聲表面波傳感器的原理及應(yīng)用綜述*

潘小山, 劉芮彤, 王 琴, 李功燕

(1.中國科學(xué)院 微電子研究所，北京 朝陽 100029；2.國網(wǎng)遼寧省電力有限公司 電力科學(xué)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(fā)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(cè)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(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出的傳感器[9]。聲表面波傳感器能夠精確測(cè)量物理、化學(xué)等信息(如溫度、應(yīng)力、氣體密度)。由于體積小，聲表面波器件被譽(yù)為開創(chuàng)了無線、小型傳感器的新紀(jì)元；同時(shí)，其與集成電路兼容性強(qiáng)，在模擬數(shù)字通信及傳感領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用。聲表面波傳感器能將信號(hào)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(cè)到的信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出，具有實(shí)時(shí)信息檢測(cè)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(hào)輸出等優(yōu)點(diǎn)。國內(nèi)目前已經(jīng)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(xué)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(fā)展的聲表面波傳感器的原理及應(yīng)用進(jìn)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(yīng)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(jìn)行傳播的彈性波，具有多種模式[14]，瑞利波是目前應(yīng)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(chǎng)合探測(cè)。

1.2 聲表面波傳感器的結(jié)構(gòu)類型

聲表面波傳感器的兩種基本構(gòu)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(jié)構(gòu)類別[15]。延遲線型和諧振型聲表面波傳感器在結(jié)構(gòu)上均由壓電基片、叉指換能器和發(fā)射柵共同構(gòu)成[16]。延遲線型聲表面波傳感器通過天線接收正弦激勵(lì)信號(hào)，傳遞至叉指換能器(interdigital transducer,IDT)，正弦信號(hào)在壓電基片激勵(lì)出聲表面波，實(shí)現(xiàn)聲波和電信號(hào)的轉(zhuǎn)換。聲表面波在壓電基片上傳播經(jīng)過一段時(shí)間延遲到達(dá)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(zhuǎn)換為正弦激勵(lì)信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)電聲轉(zhuǎn)換。

諧振型聲表面波傳感器將IDT置于2個(gè)全反射的反射柵間。激勵(lì)的聲表面波的頻率與諧振器頻率相等時(shí)，聲表面波在反射柵間形成駐波，反射柵反射的能量達(dá)到最大。外部激勵(lì)信號(hào)加載在輸入IDT上，IDT將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為聲表面波，聲表面波沿壓電晶體表面向兩邊傳播，經(jīng)兩側(cè)反射柵反射疊加由輸出IDT輸出，最終實(shí)現(xiàn)聲/電轉(zhuǎn)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(chǎn)生聲波,并通過襯底進(jìn)行傳播，然后轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出。聲表面波傳感器中起主導(dǎo)作用的主要是壓電效應(yīng)，其設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮多種因素：如相對(duì)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(hào)頻率范圍從40 MHz到幾個(gè)GHz。圖2所示為聲表面波傳感器常見的結(jié)構(gòu)，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(shí)現(xiàn)頻率的變化，對(duì)于一個(gè)理想的敏感薄膜，頻率的變化可以通過式(1)計(jì)算

(1)

式中k1，k2為材料的系數(shù)；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(yīng)時(shí)間；x為普通材料的彈性模量。

圖2 聲表面波傳感器結(jié)構(gòu)

1.4 聲表面波傳感器工作原理

無線無源聲表面波系統(tǒng)包括：發(fā)射器、接收器、聲表面波器件、通信頻道。發(fā)射器和接收器組合成收發(fā)器或者解讀器的單一模塊。圖3為聲表面波系統(tǒng)及其相互關(guān)聯(lián)的基礎(chǔ)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(fā)器輸入的連續(xù)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(fā)射功率，從而得到相同平均功率的啁啾[17]。根據(jù)各向同性的輻射體，接收的信號(hào)一般能通過高效的輻射功率天線發(fā)射。

