聲表面波傳感器的原理及應用綜述*

潘小山, 劉芮彤, 王 琴, 李功燕

(1.中國科學院 微電子研究所，北京 朝陽 100029；2.國網遼寧省電力有限公司 電力科學研究院，遼寧 沈陽 110006)

0 引 言

聲表面波(surface acoustic wave,SAW)傳感器是近年來發展起來的一種新型微聲傳感器[1～8],是一種用聲表面波器件作為傳感元件，將被測量的信息通過聲表面波器件中聲表面波的速度或頻率的變化反映出來，并轉換成電信號輸出的傳感器[9]。聲表面波傳感器能夠精確測量物理、化學等信息(如溫度、應力、氣體密度)。由于體積小，聲表面波器件被譽為開創了無線、小型傳感器的新紀元；同時，其與集成電路兼容性強，在模擬數字通信及傳感領域獲得了廣泛的應用。聲表面波傳感器能將信號集中于基片表面、工作頻率高，具有極高的信息敏感精度，能迅速地將檢測到的信息轉換為電信號輸出，具有實時信息檢測的特性；另外，聲表面波傳感器還具有微型化、集成化、無源、低成本、低功耗、直接頻率信號輸出等優點。國內目前已經形成了包括聲表面波壓力傳感器、聲表面波溫度傳感器、聲表面波生物基因傳感器、聲表面波化學氣相傳感器以及智能傳感器等多種類型[10～13]。

本文主要基于目前發展的聲表面波傳感器的原理及應用進行全面綜述，包括聲表面波傳感器的工作原理，聲表面波傳感器的應用及展望。

1 聲表面波傳感器的工作原理

1.1 聲表面波

聲表面波是一種在固體淺表面進行傳播的彈性波，具有多種模式[14]，瑞利波是目前應用最廣泛的一種聲表面波。不同類型的聲表面波具有不同的特性，利用其制成的傳感器可適用于不同場合探測。

1.2 聲表面波傳感器的結構類型

聲表面波傳感器的兩種基本構型為延遲線型(delay line)和諧振型(resonator)，圖1所示為延遲線型和諧振型的傳感器結構類別[15]。延遲線型和諧振型聲表面波傳感器在結構上均由壓電基片、叉指換能器和發射柵共同構成[16]。延遲線型聲表面波傳感器通過天線接收正弦激勵信號，傳遞至叉指換能器(interdigital transducer,IDT)，正弦信號在壓電基片激勵出聲表面波，實現聲波和電信號的轉換。聲表面波在壓電基片上傳播經過一段時間延遲到達反射柵，反射柵將部分聲波反射回來，反射的聲波又通過IDT轉換為正弦激勵信號，從而實現電聲轉換。

諧振型聲表面波傳感器將IDT置于2個全反射的反射柵間。激勵的聲表面波的頻率與諧振器頻率相等時，聲表面波在反射柵間形成駐波，反射柵反射的能量達到最大。外部激勵信號加載在輸入IDT上，IDT將電信號轉換為聲表面波，聲表面波沿壓電晶體表面向兩邊傳播，經兩側反射柵反射疊加由輸出IDT輸出，最終實現聲/電轉換。

圖1 聲表面波傳感器的類別

1.3 聲表面波傳感器的工作模式

聲表面波器件一般使用壓電晶體(例如石英晶體等)作為媒介，然后通過外加一正電壓產生聲波,并通過襯底進行傳播，然后轉換成電信號輸出。聲表面波傳感器中起主導作用的主要是壓電效應，其設計時需要考慮多種因素：如相對尺寸、敏感性、效率等。一般地，無線無源聲表面波傳感器的信號頻率范圍從40 MHz到幾個GHz。圖2所示為聲表面波傳感器常見的結構，主要部分包括壓電襯底、天線、敏感薄膜、IDT等。傳感器的敏感層通過改變聲表面波的速度來實現頻率的變化，對于一個理想的敏感薄膜，頻率的變化可以通過式(1)計算

(1)

式中k1，k2為材料的系數；f0為功率頻率；Vf為薄膜的體積；ρ為薄膜密度；μ為彈性模量，Vr為薄膜的羅利速度；tF為控制器的響應時間；x為普通材料的彈性模量。

圖2 聲表面波傳感器結構

1.4 聲表面波傳感器工作原理

無線無源聲表面波系統包括：發射器、接收器、聲表面波器件、通信頻道。發射器和接收器組合成收發器或者解讀器的單一模塊。圖3為聲表面波系統及其相互關聯的基礎部件。解讀器將功率傳送給聲表面波器件，該功率可以是收發器輸入的連續波，脈沖或者啁啾。一般地，聲表面波器件獲得的功率大小具有一定限制，以降低最大的發射功率，從而得到相同平均功率的啁啾[17]。根據各向同性的輻射體，接收的信號一般能通過高效的輻射功率天線發射。

