声表面波传感技术概述
声表面波简介
声表面波简介声表面波技术是六十年代末期才发展起来的一门新兴科学技术，它是声学和电子学相结合的一门边缘学科。
由于声表面波的传播速度比电磁波慢十万倍，而且在它的传播路径上容易取样和进行处理，因此，用声表面波去模拟电子学的各种功能，能使电子器件实现超小型化和多功能化。
同时，由于声表面波器件在甚高频和超高频波段内以十分简单的方式提供了其它方法不易得到的信号处理功能，因此，声表面波技术在雷达、通信和电子对抗中得到了广泛的应用。
声表面波是沿物体表面传播的一种弹性波。
早在九十多年前，人们就对这种波进行了研究。
1885 年，瑞利根据对地震波的研究，从理论上阐明了在各向同性固体表面上弹性波的特性。
但由于当时的科学技术水平所限，这种弹性表面波一直没有得到实际上的应用。
直到六十年代，由于半导体平面工艺以及激光技术的发展，出现了大量人造压电材料为声表面波技术的发展提供了必要的物质和技术基础。
1949 年，美国贝尔电话实验室发现了LiNbO3单晶。
1964 年产发表了激发弹性表面波平面结构换邹器的专利。
特别应该指出的是，1965 年，怀特（R . M.white）和沃尔特默（F.W.voltmer ）在应用物理杂志上发表了题为“一种新型表面波声－电换能器― 叉指换能器”的论文，从而取得了声表面波技术的关键性突破。
声表面波器件的基本结构和工作原理声表面波器件是在压电基片上制作两个声一电换能器―叉指换能器。
所谓叉指换能器，就是在压电基片表面上形成形状像两只手的手指交叉状的金属图案，它的作用是实现声一电换能。
声表面波器件的工作原理是，基片左端的换能器（输入换能器）通过逆压电效应将愉入的电信号转变成声信号，此声信号沿基片表面传播，最终由基片右边的换能器（输出换能器）将声信号转变成电信号输出。
整个声表面波器件的功能是通过对在压电基片上传播的声信号进行各种处理，并利用声一电换能器的待性来完成的。
声表面波技术有如下的特点：第一，声表面波具有极低的传播速度和极短的波长，它们各自比相应的电磁波的传播速度的波长小十万倍。
声波传感器的工作原理
声波传感器的工作原理声波传感器是一种使用声波作为探测媒介的传感器，它的工作原理是基于声波的传播和回波接收原理。
声波传感器将声波发送到目标物体或媒介中，通过接收回波来确定目标物体的位置、距离、形态等信息。
下面将详细介绍声波传感器的工作原理。
声波传感器分为发射器和接收器两个部分。
发射器通过震动元件（例如压电晶体）产生高频声波，然后将声波传播到目标物体或传感器要监测的媒介中。
接收器则用于接收回波信号，并将其转换为电信号。
当发射器将声波传播到媒介中时，声波会因媒介的阻抗和密度差异而出现反射、折射、散射等现象。
当声波遇到目标物体时，一部分声波会被目标物体吸收、散射或反射。
这些散射或反射的声波会在媒介中形成回波，并通过传回给接收器。
接收器接收到回波信号后，通过接收元件（例如压电晶体）将回波声波转换为电信号。
接收元件的震动会受到回波信号的影响，进而在电极上产生微小的电压变化。
这个电压变化信号经过放大、滤波等处理后，最终转换为数字信号，供后续处理和分析。
声波传感器需要进行声速校准，因为声波在不同的媒介中传播速度不同。
校准的目的是根据声波在特定媒介中的传播速度来计算目标物体的真实距离。
声波传感器通常会将发射和接受的时间差（也称为时间延迟）转换为距离。
在进行测距时，声波传感器发射声波信号后，开始计时，待接收到回波信号后，记录下时间。
通过测量发射和接收时间差以及声波在媒介中的传播速度，可以计算出目标物体与传感器的距离。
这种测距原理被称为时间差法测距。
声波传感器还可以用来检测目标物体的形态和位置。
通过分析回波信号的幅度、频率、相位等参数，可以判断出目标物体的形态特征。
例如，当回波信号的幅度越大，说明目标物体越大或越靠近传感器。
频率信息可以用于鉴别目标物体的种类，因为不同物体会对声波产生不同频率的响应。
总之，声波传感器通过发射和接收声波来获取目标物体的位置、距离、形态等信息。
其工作原理是利用声波在媒介中的传播和回波特性，通过时间差法测距以及分析回波信号的特征参数来实现对目标物体的探测和检测。
声音传感器工作原理
声音传感器工作原理
声音传感器是一种可以检测声波信号并将其转化为电信号的设备。
其工作原理可简述如下：
1. 振动膜片：声音传感器内部通常内置着一个振动膜片，其可以随声音波动而产生微小的振动。
2. 振动转化：当声波进入声音传感器时，会导致振动膜片不断震动。
这里面的机制可以是通过声波作用于振动膜片表面的压力差异引起的。
3. 电信号转换：振动膜片的震动将会导致传感器内部的电极受到压电效应的影响而产生电荷分布不均。
这样，就形成了一个微弱的电场。
