声表面波温度传感器及其应用研究与开发
科技成果——智能电网用声表面波温度传感器
科技成果——智能电网用声表面波温度传感器技术开发单位中国电子科技集团公司重庆声光电有限公司技术简介声表面波技术最早应用于雷达、通信以及电子对抗等军用领域。
随着技术的不断发展，该技术逐步扩展到民用领域。
无源无线的声表面波（Surface Acoustic Wave，SAW）温度传感器利用压电材料的声表面波特性，可用在智能电网电缆接头、开关柜触头等位置的温度实时监测，可有效保障电网运行的安全。
该技术属于高电压设备安全在线监测方面一项颠覆性技术，可替代传统的红外线测温、光纤测温技术和RFIC测温技术。
技术指标工作频率：423.92-443.92MHz（fc±20kHz）工作温度：-20到65℃测温范围：-40到150℃测温距离：≤3m（视射频环境而定）测温精度：±1℃通道数量：6通道（可按照用户要求定制，扩展至12通道或更多）天线端口：4个（每个阅读器）天线接口：SMA型发射功率：10dBm（最大）扫频时间：50ms天线切换：300ns功耗：3W（最大）总线接口：RS485、RS232，Smart mesh IP供电要求：直流5V，交流220V固定方式：螺钉紧固技术特点声表面波温度传感器主要技术特点为：无源无线：传感器完全不需电池供电，声表面波传感器与阅读器间无需电缆连接，实现无线测温；电磁兼容性好：通过压电材料自身谐振频率与温度的关系实现温度测量，避免了对电力设备的干扰；维护性好：传感器结构、材质、安装、封装采用高可靠性技术方法，可实现传感器10年免维护；在线实时温度监测：测温速度快（小于50ms），可通过多种有线（Modbus，Profibus等）、无线通讯协议（Zigbee Pro，Smart mesh IP等）实现温度数据的实时上传。
技术水平国内先进可应用领域和范围智能电网，中低压开关柜在线测温。
专利状态已取得专利3项技术状态小批量生产、工程应用阶段合作方式技术转让、合作开发、融资投入需求500万元转化周期半年预期效益该技术属于高电压设备安全在线监测方面一个颠覆性技术，可替代传统的红外线测温。
声表面波温度传感器及其应用研究与开发
声表面波温度传感器及其应用研究与开发声表面波传感器(SAW Sensor)相对于一般的传感器而言具有一系列的优点。
无线无源的声表面波传感器是近年来发展起来的新型传感器，具有优良的性质和广阔的应用前景。
其无线无源的特性也大大拓展了传感器的应用领域，使恶劣环境下的传感监测变得安全可靠。
本课题研究的无线无源声表面波温度传感器主要包含两个方面的内容，一方面研究声表面波温度传感芯片，主要目标是提高芯片的测温精度及可靠性。
同时研究天线，提高信号传输距离。
另一方面研究无线无源温度传感器构成的温度传感系统及其应用，例如如何用于高压变电站高压线路的温度测量，地埋电缆的温度测量等。
本论文研究的重点是测温芯片的设计与制备。
本论文主要介绍声表面波温度传感芯片的基本结构和原理，分析叉指换能器(IDT)理论，分析叉指换能器的理论函数模型，包括函数模型和模态耦合(COM)理论模型等。
论文拟利用窗口函数设计降低旁瓣，提高芯片测温精度。
利用模态耦合理论模型模拟仿真测温芯片。
得到了很好的效果，并依据设计的芯片结构制备了芯片。
本论文编写了声表面波温度传感芯片光刻版图绘制软件，详细说明包括软件的设计思路及其算法实现。
详细介绍软件的操作界面和操作方法，以便将来升级与更新软件。
软件实现了版图绘制功能，能准确快速的将设计的芯片结构绘制成光刻版图，用于后续芯片的加工制备。
本论文利用光刻技术制备测温芯片。
介绍光刻工艺和刻蚀工艺。
芯片制备完成后对芯片进行测试，得出芯片中心频率与设计频率基本相符，旁瓣得到抑制。
并进行了大量的对比测试，如不同加权函数的芯片对比，不同孔径、膜厚的芯片对比，得出海明函数加权优于凯撒函数加权，大孔径芯片优于小孔径芯片等结论。
南开大学科技成果——声表面波传感器及其应用
南开大学科技成果——声表面波传感器及其应用项目简介声表面波（SAW）器件由压电材料、叉指换能器（IDT）和振荡电路构成。
SAW器件已经广泛地应用于通信、雷达、电子对抗、广播电视等民用和军用领域中。
由SAW器件可以构成的多种传感器，其原理是器件周围物理量、化学量和生物量的变化引起SAW器件振荡频率的偏移，通过检测频率的变化来监测加速度、温度、湿度、压力、剪切、弯曲等参量。
SAW传感器具有独特的优点。
与常用的半导体气敏传感器相比，它不受温度影响，灵敏度高，稳定性好；设计结构灵活，对电、热、力、声、光、化学及生物等多种因素敏感；采用SAW技术其输出信号为振荡器频率的变化，无需经过A/D转换，易于与计算机接口；抗干扰能力强，灵敏度高，检测范围线性度好，测量重复性好，适合远距离传输和实现遥测遥控。
其采用集成电路中的平面工艺制作，可实现集成化、智能化，使得SAW传感器体积小、重量轻，携带方便。
更重要的是，SAW传感器件的成本低，能够进行大批量生产，更符合产业化要求。
SAW化学传感器是继半导体传感器和光纤传感器之后的新秀。
SAW化学传感器依据不同的基底材料、不同化学薄膜可以检测SO2、H2、NH3、H2S、NO2、丙酮、甲醇、水蒸气、等多种化学成分。
因此可广泛用于大气环境监测、化工过程控制、汽车排放尾气控制、毒品检测、临床分析等领域。