圖3 聲表面波系統及其相互關聯的基礎部件

天線輻射功率的帶寬通常一致，收發器產生的信號將通過頻道傳輸，該頻道連接聲表面波器件的傳輸介質。一個自由的空間頻道一般都認為頻道對于信號不產生干擾，例如對聲波的反射、折射或者吸收，而能量到達接收器僅僅與傳送的距離成比例關系，基于射程方程可建立相應的頻道主方程

(2)

式中Aer為接收天線橫截面的吸收效率，等于提取的總功率除以入射功率能量密度；Pt為標簽功率，一般與假設的半徑r的功率強度相關。

通過頻道的信號通常受路徑損耗的影響，路徑損耗為

(3)

路徑損耗依賴于操作的頻率，最終將影響到天線的大小、通信范圍和器件制備的復雜性。遠程傳感器節點沒有發射器，其在背散射波形條件下工作極易受到距離的影響。當不能控制傳感器上的功率時，在直接序列擴頻(direct sequence spread spectrum,DSSS)/多路訪問(multiple access,MA)中擴頻多址連接將會嚴重受到距離的影響[18]。在網絡中的傳感器，無線節點無法精確自識別介質的相同距離，從而被閱讀器發現不同范圍的功率。對于雙向視線通信標準，無線鏈路方程可定義為

(4)

式中PT為傳播的能量；GT為發射天線的增益；GR為接收天線的增益；r為傳播的距離；R為介質的電阻值；c為光速。式(4)中路徑損耗隨著r2減小,但在背散射條件下，傳感器接收的功率為[19]

(5)

式中X為極化失配；M為調制系數，表示天線增益的損失；B為路徑阻塞；F2為衰落儲備；Gt為標簽天線增益。可見，目前無法控制來自傳感器的功率反射。因此，距離問題將直接影響執行序列擴頻的能力。

在一個無線無源聲表面波網絡中，電壓由傳感器天線中的射頻信號產生，必須通過直流電進行整流。只要產生的電壓為100 mV,接收天線將射頻信號轉換成直流電信號。誘導的電壓與通信范圍的關系為[20]

(6)

式中Vt為誘發的電壓；Wi為入射功率強度；Rr和RL分別為輻射電阻值和過載電阻值；λ為信號的波長。

來自識別介質的發射功率對于有效的同性輻射功率具有一定限制。根據一個直接的源天線可以產生最大為4 W的有效全向輻射功率(effective isotropic radiated power,EIRP)。結合式(4)和式(6)， 可以計算出在節點上4 W的同性輻射功率誘發100 mV電壓的最大距離。對于頻率為2 GHz的聲波，最大的距離為13 m，當距離增加到26 m和51 m時，頻率分別為1 GHz和500 MHz。但是，如果在1 GHz下距離達到26 m時，則需要4 W的同性輻射功率可移源以及必須接近被動節點傳輸能力[21]。計算結果也證明了對于無線無源傳感器的實際覆蓋網絡在最鄰近的位置上需要多個識別介質，并作為在大型工業環境中的部署依據。

2 聲表面波傳感器的應用

2.1 聲表面波傳感器在智能變電站中的應用

為了克服智能變電站溫度檢測環境復雜、非接觸、精度低、成本高等的缺點，中理工學院的張朋等人開發了一種可應用于智能變電站中的無源無線聲表面波智能溫度傳感器，并研究了溫度傳感器的檢測機理以及傳感器收發系統[22]；同時基于開發的無源無線聲表面波傳感器構建了智能變電站溫度檢測系統。實驗結果表明：該無源無線聲表面波溫度傳感器可徹底解決電纜接頭、開關柜、隔離開關等電力設備測溫的安裝不方便、強電磁干擾、工作環境溫度高和信號傳輸等難題。

2.2 聲表面波傳感器在電力設備中的應用

由于電力設備是工作在高電壓、強負荷且長期不停電狀態下，對于測溫裝置的要求自然更高。運行中高壓電力設備周圍分布有強電場，其溫度檢測傳感器必須具備無源或者自取能功能，才能保證電力設備的安全性。另外，電力設備間要求保持特定安全距離，故檢測裝置體積應盡可能小。對于各種型號的電力設備均適應安裝，以及設備維護周期應盡量長，以保障電力設備長期不斷電運行。Xiao L等人研究了射頻能量收集技術在監控電力系統溫度變化的可能性，同時還開發了一種基于射頻能源動力的聲表面波溫度傳感器[23]。該系統主要由一個雙通道的閱讀器和許多傳感器節點組成，傳感器的節點通過從閱讀器輸送的能量中獲得能量，而傳輸的射頻能量作為打開傳感器從而避免數據沖突的喚醒信息。根據作者的分析，射頻能量收集技術是一種非常適用于電力設備的聲表面波傳感器技術。