4. 电信号输出：传感器通过引出与电极相连的导线，将这个微弱的电场转换为电信号输出。
这个电信号可以通过放大电路进一步处理，以便进行分析或记录。
总的来说，声音传感器工作原理是通过将声波信号转化为电信号来实现声音的检测和测量。
这个过程涉及到声波的传导、振动膜片的震动、电荷的分布和电信号的转换等多个步骤。
通过分析这些电信号，我们可以得到关于声音信号的各种信息。
声表面波传感器的工作原理
声表面波传感器的工作原理发布时间：2021-09-16T02:31:42.791Z 来源：《教育学》2021年6月总第253期作者：逄珂李英棣邓海峰吴一丁少娜[导读] 会改变声传播速度等特性，通过检测声速变化量，可以表征待测参量的大小。
91206部队山东青岛266100摘要：如今，传感器在我们生活中发挥着非常重要的作用，如移动设备采用环境光传感器来优化显示，同时利用加速度传感器实现高水平的交互性；汽车采用了接近传感器来避免事故。
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。
本文主要对声表面波传感器的工作原理及模式进行了阐述。
关键词：声表面波传感器原理声表面波传感器是一种对生物、物理、化学等物质量进行检测的新型传感器，它利用IDT和晶体的压电效应激发声表面波，使其以一定的声波速在输入输出换能器之间的压电基片表面传播，如果在声波传播路径上施加如压力、温度等被测参量时，会改变声传播速度等特性，通过检测声速变化量，可以表征待测参量的大小。
一、声表面波传感器的定义表面声波(Surface Acoustic Wave,SAW)首先由Rayleigh勋爵解释，他描述了压电材料中声波传播的表面模式。
后来，White和V oltmer通过使用叉指式换能器(IDT)发现了一种产生表面声波的简便方法，从此，SAW器件因其各种优点在许多领域发挥了重要作用。
声表面波传感器是一种对生物、物理、化学等物质量进行检测的新型传感器，其原理是由于物理量变化，声表面波振荡器频率也发生变化。
就现在传感器元件的发展，可以制作成研究气体、压力、温度等参数的传感器。
它通过监测声波在毫米大小的压电基板上的调制来工作，小尺寸的声表面波传感器允许它们对环境参数的变化做出快速反应。
此外，频率调制的使用使它们能够进行精确的测量，这在很大程度上不受信号衰减的影响。
二、声表面波传感器的结构类型SAW传感器的类型各种各样，按其供电方式可以分为有源传感器和无线无源传感器两种。
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SAW
声表面波（SAW）传感是一种新型的检测技术2008-06-16 23:31:52摘要：声表面波（SAW）传感是一种新型的检测技术。
近几十年来，人们对SAW基本性质的认识越来越深入，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。
声表面波技术的应用已涉及到许多学科领域，如地震学、天文学、雷达通信及广播电视中的信号处理、航空航天、石油勘探和无损检测等等。
随着微电子技术、集成电路技术、计算机技术和材料、微细加工技术的迅速发展，声表面波传感器的研究也应运而生，具有一个十分巨大的发展空间和应用前景。
本文讨论了把传感器、DSP、对测量值进行评估的智能器件集成在一起的完整系统。
关键词：声表面波；传感器；FPGA；DSP1. 引言在现代信息社会中，目标辨识已经得到了广泛的应用。
例如超市中货物的识别、图书馆中书刊的识别、银行磁卡等都是目标识别系统应用的实例。
尤其是近年来，自动识别方法在许多服务领域、在货物销售与后勤分配方面、在商业部门、在生产企业和材料流通领域、在智能交通管理等方面得到了快速的普及和推广。
在几年前，条形码——纸带在识别系统领域引起了一场革命并得到了广泛的认同与应用。
但是随着现代社会的发展，这种技术在越来越多的情况下不能满足人们的需求了。
条形码虽然便宜，但它的不足之处在于存储能力小以及不能改写。
目前，另一种广泛使用的技术是接触式IC卡（电话IC卡、银行卡），它是将数据存储在一块硅芯片里。
然而，在许多情况下，机械触点的接通是不可靠的。
特别是对于运动目标或不可触及的目标更显得无能为力。
于是研究更好的目标识别技术尤其是非接触识别技术，有了它深刻的现实意义。
近年来，非接触识别已经逐步发展成为一个独立的跨学科的专业领域。
这个专业领域与任何传统学科都不相同。
它将大量来自完全不同专业领域的技术综合到一起：如高频技术、电磁兼容性、半导体技术、数据保护和密码学、电信、制造技术和许多专业应用领域。
{技术管理套表}声表面波技术
Electronic ID
8.2 声表面波技术的基础知识
1. 什么是声表面波