圖3 聲表面波系統(tǒng)及其相互關(guān)聯(lián)的基礎(chǔ)部件

天線輻射功率的帶寬通常一致，收發(fā)器產(chǎn)生的信號(hào)將通過頻道傳輸，該頻道連接聲表面波器件的傳輸介質(zhì)。一個(gè)自由的空間頻道一般都認(rèn)為頻道對(duì)于信號(hào)不產(chǎn)生干擾，例如對(duì)聲波的反射、折射或者吸收，而能量到達(dá)接收器僅僅與傳送的距離成比例關(guān)系，基于射程方程可建立相應(yīng)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(biāo)簽功率，一般與假設(shè)的半徑r的功率強(qiáng)度相關(guān)。

通過頻道的信號(hào)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(fù)雜性。遠(yuǎn)程傳感器節(jié)點(diǎn)沒有發(fā)射器，其在背散射波形條件下工作極易受到距離的影響。當(dāng)不能控制傳感器上的功率時(shí)，在直接序列擴(kuò)頻(direct sequence spread spectrum,DSSS)/多路訪問(multiple access,MA)中擴(kuò)頻多址連接將會(huì)嚴(yán)重受到距離的影響[18]。在網(wǎng)絡(luò)中的傳感器，無線節(jié)點(diǎn)無法精確自識(shí)別介質(zhì)的相同距離，從而被閱讀器發(fā)現(xiàn)不同范圍的功率。對(duì)于雙向視線通信標(biāo)準(zhǔn)，無線鏈路方程可定義為

(4)

式中PT為傳播的能量；GT為發(fā)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(zhì)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(diào)制系數(shù)，表示天線增益的損失；B為路徑阻塞；F2為衰落儲(chǔ)備；Gt為標(biāo)簽天線增益?？梢?，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(zhí)行序列擴(kuò)頻的能力。

在一個(gè)無線無源聲表面波網(wǎng)絡(luò)中，電壓由傳感器天線中的射頻信號(hào)產(chǎn)生，必須通過直流電進(jìn)行整流。只要產(chǎn)生的電壓為100 mV,接收天線將射頻信號(hào)轉(zhuǎn)換成直流電信號(hào)。誘導(dǎo)的電壓與通信范圍的關(guān)系為[20]

(6)

式中Vt為誘發(fā)的電壓；Wi為入射功率強(qiáng)度；Rr和RL分別為輻射電阻值和過載電阻值；λ為信號(hào)的波長。

來自識(shí)別介質(zhì)的發(fā)射功率對(duì)于有效的同性輻射功率具有一定限制。根據(jù)一個(gè)直接的源天線可以產(chǎn)生最大為4 W的有效全向輻射功率(effective isotropic radiated power,EIRP)。結(jié)合式(4)和式(6)， 可以計(jì)算出在節(jié)點(diǎn)上4 W的同性輻射功率誘發(fā)100 mV電壓的最大距離。對(duì)于頻率為2 GHz的聲波，最大的距離為13 m，當(dāng)距離增加到26 m和51 m時(shí)，頻率分別為1 GHz和500 MHz。但是，如果在1 GHz下距離達(dá)到26 m時(shí)，則需要4 W的同性輻射功率可移源以及必須接近被動(dòng)節(jié)點(diǎn)傳輸能力[21]。計(jì)算結(jié)果也證明了對(duì)于無線無源傳感器的實(shí)際覆蓋網(wǎng)絡(luò)在最鄰近的位置上需要多個(gè)識(shí)別介質(zhì)，并作為在大型工業(yè)環(huán)境中的部署依據(jù)。

2 聲表面波傳感器的應(yīng)用

2.1 聲表面波傳感器在智能變電站中的應(yīng)用

為了克服智能變電站溫度檢測(cè)環(huán)境復(fù)雜、非接觸、精度低、成本高等的缺點(diǎn)，中理工學(xué)院的張朋等人開發(fā)了一種可應(yīng)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(cè)機(jī)理以及傳感器收發(fā)系統(tǒng)[22]；同時(shí)基于開發(fā)的無源無線聲表面波傳感器構(gòu)建了智能變電站溫度檢測(cè)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)結(jié)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(guān)柜、隔離開關(guān)等電力設(shè)備測(cè)溫的安裝不方便、強(qiáng)電磁干擾、工作環(huán)境溫度高和信號(hào)傳輸?shù)入y題。