2.3 聲表面波傳感器在列車中的應用

列車運行速度快導致牽引功率增大，增加了車輪與鐵軌間的摩擦沖擊、車軸的振動幅度和動力效應。隨著列車車軸的磨損，車軸會增加發熱量，增大振動幅度，從而加速車軸缺陷的擴張，影響列車正常運行。一般通過對車軸軸溫和振動的監測直觀反映列車車軸的運行狀況，聲表面波溫度傳感器是一種可以反映列車車軸狀態的檢測裝置[24]。一般地，聲表面波溫度傳感器檢測系統主要由3部分組成：聲表面波溫度傳感芯片、信號讀寫器及無線中繼、后臺監控系統。由于聲表面波溫度傳感芯片為無源無線，因此，需要額外供電。聲表面波溫度傳感器可以安裝于需要測溫的列車車軸上，準確地跟蹤發熱點的溫度變化。聲表面波溫度傳感器應用于列車的優勢主要表現在：其測溫芯片可以通過天線和信號讀寫器進行無線通信，每個信號讀寫裝置對應多個探測點，即插即用，便于擴大規模和系統升級；信號讀寫器將溫度信號處理成數字信號通過光纖傳輸至后臺監控系統，從而實現長距離無中繼傳輸；后臺監控器采用時分復用或頻分復用等方式同時控制1～100個信號讀寫器，而每個信號讀寫器可同時對應多個聲表面溫度傳感器。

2.4 聲表面波傳感器及其在濕度檢測中的應用

濕度檢測在倉儲、糧食及食品防霉、溫室種植、環境監測、儀表電器、交通運輸、氣象、軍事等方面均起著越來越重要的作用。由于在常規的環境中，濕度是一個很難準確測量的參數。因此，濕度測量需要具有高靈敏度、快速響應速度高等性能。浙江大學的陳裕泉課題組通過對聲表面波傳感器擾動理論模型及其質量負載效應、聲電禍合效應等響應機理進行了深入剖析，從根本上為聲表面波傳感器的結構設計、濕敏材料選擇提供了理論依據和參考[25,26]。同時，還使用精密光刻工藝制備出了高頻聲表面波單端諧振器作為濕敏傳感器的基本換能元件，并開發了具有高性能的聲表面波高頻振蕩電路及整套的檢測系統以及提出了新型的叉指電極串聯式聲表面波傳感器結構，為高頻聲表面波傳感器的設計提供了新的思路，滿足了其在濕度檢測中的應用。

2.5 聲表面波傳感器在復雜多變環境中的應用

長期以來，傳統的溫度傳感器存在許多無法克服的缺陷，不能滿足實際多變的測量需求。浙江大學的葉學松課題組以YZ切鈮酸鋰(LiNbO3)，128°YX切LiNbO3，ST切石英和YX切石英4種不同壓電敏感材料為基底，設計和制作了單端口諧振型聲表面波溫度傳感器[27]。研究結果表明：LiNbO3聲表面波溫度傳感器較石英傳感器具有較大的頻率溫度系數；在0～80 ℃范圍內，YZ切LiNbO3，128°YX切LiNbO3和YX切石英較ST切石英的溫度傳感器具有線性的溫度頻率特性；石英聲表面波溫度傳感器較LiNbO3傳感器具有較大的品質因數和較強的回波信號；在相同的測試條件下，當無線傳輸距離小于10 cm時，YZ切LiNbO3溫度傳感器的測量精度較高；當距離超過10 cm后，YX切石英傳感器具有較高的測量精度。該研究結果對于單端口諧振型聲表面波溫度傳感器的設計和制作具有普遍的意義，為制備在復雜多變環境中的聲表面波傳感器提供了重要的指導作用。

3 結 論

為了適應未來多變的環境、快速以及智能化的生活模式，未來聲表面波傳感器應向微型化、靈活化、智能化以及高精度高可靠性等方向發展。具體的研究如：1)新型器件敏感材料的開發和制備，提高聲表面波傳感器的性能及可靠性；2)加強聲表面波傳感器的理論設計，為聲表面波傳感器的智能化、微型化提供有力的理論指導；3)發展聲表面波傳感器的集成工藝，使聲表面波傳感器可與多種設備互相兼容。

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