SAW泛指沿表面或界面传播的各种模式的波
机械波
在表面传播，能量 集中在厚度不超过 1个波长的表层
SAW
SAW的激发
1. 基于压电材料的压电效应与逆压电效应
电能
机械能
电能
2. 波在不连续介质处的反射
Concept: IDT
外加电压 吸声材料
接收端
接地电极 压电基体
SAW的描述 ❖ 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，因此描述 声波的变量还要有电势，一共四个 量。
2. 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 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 (Rayleigh waves)、漏波(Leaky SAW)、广义瑞利波 （Generalized Rayleigh waves）、水平剪切波(SHSAW)、电声波(B-G waves)、兰姆波(Lamb waves) 等。
8.4 声表面波传感器技术
工作原理：
利用外界物 理量（如温度、 压力等）的变化 引起声表面波的 传播特性发生变 化的原理来敏感 被测量。
结构型式
SAW传感器一般采用振荡器电路形式，其中SAW振 荡器是传感器的核心。SAW传感器的基本工作原理就是 利用了SAW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 率的变化，从而实现检测上述物理量及化学量变化的目的。
在层状结构的基片存在有乐甫波(Love waves)、 西沙瓦波(Sezawa waves)、斯东莱波（Stoneley waves）等。
声表面波传感器产品简介(温度传感器)
112 mm x 81 mm x 36mm 配备卡槽，固定于 35mm 导轨上 约 2m（取决于读取器发射功率，可调）
432 MHz ~444MHz RS485
AC 85 ~265V,50 ~60HZ
DC 5V,1A 95mm x95mm x113mm 嵌入式，开孔尺寸：92mm x92mm(±0.5mm)
江苏声立传感技术有限公司
江苏声立传感技术有限公司
SAW 无源无线温度监测系统
系统概述
电力系统中，各类设备的开断接触点可能因为松动、老化、电弧冲击等原因造成接触电 阻增大。这会使触点的温度不断上升，给电网安全带来隐患。如果不及时发现，容易引起起 火爆炸、大面积停电、人员伤亡等灾难事故，直接和间接经济损失巨大。因此，对电力设备 的温度进行在线监测并及时排除隐患，越来越得到行业的认可和重视。
公司开发成功的无源无线温度传感系统采用了声表面波传感技术。其传感器具有完全无 源、可无线读取的优点，尤其适合电力、化工、采矿、冶金等特殊环境。该产品从声表面波 温敏器件、无线读取器到信号处理软件都具有完全自主知识产权，填补了国内空白，可替代 进口同类产品。目前该产品已经通过了中国电力科学研究院的检测认证，并开始在电力行业 推广应用。 地址：南通市崇川路 58 号南通产业技术研究院 3 号楼 8 楼 806 室 电话：0513—55080001 13552700090 18210365488 技术支持：0513—55080012 传真：0513—55080012
安装方式 无线传输距离 无线频率范围
下行接口 电源输入 电源输出 外形尺寸 安装方式 下行接口 上行接口 电源输入
功耗 外形尺寸 安装方式 数据存储
工作环境
安全性能 产品认证
接触式测温
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无源遥测是SAW传感器的
一大优势，从结构上看，
IDT
反射栅
无线SAW传感器也可分为
延迟型和谐振型两种，但
工作原理不同于一般的
SAW传感器，以延迟型为
天线
压电基片
吸声材料
例，传感器由压电基片、叉指换能器、反射栅及读写器
（高频激励∕接收装置）组成。工作时读写器发射出脉冲激
励信号，由敏感基片的天线接收无线信号，并通过IDT将电
图7-12 正交相位检波原理
31
SAW传感器的温度补偿 一 选择零温度系数切型 二 差动法 三 数字补偿法 四 浮动零点法
32
SAW传感器特点
１）高精度，高灵敏度； ２）准数字输出 ； ３）微型化，低功耗； ４）便于实现无线、无源化 ； ５）多参数敏感性，抗干扰能力强； 6） 结构工艺性好，便于大批量生产
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，
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GHz频段到10GHz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