这种传感器还可以检测破坏人体神经、血液的毒气，包括Sarin（沙林）、Soman（梭曼）、VX、Mustard（芥子气）、Nitrogen Mustard（氮芥）、Hydrogen Cyanide（氰化氢）、Cyanogen Chloride（氯化氰）、Lewisite（刘易士毒气）、有机磷、有机硫等化学战剂。
化学战剂检测问题受到各国高度重视。
化学战剂的检测设备种类繁多，声表面波化学传感器具有独特的优点，更符合实战要求。
市场应用前景近年来，一些国家（美国、荷兰、英国、日本、德国、意大利等）投入了大量的人力和物力开发SO2、NO2、水蒸气、丙酮、甲醇、氢气、硫化氢等SAW化学传感器，已经达到实用化水平。
声表面波传感器的应用
声表面波传感器的应用发布时间：2021-08-06T02:34:49.855Z 来源：《教育学文摘》2021年6月总第374期作者：逄珂李英棣邓海峰张健傅伟[导读] 抗干扰能力强数字化、易批量生产、体积小、重量轻、功耗低等众多优点，应用十分广泛。
91206部队山东青岛266100摘要：声表面波传感器是一种利用声表面波芯片作为传感元件，以声表面波速度或频率的变化来表征被测量的传感器。
它具有灵敏度高，性能稳定等优点，由于声表面波传感器是由压电材料构成，使得这种传感器具有优良的抗高压及电磁辐射能力，其工作环境取决于压电材料和金属膜的耐受程度，选用的材料合适，就可工作于极端环境，本文主要对声表面波传感器的部分实际应用进行综述。
关键词：声表面波传感器应用声表面波简称SAW(Surface Acoustic Wave)是一种沿弹性基体表面传播的声波，任何固体表面都存在这一现象。
某些外界因素(温度、压力、加速度、磁场、电压等)对SAW的传播参数都会造成影响，根据这些影响与外界因素之间的关系，可以研制出测量各种物理、化学参数的SAW传感器，该类传感器具有高精度、高灵敏度、抗干扰能力强数字化、易批量生产、体积小、重量轻、功耗低等众多优点，应用十分广泛。
一、温度传感器应用表面波速度取决于温度，并由用于制造声波传感器的结晶材料的取向和类型决定。
振荡频率由叉指换能器周期和波速决定，当外界温度改变时，其振荡频率也会改变。
df/f=dv/v-dl/l (9)对于普通的晶体材料，温度的变化对材料长度的影响不大，所以温度对速率的影响主要是由声表面波波速随温度变化而引起的。
基于SAW延迟线振荡器的温度传感器具有毫秒级分辨率、良好的线性度和低滞后。
但是，SAW传感器对质量负载非常敏感，因此SAW温度传感器必须密封在密封包装中。
最近，据报道，一个124-MHz ST切割石英SSBW温度传感器的温度系数为32ppm/℃，分辨率为0.22℃。
声表面波温度传感器在电力系统状态监测中的应用
在 电力 系 统 中，发 电厂 的转 子定 子、变 电站 的 高压 开关柜 、 母线接 头 、室外 刀 闸开关 、 电容器 、
电抗器 、高压 电缆 、变压 器等 重要 设备 的异 常 、故
采集方式 红外非接触 光纤传感器 电子传感器 Ｓ Ｗ 传感器 Ａ
观测局限性 只可直视 受空间限制 无局限 无局限
９ｌ 东 ２１第２ ４电 技 ０ 年 １ １ 期
产 品与解决方案
充电容性无功的。可以通过调整 电抗器的数量和级联方 式来调整运行电压、改善电能质量 。电抗器在运行过程 中，往往会因为一些外部环境、 自身结构等原因，导致
电抗器在运行过程中会产生局部温升过 高、过热，并最 终导致电抗器的局部烧坏，甚至报废。所以对 电抗器温 度 的监控十分重要。 目前针对电容器和 电抗器的温度监 测 已经有多种技术手段 ，它们大 多有或 多或 少的局 限 性 。新型的 Ｓ Ｗ 温度传感器在 电容器 、电抗器状态监 Ａ 控 的应用 中，优点突出。无源的特点使探头几乎不受外 界环境的影响，无线式温度信息读取方式使得工程应用 摆脱 了走线的苦恼 。多个测温无源探头可以安装在任何 需要监控 的测温 点，多点组合监控设备 的温度变化 。使 得用户能实时迅速监测 电容器和电抗器 的状态变化，尽 快的发现 问题，排除故障，保证电网的可靠运作。
大型火力、水力、核 能发 电设备的发 电机组的长
期、稳定、安全运行 ，离不开现场对系统的温度 实时 在线监测。图１ 所示发 电设备 中大部分设备 处于高温 、
度升高 １ ￣ ０ Ｃ，电容器的电容量下降速度将加快一倍 ，电
容器长 期处于 高场强和高温下运 行将引起绝缘介质老 化和介质损耗角的增大 ，使电容器 内部温升超过允许值
声表面波传感技术及其在电力测温中的应用
Power Electronics •电力电子Electronic Technology & Software Engineering 电子技术与软件工程• 209【关键词】声表面波 无线无源 测温应用1 引言近些年“坚强智能电网”成为中国电网建设的发展方向。
坚强智能电网最重要的特征之一就是信息化和自动化，实现电力系统状态信息的精确高效采集与传输。
这一发展趋势促进了在线监测技术在电网中的应用，电力生产和输电设施逐步向无人值守方向发展。
在这些新应用技术中，声表面波传感技术成为一个亮点。
本文将首先介绍声表面波传感器的原理，比较与其他传感技术的优缺点，然后结合工程实际讨论如何更好的解决安装问题。
2 声表面波传感器的原理SAW 器件是用半导体集成电路工艺在压电基底材料上淀积和光刻特定形状和尺寸的金属（铝等）膜制成。
