声表面波传感器PPT

“Justasthepersonalcomputerwasasymbolofthe’80s,andthesymbolofthe’90sistheworldwideweb,thenextlinearshift,isgoingtobetheadventofcheapsensors”----PaulSaffo,Instituteforthefurture声表面波传感器SurfaceAcousticWaveSensors中国科学院声学研究所何世堂2008年8月29日声学及声信息处理高级研讨班南京大学2008.8.25-31主要内容¾声表面波的基本原理¾有源声表面波传感器：－以声表面波器件作为传感元结合相关振荡电子线路的传感器应用，传感器需要相应电源提供¾无源无线声表面波传感器：－以声表面波器件为传感元结合无线应答系统的传感器应用，传感器无需电源¾未来发展趋势123瑞利1885年研究地震波时发现沿固体表面传播能量集中在表面质点同时受压缩和剪切力的作用质点运动轨迹是一个椭圆声表面波（SAW）声表面波（SAW）9具有较低的传播速度，10－5×光速9低成本，利用半导体工艺的光刻技术9高强度，易于设计1885,Rayleigh首次报道声表面波（SAW）的存在1965,White首次采用叉指换能器（IDT）激发SAW1970,首次应用于脉冲压缩雷达系统1985,SAW滤波器开始取代LC滤波器应用于电视中频与VCRs1990,SAW滤波器开始应用于小型化的移动通讯之中以电视中频滤波器为主的各种滤波器与谐振器应用于无线通信及雷达系统的高性能滤波器等无线电子标签以及各种物理、化学传感器1970‘1980‘1990‘目前主要有三种理论模型应用于SAW器件的模拟分析：等效电路模型（ECM）,P矩阵模型（PMM）以及耦合模（COM）假设前提：视各向异性基片与金属结构中的声应力、位移以及动态电势为一单一标量其中，耦合模理论模型对于各种低损耗SAW器件的模拟具有更为快速准确的特点R(x)S(x)I(x)R(x)S(x)I(x)V0V0R(x)S(x)I(x)R(x)S(x)I(x)V0V0P矩阵模型(PMM)等效电路模型(ECM)耦合模理论模型（COM）典型SAW器件理论分析模型用于SAW传感器的典型器件响应9596979899100101102103104105-90-80-70-60-50-40-30-20-10010-500-400-300-200-1000100200300400500S12(dB)Frequency(MHz)Phase(Deg)S11-bS22-r00.511.522.533.54-90-80-70-60-50-40-30-20-100Time(us)S11(dB)390400410420430440450460470480490-50-40-30-20-10010Frequency(MHz)S11(dB)7979.58080.581-60-50-40-30-20-100Frequency(MHz)InsertionLoss(dB)Lgt:1.25drLgt:1.35drLgt:1.45drLgt:1.55dr7979.58080.581-150-100-50050100150Frequency(MHz)Phase(Deg)Lgt:1.25drLgt:1.35drLgt:1.45drLgt:1.55drSAW延迟线的基本结构常用于有源传感器反射型SAW延迟线的基本结构常用于无线无源传感器两端对SAW谐振器的基本结构常用于某种物理（陀螺仪）与化学（气体检测）传感器典型SAW器件研制过程与响应物理（温度、压力等）或者化学（气体、生物等）参量对声波的扰动声表面波（SAW）传感器的基本原理9富有竟争力的价格优势－光刻技术，结构相对比较简单9高灵敏度－声波对表面扰动的快速响应，声波能量集中于基片表面9易于集成化－输出的频率电信号，易于与计算机接口组成自适应的实时系统9良好的可靠