来越重要的作用。
4
用SAW器件研制、开发新型传感器始于20世纪 80年代，起初，人们发现外界因素(如温度、压力、 磁场、电场、某种气体等)对声表面波传播特性会 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 量各种化学的、物理的、生物的被测参数。
5
尽管SAW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、 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SAW传感器的开 发研究极为关注。从80年代至90年代，SAW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 型的SAW传感器。近十几年来，SAW技术、电子技术 和微平面工艺的不断发展，使SAW振荡器的频率不断提 高，器件和电路Q值不断增大，这为SAW传感器的发展 提供了良好契机。
放大器
移相器
匹配 网络
SAW振荡器
匹配 网络
声表面波振荡电路
Schematic of SAW oscillator circuit
22
SAW振荡器通常有延迟型（SAWD）和 谐振型（SAWR）两种结构 .
SAWD由两个叉指换能器（IDT）的中心 距决定相位反馈，由IDT的选频作用和反馈放 大器产生固定频率的振荡。其振荡频率为：
传感器、微质量传感器(微量天平)等；
3 生物传感器： 酶传感器、免疫传感器、液体识别
传感器、离子识别传感器等。
34
8.5 声表面波传感器的应用
Vibration and Acceleration SAW Sensor Torque SAW Sensor Flow SAW Sensor SAW Gyroscope Liquid SAW Sensor Gas SAW Sensor Applications of SAW Device in Automobile
接收端
接地电极 压电基体
10
SAW的描述
❖ 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 此描述声波的变量还要有电势，一共四个量。
i 31l 3i1 31m 3 k 3 1 1 ciE lk 3 lm 1eik xli2 x xl2 m ix k l i 31im 31 3 1m e3 m 1ikism x i2 x ix2 m xm 02t2k
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第8章 声表面波传感技术
➢8.1 概述 ➢8.2 声表面波技术基础知识 ➢8.3 研究声表面波的基础理论 ➢8.4 声表面波传感器技术 ➢8.5 典型声表面波传感器及应用
1
8.1 概述
声表面波（SAW）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19世纪80 年代在研究地震波过程中偶然发现的。
2l 2L
vc
在遥测时，读写器与敏感基片之间距离的变化也会引起传 播时间的变化，为解决这一问题，在基片上设置多个反射 栅，反射栅之间的时延只反映器件本身的状态，而不受读 写器与敏感基片之间距离的影响。在实际测量中，由于时 延值非常小，常采用测量相位的方法来代替对时延的测量
27
如果相应位置上的反射栅被布置或抽取，则该 位置上的脉冲可表示编码“1”或“0”，相同结构的 器件就变成了用于目标辨识的SAW标签（IDTag）。虽然目前SAW辨识标签没有随时改写的功 能，但与其它类型的辨识标签相比，具有误码率低、 读取时间快、作用距离远、不受光遮盖和读取方向 影响、可在金属液体表面读取等优点，因而SAW 标签是对IC射频标签的一个有力补充。
6
8.2 声表面波技术的基础知识
1. 什么是声表面波
SAW泛指沿表面或界面传播的各种模式的波
机械波
在表面传播，能量 集中在厚度不超过 1个波长的表层
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SAW
8
SAW的激发
1. 基于压电材料的压电效应与逆压电效应
电能
机械能
电能
2. 波在不连续介质处的反射
9
Concept: IDT
外加电压 吸声材料
磁信号转换为声表面波。声表面波经过一段延迟后由反射
栅反射回来，再通过IDT将信号转换为电磁波信号，并经天
线发射出去，再由读写器接收处理。
26Biblioteka 脉冲信号从发射到接收的返回时间主要由读写 器与IDT天线的距离、IDT与反射栅之间的距离以 及声表面波波速来决定，即脉冲信号从读写器发射 到回收的传播时间为：
