第8章声表面波传感技术.ppt

8.1 概述 8.2 声表面波技术的基础知识 SAW SAW的激发 Concept: IDT 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 3. 瑞利波特点 4. SAW技术应用与器件 5. SAW器件材料 Materials 结构型式 SAW传感器信号检测 SAW传感器信号检测 SAW传感器信号检测 SAW传感器的温度补偿 SAW传感器特点 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 Application Examples of SAW technology in Automobile electronic ID Smart Tire Exhaust-gas detection Electronic ID Smart Tire 参考资料 图7-12 正交相位检波原理 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 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 到日前为止，已经研制出的SAW传感 器，归纳起来可分为三大类： 1 物理量传感器： 力(压力、应力)传感器、扭矩传感器、加速度传感器、 角速度传感器（陀螺）、温度传感器、位移传感器、倾斜度传感器、磁场传感器、电压传感器、流量传感器、水声传感器等 2 化学量传感器： 气体传感器、露点传感器、湿度传感器、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。 种类 Vibration and Acceleration SAW Sensor Torque SAW Sensor SAW Gyroscope Flow SAW Sensor Liquid SAW Sensor Gas SAW Sensor Applications of SAW Device in Automobile SO2、H2S、CO、NO2、H2 etc * * ①非色散波，即波速与频率无关；②质点作椭圆偏振（相位差为90的纵振动和横振动的合成），但偏振平面不一定在弧矢平面(即传播方向与表面法线决定的平面) 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。频率愈高，集中能量层愈薄。这一特点使SAW较体波更易获得高声强，同时该特点也使基片背面对SAW传播的影响很小；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.由于SAW能量集中在介质表面，对外界物理参量的扰动非常灵敏，因而SAW传感器具有很高的灵敏度，它可以检测到常规传感器难以检测到的微小变化。如：SAW压力传感器，其精度可达0.01％ ，灵敏度可达0.3×l 0-6／Pa。若传感器的中心频率为300 MHz，检测器能检测出1Hz的频率变化，那么该传感器可反应出1Pa的压力变化。这是非常适用于微压测量的。 SAW温度传感器，理论上分辨率可达10?℃ 2. SAW传感器工作时以频率信号输出，不需经A／D转换便可与计算机接口，因而既便于传输处理，同时也减小了数字化带来的误差 3.声表面波传感器利用半导体制作工艺，可以使集成化技术得到充分应用，容易将信息敏感器件与信息处理功能电路集成在一起，大大减小传感器的体积和重量，做到传感器微型化。同时因为SAW的能量集中在介质表面，因而损耗低，加上SAW传感器电路简单，所以整个传感器的功耗很小。这对于煤矿、油井或其他有防爆要求的场合特别重要 4. SAW器件的工作频率一般在几十MHz到几个GHz，处于射频频段，因而可直接发射，进行遥测。同时利用SAW敏感器件的低损耗和压电基片的机电转换特性及其对电磁波能量的贮存能力，还可以实现声表面波传感器的无源化。这对于运动部件、密闭腔、易燃、易爆、辐射、高温等特殊环境的检测更为有利。1987年美国宾西法尼亚大学电子与材料工程中心首次实现了脉冲雷达测量原理的无线SAW温度传感器。此后90年代初，德国Siemens公司开发的挪威奥斯陆汽车过桥收费系统及德国慕尼黑火车进站定位系统，利用了贴在汽车或火车特定部位的SAW辨识标签，实现了汽车的不停车收费和达厘米级