性与稳定性9声表面波传播于压电基片表面9通过物理、化学参量对声波传播特性的扰动以此对待测参量进行检测SAW特性SAW传感器优势外围参量对声波衰减、速度的扰动效应Δα/k0,Δv/v0SAW电子标签应用SAWSAW化学（生物）传感化学（生物）传感器（气体、液体环境）器（气体、液体环境）SAWSAW物理传感器，如温物理传感器，如温度度、湿度以及扭矩等应、湿度以及扭矩等应用用声表面波传感器无线传感器无线传感器(TPMS(TPMS、温、温度、以及加速度等应用度、以及加速度等应用压力检测加速度检测温度检测生物传感气体检测气象色谱力矩检测温度检测声表面波有源传感器：温度传感器Δυ＝υ0×TCD（T－Tref）放大器SAW器件放大器SAW器件¾原理：基于SAW传播速度的温度（T）关联关系（如式（1）所示，其中TCD为延迟温度系数，通常取决于压电基片材料的晶体结构以及切向，Δυ速度变化，υ0为SAW速度，Tref为参考温度），SAW技术可用于温度的检测。¾压电基片选取：一些具有较高温度系数的压电基片如铌酸锂，钽酸锂以及La3Ga5SiO4等材料广泛应用于温度传感器之中。¾实例：一种124MHz基于ST切割的石英基片材料所激发的表面掠射体波（SSBW）以其良好的温度系数（32ppm/oC）应用到了温度传感器，其分辨率达到了0.22度。如左图C.Woldetal,“Temperaturemeasurementusingsurfaceskimmingbulkwaves”,inProc.Ultrason.Symp.,Vol.1,1999,pp:441-444声表面波有源传感器：压力传感器频率输出振动膜应用压力基片放大器频率输出振动膜应用压力基片放大器基片Diaphragm频率输出压力传感器温度传感器振动膜应用压力放大器基片Diaphragm频率输出压力传感器温度传感器振动膜应用压力放大器¾基本思想：以SAW器件压电基片如石英等为压力振动膜，由于外加压力引起振动膜弯曲变形及其表面的应力/应变的分布变化导致SAW传播速度发生改变，通过采用以SAW器件为反馈元的振荡器模式，其频率输出信号即与所应用压力呈现良好的线性关系，以此检测应用压力。响应公式：υ＝υ0×(1＋γi×εi),(i＝1，2，3),其中γ为基片材料有关的弹性常数，而ε为施加压力引起的基片表面分布的应变分量，¾基本应用：在某些心脏肺部驱动以及一些生物技术、工艺流程中得到一些较好的应用。¾趋势：然而，目前这种有源压力传感器的应用仍然受到了较大的限制，主要原因是压力传感器的应用多是应用在一些工艺流程控制以及机动车轮胎压力控制之中，由于功耗而引起传感器的使用稳定性以及寿命等问题，因此，近年来借助于SAW电子标签技术，结合一种单端对SAW器件而研制了一种无线SAW压力传感器，在轮胎压力监控系统（TPMS）中得到很好的应用声表面波有源传感器：露点传感器¾基本原理:SAW传感器在具有温度控制的条件下，在任意大气环境中，水汽在其露点温度下冷凝在SAW器件表面，通过某种质量负载效应或者黏滞效应，引起SAW速度变化，从而实现一种有效露点传感器。¾特点及应用：这种SAW露点传感器具有高精度、低成本与良好的稳定性特点，在大气科学、农业、以及微电子、钢铁、纺织、医药、造纸以及食品等工业流程中应用非常广泛。ST-quartzAluminummirrorinputIDToutputIDTdelaypathVetelino等报道了一种采用YZLiNbO3基片的基于50MHz双延迟线振荡器结构的SAW露点传感器：一路延迟线检测凝结物，而另外一个延迟线作为参考用以消除温度以及振动等干扰效应。这种露点传感器能很好的避免一般污染物的影响，相对于光学式传感器0.2oC的分辨率，这种传感器实现了0.025oC的分辨率。