压电材料的选取、IDT 和反射栅的指宽、叉指间隔决定了SAW 传感器件的工作频率、品质因数、寄生抑制、插入损耗和敏感系数等参数。
根据器件图形结构和信号特征的不同，SAW 传感器件可以分为延迟线型和谐振型两种，如图2和图3所示。
延迟线型SAW 器件的反射栅分布在距离IDT 不同距离的位置上，不同反射栅由于位置的不同，对声波信号的反射延迟时间有所不同。
反射延迟时间会受到环境因素的影响，依靠检测时延的变化就能够获得环境量的变化，实现传感功能。
反射栅的位置还具有身份码功能，这也就是声表面波射频识别的原理。
谐振型SAW 器件的反射栅密布在IDT 两侧，对声表面波信号构成一个谐振腔，因此其返回信号是一个谐振信号，而谐振频率除了与设计尺寸有关外，也受到环境因素的影响，依靠检测谐振频率的变化就能够获得环境量的变化，实现传感功能。
在SAW 传感器件的IDT 两端接上天线，就可以组成声表面波无线传感器，可以接收和声表面波传感技术及其在电力测温中的应用文/蒋洁青1 陈昱2 洪云来2 叶飞2反射电磁波。
其工作过程是：天线接收到的电信号经IDT 的逆压电效应转换成声表面波，声表面波沿基片传播并被反射栅反射回IDT ，再经IDT 的压电效应转换成电信号，由天线发射出去。
无源无线声表面波温度传感器及应用方案设计
无源无线声表面波温度传感器及应用方案设计随着物联网概念的提出、智能电网的建设和发展，传感器和传感技术的研究也越来越受到人们的重视。
声表面波技术是声学和电子学相互交融的一门新兴的边缘学科。
基于声表面波原理的声表面波传感器，由于具有无源无线、抗干扰能力强、微型化等特点，使其在高温高压、易燃易爆、强电强磁、高速运动等特殊场合的应用，有着无可比拟的优势。
叉指换能器是声表面波器件的核心部件，对声表面波无源无线温度传感器的研究工作主要集中于对叉指换能器性能的改善，即如何提高换能器的Q值增加储能能力、抑制频率响应的旁瓣提高传感器的可靠性等；作为影响传感器性能的重要因素之一，基片材料的选择直接关系到声表面波传感器的灵敏度、测量精度、稳定性等各项性能。
针对以上情况，本论文做了以下一些相关的工作：（1）研究分析了声表面波技术和声表面波温度传感器的发展历史与现状、传感原理和在各领域应用的可能性等。
（2）理论研究了声表面波温度传感器的核心部件—叉指换能器的几何结构对其工作性能的影响，仿真分析了各种加权函数对提高叉指换能器Q值和抑制频率响应旁瓣的作用。
（3）在分析了压电材料的特性参数对声表面波的传播特性的影响的基础上，选取了一种Y切的石英晶体作为本论文中声表面波温度传感器的基片材料。
（4）在理论研究和仿真分析的基础上，设计并制作了基于Hamming函数对叉指换能器的指长进行变迹加权的声表面波温度传感器，利用网络分析仪、温度循环试验箱等仪器测试了传感器的相关性能。
（5）搭建无源无线测温硬件和软件环境，测试了所设计的声表面波温度传感器的工作性能，根据测试结果提出了传感器及其系统在电力系统温度状态检测中应用的可能。
（6）无源无线温度传感器应用方案设计。
结合智能电网温度状态在线监测的需要，以高压开关柜为例，给出了传感器的应用方案设计。
声表面波传感器在高温领域应用的研究进展
声表面波传感器在高温领域应用的研究进展潘小山;杨璐羽;王琴;李功燕【摘要】相比于其他类型的无线传感器,无线声表面波传感器能解决恶劣环境(如高温)下的探测问题.基于目前的声表面波传感器,阐述了声表面波技术的发展、工作模式和原理;结合当前声表面波在高温领域应用的研究状况,详细阐述了声表面波传感器在高温应用领域需要解决的问题以及适用于高温领域的声表面波传感器的材料;对声表面波传感器在高温领域中的应用和发展进行了总结和展望.【期刊名称】《传感器与微系统》【年(卷),期】2018(037)006【总页数】5页(P1-4,7)【关键词】声表面波传感器;高温;材料【作者】潘小山;杨璐羽;王琴;李功燕【作者单位】中国科学院微电子研究所,北京100029;国网辽宁省电力公司电力科学研究院,辽宁沈阳110006;中国科学院微电子研究所,北京100029;中国科学院微电子研究所,北京100029【正文语种】中文【中图分类】TP212.90 引言声表面波(surface acoustic wave,SAW)传感器是一种用声表面波器件作为传感元件，能够将被测的物理量通过声表面波的速度或频率的变化反映出来，最终转换成电信号输出的一种无源无线传感器[1,2]。
声表面波传感器由于能将信号集中于基片表面，且具有高的工作频率和极高的信息敏感精度，因此，能快速地将其敏感的信息转换为电信号输出。
基于声表面波技术的无线传感器能够精确测量大量的物理、化学量，如温度、应力、气体密度等[3]。
经过多年的发展，目前已经形成了包括声表面波压力传感器、声表面波温度传感器、声表面波生物基因传感器、声表面波化学气相传感器以及智能传感器等多种类型[4～6]。
本文主要基于当前声表面波传感器的原理及在高温领域中的研究进展进行全面的讨论：阐述了声表面波传感器的原理；阐述了声表面波传感器的工作模式以及声表面波传感器的材料并给出结论及展望。
1 声表面波传感器原理声表面波器件主要由压电基片、叉指换能器(interdigital transducer,IDT)、声反射栅三部分组成振荡电路，用于接收来自外界的激励信号，并向外发送传感器产生的响应信号[7]。