2.2 聲表面波傳感器在電力設(shè)備中的應(yīng)用

由于電力設(shè)備是工作在高電壓、強(qiáng)負(fù)荷且長期不停電狀態(tài)下，對(duì)于測(cè)溫裝置的要求自然更高。運(yùn)行中高壓電力設(shè)備周圍分布有強(qiáng)電場(chǎng)，其溫度檢測(cè)傳感器必須具備無源或者自取能功能，才能保證電力設(shè)備的安全性。另外，電力設(shè)備間要求保持特定安全距離，故檢測(cè)裝置體積應(yīng)盡可能小。對(duì)于各種型號(hào)的電力設(shè)備均適應(yīng)安裝，以及設(shè)備維護(hù)周期應(yīng)盡量長，以保障電力設(shè)備長期不斷電運(yùn)行。Xiao L等人研究了射頻能量收集技術(shù)在監(jiān)控電力系統(tǒng)溫度變化的可能性，同時(shí)還開發(fā)了一種基于射頻能源動(dòng)力的聲表面波溫度傳感器[23]。該系統(tǒng)主要由一個(gè)雙通道的閱讀器和許多傳感器節(jié)點(diǎn)組成，傳感器的節(jié)點(diǎn)通過從閱讀器輸送的能量中獲得能量，而傳輸?shù)纳漕l能量作為打開傳感器從而避免數(shù)據(jù)沖突的喚醒信息。根據(jù)作者的分析，射頻能量收集技術(shù)是一種非常適用于電力設(shè)備的聲表面波傳感器技術(shù)。

2.3 聲表面波傳感器在列車中的應(yīng)用

列車運(yùn)行速度快導(dǎo)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(dòng)幅度和動(dòng)力效應(yīng)。隨著列車車軸的磨損，車軸會(huì)增加發(fā)熱量，增大振動(dòng)幅度，從而加速車軸缺陷的擴(kuò)張，影響列車正常運(yùn)行。一般通過對(duì)車軸軸溫和振動(dòng)的監(jiān)測(cè)直觀反映列車車軸的運(yùn)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(tài)的檢測(cè)裝置[24]。一般地，聲表面波溫度傳感器檢測(cè)系統(tǒng)主要由3部分組成：聲表面波溫度傳感芯片、信號(hào)讀寫器及無線中繼、后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)。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(cè)溫的列車車軸上，準(zhǔn)確地跟蹤發(fā)熱點(diǎn)的溫度變化。聲表面波溫度傳感器應(yīng)用于列車的優(yōu)勢(shì)主要表現(xiàn)在：其測(cè)溫芯片可以通過天線和信號(hào)讀寫器進(jìn)行無線通信，每個(gè)信號(hào)讀寫裝置對(duì)應(yīng)多個(gè)探測(cè)點(diǎn)，即插即用，便于擴(kuò)大規(guī)模和系統(tǒng)升級(jí)；信號(hào)讀寫器將溫度信號(hào)處理成數(shù)字信號(hào)通過光纖傳輸至后臺(tái)監(jiān)控系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)長距離無中繼傳輸；后臺(tái)監(jiān)控器采用時(shí)分復(fù)用或頻分復(fù)用等方式同時(shí)控制1～100個(gè)信號(hào)讀寫器，而每個(gè)信號(hào)讀寫器可同時(shí)對(duì)應(yīng)多個(gè)聲表面溫度傳感器。