5. SAW器件材料
SAW器件的特性在很大程度上是由压电基片材 料决定的，一般描述SAW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 因子、插入与传播损耗、密度、弹性模量与杨氏模 量等。
15
目前使用的SAW基片材料主要有： 压电单晶：石英（SiO2）、铌酸锂(LiNbO3)、钽酸锂 （LiTaO3）、铌酸钾（KNbO3）等，重复性好、可靠性高、 传播损耗小 ，一般它们是各向异性材料 ，难以同时满足机电 耦合系数高，而温度系数又要小的要求； 压电陶瓷：机电耦合系数最大 ，一致性差 ，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 宜作低频器件。 压电薄膜：如ZnO ，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，使声表面波信号处理器件或传感器与外围电路集成化
是决定振荡器频率稳定性的重要参数之一，因此这种高
Q值谐振器结构可以进一步提高SAW传感器灵敏度和分
辨率。
24
任何量只要能引起 v 、 l 或 l P 发生变化，就会
使SAW振荡器的振荡频率发生变化。通过振荡 电路检测出振荡频率的变化就可以建立起频率 偏移与待测量之间的关系。
若在两又指电极或反射栅之间徐覆一层对 某种气体或湿度敏感的材料就可制成SAW气体 或湿度传感器。
在层状结构的基片存在有乐甫波(Love waves)、
西沙瓦波(Sezawa waves)、斯东莱波（Stoneley
waves）等。
12
3. 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 波，SAW技术中所应用的绝大部分是瑞利波，它具有特点： ①非色散波，即波速与频率无关； ②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； ③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1~2个波长的深度范围内； ④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。
（1）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； （3）晶体表面传播的弹性波，不涉及晶体内 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 复性和一致性好，易于大批量生产。
3
声表面波器件
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
11
2. 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 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 (Rayleigh waves)、漏波(Leaky SAW)、广义瑞利波 （Generalized Rayleigh waves）、水平剪切波(SHSAW)、电声波(B-G waves)、兰姆波(Lamb waves) 等。
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8.4 声表面波传感器技术
工作原理：
利用外界物 理量（如温度、 压力等）的变化 引起声表面波的 传播特性发生变 化的原理来敏感 被测量。
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结构型式
SAW传感器一般采用振荡器电路形式，其中SAW振 荡器是传感器的核心。SAW传感器的基本工作原理就是利 用了SAW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 变化，从而实现检测上述物理量及化学量变化的目的。
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SAW传感器信号检测
SAW振荡器1
压
力 信
混 频
号
SAW振荡器2
低 通
放
滤
大
波
器
器
被测量环境温度
频
微
率
处 输出
测
理
量
器
图7-10 SAW传感器信号检测与处理电路 框图
29
SAW传感器信号检测
混频器
限幅输出
LNA
带通
中频
对数
放
天线
滤波
滤波
放大
大
RSSI
收发 开关
射聘 418MHz 本振