW气体传感器、SAW流 量传感器。