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3 光刻版图绘制软件设计 3.1 3.2 3.3 软件设计思路 ................................................................................. (29) 软件的具体实现及操作方法........................................................... (35) 本章小结......................................................................................... (38)
Research and development on surface acoustic wave temperature sensor and its application
Candidate : Major :
Wang Keweiqi Photoelectronic Information Prof. Liu Wen
Supervisor :
Huazhong University of Science & Technology Wuhan 430074, P. R. China January, 2012
独创性声明
本人声明 所呈交 的学位 论文是 我个人 在导师 指导下 进行的 研究工 作及取 得的 研究成果。 尽我所 知，除 文中已经 标明引 用的内 容外，本 论文不 包含任 何其他个 人或集体已 经发表 或撰写 过的研究 成果。 对本文 的研究做 出贡献 的个人 和集体， 均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。
II
华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文
目 录
摘 要 .......................................................................................................... I Abstract ....................................................................................................... II 1 概论 1.1 1.2 1.3 声表面波技术简介............................................................................ (1) 项目的背景及意义............................................................................ (2) 本课题研究内容 ............................................................................... (3)
（请在以上方框内打“√” ）
学位论文作者签名： 日期： 年 月 日
指导教师签名： 日期： 年 月
华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文
摘
要
声表面波传感器(SAW Sensor)相对于一般的传感器而言具有一系列的优点。无线无 源的声表面波传感器是近年来发展起来的新型传感器，具有优良的性质和广阔的应用 前景。其无线无源的特性也大大拓展了传感器的应用领域，使恶劣环境下的传感监测 变得安全可靠。 本课题研究的无线无源声表面波温度传感器主要包含两个方面的内容， 一方面研究 声表面波温度传感芯片，主要目标是提高芯片的测温精度及可靠性。同时研究天线， 提高信号传输距离。另一方面研究无线无源温度传感器构成的温度传感系统及其应用， 例如如何用于高压变电站高压线路的温度测量，地埋电缆的温度测量等。本论文研究 的重点是测温芯片的设计与制备。 本论文主要介绍声表面波温度传感芯片的基本结构和原理，分析叉指换能器(IDT) 理论，分析叉指换能器的理论函数模型，包括 函数模型和模态耦合(COM)理论模型 等。论文拟利用窗口函数设计降低旁瓣，提高芯片测温精度。利用模态耦合理论模型 模拟仿真测温芯片。得到了很好的效果，并依据设计的芯片结构制备了芯片。 本论文编写了声表面波温度传感芯片光刻版图绘制软件， 详细说明包括软件的设计 思路及其算法实现。详细介绍软件的操作界面和操作方法，以便将来升级与更新软件。 软件实现了版图绘制功能，能准确快速的将设计的芯片结构绘制成光刻版图，用于后 续芯片的加工制备。 本论文利用光刻技术制备测温芯片。介绍光刻工艺和刻蚀工艺。芯片制备完成后对 芯片进行测试，得出芯片中心频率与设计频率基本相符，旁瓣得到抑制。并进行了大 量的对比测试，如不同加权函数的芯片对比，不同孔径、膜厚的芯片对比，得出海明 函数加权优于凯撒函数加权，大孔径芯片优于小孔径芯片等结论。
关键词：声表面波温度传感器 叉指换能器 光刻