2.4 聲表面波傳感器及其在濕度檢測(cè)中的應(yīng)用

濕度檢測(cè)在倉儲(chǔ)、糧食及食品防霉、溫室種植、環(huán)境監(jiān)測(cè)、儀表電器、交通運(yùn)輸、氣象、軍事等方面均起著越來越重要的作用。由于在常規(guī)的環(huán)境中，濕度是一個(gè)很難準(zhǔn)確測(cè)量的參數(shù)。因此，濕度測(cè)量需要具有高靈敏度、快速響應(yīng)速度高等性能。浙江大學(xué)的陳裕泉課題組通過對(duì)聲表面波傳感器擾動(dòng)理論模型及其質(zhì)量負(fù)載效應(yīng)、聲電禍合效應(yīng)等響應(yīng)機(jī)理進(jìn)行了深入剖析，從根本上為聲表面波傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、濕敏材料選擇提供了理論依據(jù)和參考[25,26]。同時(shí)，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(fā)了具有高性能的聲表面波高頻振蕩電路及整套的檢測(cè)系統(tǒng)以及提出了新型的叉指電極串聯(lián)式聲表面波傳感器結(jié)構(gòu)，為高頻聲表面波傳感器的設(shè)計(jì)提供了新的思路，滿足了其在濕度檢測(cè)中的應(yīng)用。

2.5 聲表面波傳感器在復(fù)雜多變環(huán)境中的應(yīng)用

長期以來，傳統(tǒng)的溫度傳感器存在許多無法克服的缺陷，不能滿足實(shí)際多變的測(cè)量需求。浙江大學(xué)的葉學(xué)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(shè)計(jì)和制作了單端口諧振型聲表面波溫度傳感器[27]。研究結(jié)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(shù)；在0～80 ℃范圍內(nèi)，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(zhì)因數(shù)和較強(qiáng)的回波信號(hào)；在相同的測(cè)試條件下，當(dāng)無線傳輸距離小于10 cm時(shí)，YZ切LiNbO3溫度傳感器的測(cè)量精度較高；當(dāng)距離超過10 cm后，YX切石英傳感器具有較高的測(cè)量精度。該研究結(jié)果對(duì)于單端口諧振型聲表面波溫度傳感器的設(shè)計(jì)和制作具有普遍的意義，為制備在復(fù)雜多變環(huán)境中的聲表面波傳感器提供了重要的指導(dǎo)作用。

3 結(jié) 論

為了適應(yīng)未來多變的環(huán)境、快速以及智能化的生活模式，未來聲表面波傳感器應(yīng)向微型化、靈活化、智能化以及高精度高可靠性等方向發(fā)展。具體的研究如：1)新型器件敏感材料的開發(fā)和制備，提高聲表面波傳感器的性能及可靠性；2)加強(qiáng)聲表面波傳感器的理論設(shè)計(jì)，為聲表面波傳感器的智能化、微型化提供有力的理論指導(dǎo)；3)發(fā)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(shè)備互相兼容。

參考文獻(xiàn):

[1] 詹建微，張代遠(yuǎn).傳感器應(yīng)用、挑戰(zhàn)與發(fā)展[J].計(jì)算機(jī)技術(shù)與發(fā)展，2013,23(8):118-121.

[2] 徐留根，彭春增，全建龍，等.工業(yè)CT在航空機(jī)載傳感器可靠性提升中的應(yīng)用[J].傳感器與微系統(tǒng)，2016,35(10):158-160.

[3] 張永宏，井晨志，王 琦.超聲波傳感器深度增益補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)[J].傳感器與微系統(tǒng),2014,33(2):123-126.

[4] 周廣麗,鄂書林,鄧文淵,光纖溫度傳感器的研究和應(yīng)用[J].光通信技術(shù),2007(6):54-57.

[5] 梁幫偉，韋達(dá)宏，劉 沖，等.基于振動(dòng)信號(hào)的傳感器節(jié)點(diǎn)性能測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].傳感器與微系統(tǒng),2015,34(10):83-85．

[6] 王 軍,李國宏,CMOS圖像傳感器在航天遙感中的應(yīng)用[J].航天返回與遙感,2008,29(2):42-47.