•K.Vetelinoetal,“ImproveddewpointmeasurementsbasedonaSAWsensor”,SensorsandActuators,B,Vol.35-36,1996,pp:91-98声表面波有源传感器：湿度传感器¾基本原理：在SAW功能器件（延迟线/谐振器）表面覆盖一层吸水性敏感膜，结合振荡器结构，即可实现一种湿度传感器。其传感机理即敏感膜对水汽的吸附通过质量负载、粘弹性以及电短路效应引起对声波传播的扰动，继而引起SAW器件频率、衰减以及相位的变化，以此来表征湿度的检测¾特点：具有较高的灵敏度、稳定性、可靠性、低成本以及电信号输出易于与IC电路集成等特点¾主要应用：在各种园艺、农业、医药以及过程控制等领域有着广泛应用前景SAW128oYX-LiNbO3聚合物敏感膜polyvinyl-alcohol（PVA）传感机制质量负载效应：敏感膜材料水汽吸附导致其质量发生变化粘弹性效应：聚合物敏感膜水汽的吸附引起其机械模量参数的变化，其应力/应变分布变化进而引起对SAW的扰动电短路效应：由于水汽的吸附，引起电位移的短路M.Penza等报道了一种采用聚合物PVA的湿度传感器，其工作频率为42MHz。具有良好的稳定性。重现性*另外，经过非结晶与多孔渗水处理的SiO2薄膜以及一些纳米薄膜材料也在湿度传感器中得到应用*M.Penza，Surfaceacousticwavehumiditysensorusingpolyvinyl-alcoholfilm，SensorsandActuators761999.162–166温度对传感器灵敏度的影响重复性试验重现性试验声表面波有源传感器：陀螺仪（角速率传感器）¾陀螺仪(所谓角速率传感器):主要应用于角速率的测量¾主要应用:SAW陀螺仪在消费性产品、工业以及医疗产品中有着广阔的应用前景，特别在军用应用方面，如一些智能弹以及新型武器系统的旋转稳定系统.机动车－制导系统－牵引控制IT电子－图像稳定－位置跟踪军用领域－惯性导航系统－自导导弹稳定性陀螺仪陀螺仪的发展:IFOG&RLGMEMSSAWsensor－驻波模式－行波模式MicroSensorRategradeTacticalgradeIFOG=干涉纤维光纤陀螺仪RLG=环形激光陀螺仪MEMS=微机械系统SAW=Surfaceacousticwave10-11101102103105104103BiasStability(Deg/hr)ShockSurvival(g)－音叉－振动模式*K.A.Joseetal,“SurfaceacousticwaveMEMSgyroscope”,WaveMotion,Vol.36,2000,pp.367-381¾基本思想：通过旋转（Ω）对SAW的传播（质点m的垂直旋转方向的速度分量V）形成一种Colriolis力（F）效应（F＝2mV×Ω），结合参考振动模式来实现对角速率的检测。¾优势：SAW陀螺仪则有很强的抗击震动能力，可靠性高，成本低，可不用真空封装而保持较高的灵敏度而成为最有潜力的陀螺仪¾基本类型：包括驻波模式与行波模式两种声表面波有源传感器：陀螺仪¾基于驻波模式的SAW陀螺仪：传感器由一两端谐振器、分布于谐振腔内的金属点阵以及接收传感器组成：两端谐振器作为稳定的参考振动源，由于沿某一方向旋转，形成垂直于速度与旋转方向的Colriolis力，并通过分布于驻波反节点位置的金属点阵同相叠加获得沿y向的SAW，并由传感器接收形成电信号输出，以实现对角速率的有效检测K.A.Jose研制了75MHz的基于Y128oXLiNbO3SAW陀螺仪，其灵敏度达到了2.9μV/o/s*声表面波有源传感器：陀螺仪（驻波模式）AntinodepositionNodeposition*K.A.Joseetal,“SurfaceacousticwaveMEMSgyroscope”,WaveMotion,Vol.36,2000,pp.367-381¾基于驻波模式的SAW陀螺仪存在明显缺陷：输出信号为微伏级的电信号，影响了传感器的精度改善；另外由于采用具有高压电特性的LiNbO3作为器件基片，其较高的温度系数导致了传感器的温度不稳定性，而