刻蚀
I
华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文
Abstract
Wireless passive surface acoustic wave (SAW) sensor is a new type of sensor developed in recent years, with excellent properties and potential applications. Research of the wireless passive surface acoustic wave sensor consists two parts: one is surface acoustic wave chip for temperature survey, increase the temperature measurement accuracy and reliability. At the same time study the antenna for improve the transmission distance. The other hand, studies the application of wireless passive sensors, such as how high- voltage lines for high- voltage substation temperature measurement, temperature measurement of buried cables and so on. This thesis focuses on the design and fabrication of the surface acoustic wave chip. Describe the basic structure of the surface acoustic wave temperature sensor chip and the Inter digital transducer (IDT) theory. Introduce the Inter digital transducer function model, including the function model and couple mode (COM) theoretical model. Paper intends to use the window function design to reduce the sidelobe, improve chip temperature measurement precision. Using the couple mode theory theoretical model simulation of the chip. The results were very good, and on the basis of the chip structure design was chip. Introduction the software which can make the surface acoustic wave temperature sensor chip lithography territory map, including software and algorithm design ideas, software user interface and detailed method of operation. Software realize the layout drawing function, can accurately draw up the photolithography territory. Preparation of temperature measurement chip using photolithography, introduces the process of photolithography, after the completion of the preparation of this chip, analyze the test results in detail. Key words : Surface acoustic wave Sensor Photo- lithography Etching Inter digital transducer
分类号 学校代码 10487
学号 M200972912 密级
硕士学位论文
声表面波温度传感器及其 应用研究与开发
学位申请人 ：汪可薇琪 学 科 专 业 ：光电信息工程 指 导 教 师 ：刘 文 教授 答 辩 日 期ertation Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Master of Engineering
4 声表面波芯片制备工艺与测试结果 4.1 光刻工艺简介 ................................................................................. (39)