[7] Gai L T,Li J,Zhao Y.Preparation and application of microfiber resonant ring sensors:A review[J].Optics & Laser Technology,2017,89:126-136.

[8] 田素輝,熊 新,李英娜,等.FBG傳感器d在重力墻位移監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].傳感器與微系統(tǒng),2015,34(10):158-160.

[9] Li X,Huo L S,Li H N.Beat phenomenon analysis of concrete beam with piezoelectric sensors[J].International Journal of Distributed Senor Networks,2012,2012:296124.

[10] Borrero G A,Bravo J P,Mora S F,et al.Design and fabrication of SAW pressure,temperature and impedance sensors using novel multiphysics simulation models[J].Sensors and Actuators A:Physical,2013,203:204-214.

[11] Chen X,Liu D L,Chen J S,et al.The effect of a SiO2layer on the performance of a ZnO-based SAW device for high sensitivity biosensor applications[J].Smart Materials and Structures,2009,18:115021.

[12] 王麗碩,魏東煒,汪寶和,等.聲表面波化學(xué)傳感器膜材料的研究進(jìn)展[J].高分子通報(bào),2012(1):23-28.

[13] Jovanov E,O'Doneel Lords A,Raskovic D.Stress monitoring using a distributed wireless intelligent sensor system[J].IEEE Engineering in Medicine and Biology Magzine,2003,22(3)49-55.

[14] 施文康,劉 艾.延遲線型聲表面波傳感器的研究[J].傳感技術(shù)學(xué)報(bào),1999,12(4):337-340.

[15] Nawaz F,Jeoti V.SAW sensor read range limitations and perspectives[J] Wireless Netw,2014,20:2581-2587.

[16] Dunn S,Whatmore R.Transformation dependence of lead zirconate titanate (PZT) as shown by piezo AFM surface mapping of sol-gel produced PZT on various substrates[J].Integrated Ferro-electrics,2001,38(1):39-47.

[17] Skolnik M I.Introduction to radar systems[M].New York:McGraw Hill,2003:1-100.

[18] Mohammed A F.Near-far problem in direct-sequence code division multiple access systems[C]∥The Seventh IEE European Conference on Mobile and Personal Communications,1993:13-15.

[19] Griffin J D,Durgin G D.Complete link budgets for backscatter-radio and RFID systems[J].IEEE Antennas and Propagation Magazine,2009,52(2):11-25.

[20] Balanis C A.Antenna theory:Analysis and design[M].Hoboken:Wiley,2009:25-105.

[21] Akan O B,Isik M T,Baykal B.Wireless passive sensor networks[J].IEEE Communications Magazine,2009,47(8):92-99.

[22] 張 朋,范福玲,王艷霞,等.無源無線聲表面波溫度傳感器及其在智能變電站中的應(yīng)用[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制,2014,22(9):2900-2903.

[23] Xiao L,Qian J J,Lian Z G,et al.RF energy powered wireless temperature sensor for monitoring electrical equipment[J].Sensors and Actuators A:Physical,2016,249:276-283.

[24] Lei S,Chen Y Q,Li Y.A novel SAW humidity sensor based on electrosprayed polymerized electrolyte film[C]∥The 3rd Inter-national Conference on Measuring Technology and Mechatronics Automation,2011:214-217.

[25] Lei S，Chen D J,Guo X S,et al.Design of wireless SAW humidity sensor node based on radio wake-up technique[C]∥Proceeding of International Conference on Communication Technology (ICCT),2010:17-20.

[26] Ye X S,Wang Q,Fang L.Comparative study of SAW temperature sensor based on different piezoelectric materials and crystal cuts for passive wireless measurement[C]∥2010 IEEE Sensors,2011:585-588.

[27] 葉學(xué)松,王學(xué)俊,梁 波,等.植入式無源無線聲表面波溫度傳感檢測(cè)系統(tǒng)[J].浙江大學(xué)學(xué)報(bào),2011,45(11):2068-2072.