现代传感与技术第8章)
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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。
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Materials
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8.3 SAW问题的基础理论
1. 压电效应及其本构方程
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2. 压电体内的波动方程
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3. 压电介质中的Christofel方程
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。
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。
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
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Concept: IDT
外加电压 吸声材料
（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
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。
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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
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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。
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4. SAW技术应用与器件
目前SAW技术的应用已涉及地震学、天文学、 雷达通讯及广播电视中的信号处理、航空航天、石 油勘探、无损检测、识别定位和传感器等许多学科 领域。随着电子学、声学、微平面工艺的飞速发展， SAW技术的发展也越来越迅速，目前已成为电子、 超声领域最为活跃的学科分支之一。
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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。
1965年，美国的R.M.White和F.M.Voltmov发明 了能在压电材料表面激励声表面波的金属叉指换能 器（IDT），大大加速了声表面波技术的发展，相继 出现了许多各具特色的声表面波器件，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。
2
声表面波特点（相比电磁波）
接收端
接地电极 压电基体
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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。
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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。
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8.3 SAW问题的基础理论
1. 压电效应及其本构方程
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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
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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。
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。
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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。
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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
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Concept: IDT
外加电压 吸声材料
（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。
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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
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。
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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
ciEjklnlnj v2ij Ak ekijnk nj A4 0
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
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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。
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4. SAW技术应用与器件
目前SAW技术的应用已涉及地震学、天文学、 雷达通讯及广播电视中的信号处理、航空航天、石 油勘探、无损检测、识别定位和传感器等许多学科 领域。随着电子学、声学、微平面工艺的飞速发展， SAW技术的发展也越来越迅速，目前已成为电子、 超声领域最为活跃的学科分支之一。
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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。
1965年，美国的R.M.White和F.M.Voltmov发明 了能在压电材料表面激励声表面波的金属叉指换能 器（IDT），大大加速了声表面波技术的发展，相继 出现了许多各具特色的声表面波器件，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。
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声表面波特点（相比电磁波）
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。
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