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声表面波传感器的工作原理及应用综述

人工智能  |  2019-07-13  |  来源:万源物联网云平台

声表面波传感器的工作原理及应用综述

声表面波( surface acoustic wave,SAW) 传感器是近年来发展起来的一种新型微声传感器,是一种用声表面波器件作为传感元件,将被测量的信息通过声表面波器件中声表面波的速度或频率的变化反映出来,并转换成电信号输出的传感器。

摘要: 详细论述了声表面波传感器的工作模式、工作原理; 结合目前声表面波传感器的发展状况,详细论述了声表面波在智能变电站、电力设备、列车、湿度检测以及在复杂多变环境中的应用; 对声表面波传感器的发展给出了展望。

引言

声表面波( surface acoustic wave,SAW) 传感器是近年来发展起来的一种新型微声传感器,是一种用声表面波器件作为传感元件,将被测量的信息通过声表面波器件中声表面波的速度或频率的变化反映出来,并转换成电信号输出的传感器。声表面波传感器能够精确测量物理、化学等信息( 如温度、应力、气体密度) 。由于体积小,声表面波器件被誉为开创了无线、小型传感器的新纪元; 同时,其与集成电路兼容性强,在模拟数字通信及传感领域获得了广泛的应用。声表面波传感器能将信号集中于基片表面、工作频率高,具有极高的信息敏感精度,能迅速地将检测到的信息转换为电信号输出,具有实时信息检测的特性;

另外,声表面波传感器还具有微型化、集成化、无源、低成本、低功耗、直接频率信号输出等优点。国内目前已经形成了包括声表面波压力传感器、声表面波温度传感器、声表面波生物基因传感器、声表面波化学气相传感器以及智能传感器等多种类型。

本文主要基于目前发展的声表面波传感器的原理及应用进行全面综述,包括声表面波传感器的工作原理,声表面波传感器的应用及展望。

1 声表面波传感器的工作原理

1.1 声表面波

声表面波是一种在固体浅表面进行传播的弹性波,具有多种模式,瑞利波是目前应用最广泛的一种声表面波。不同类型的声表面波具有不同的特性,利用其制成的传感器可适用于不同场合探测。

1.2 声表面波传感器的结构类型

声表面波传感器的两种基本构型为延迟线型( delay line) 和谐振型( resonator) ,图1 所示为延迟线型和谐振型的传感器结构类别。延迟线型和谐振型声表面波传感器在结构上均由压电基片、叉指换能器和发射栅共同构成。延迟线型声表面波传感器通过天线接收正弦激励信号,传递至叉指换能器( interdigital transducer,IDT) ,正弦信号在压电基片激励出声表面波,实现声波和电信号的转换。声表面波在压电基片上传播经过一段时间延迟到达反射栅,反射栅将部分声波反射回来,反射的声波又通过IDT转换为正弦激励信号,从而实现电声转换。

谐振型声表面波传感器将IDT 置于2 个全反射的反射栅间。激励的声表面波的频率与谐振器频率相等时,声表面波在反射栅间形成驻波,反射栅反射的能量达到最大。外部激励信号加载在输入IDT 上,IDT 将电信号转换为声表面波,声表面波沿压电晶体表面向两边传播,经两侧反射栅反射叠加由输出IDT 输出,最终实现声/电转换。

1.3 声表面波传感器的工作模式

声表面波器件一般使用压电晶体( 例如石英晶体等) 作为媒介,然后通过外加一正电压产生声波,并通过衬底进行传播,然后转换成电信号输出。声表面波传感器中起主导作用的主要是压电效应,其设计时需要考虑多种因素: 如相对尺寸、敏感性、效率等。一般地,无线无源声表面波传感器的信号频率范围从40 MHz 到几个GHz。图2 所示为声表面波传感器常见的结构,主要部分包括压电衬底、天线、敏感薄膜、IDT 等。传感器的敏感层通过改变声表面波的速度来实现频率的变化,对于一个理想的敏感薄膜,频率的变化可以通过式( 1)计算

式中k1,k2 为材料的系数; f0 为功率频率; Vf 为薄膜的体积; ρ 为薄膜密度; μ 为弹性模量,Vr 为薄膜的罗利速度; tF为控制器的响应时间; x 为普通材料的弹性模量。

1.4 声表面波传感器工作原理

无线无源声表面波系统包括: 发射器、接收器、声表面波器件、通信频道。发射器和接收器组合成收发器或者解读器的单一模块。图3 为声表面波系统及其相互关联的基础部件。解读器将功率传送给声表面波器件,该功率可以是收发器输入的连续波,脉冲或者啁啾。一般地,声表面波器件获得的功率大小具有一定限制,以降低最大的发射功率,从而得到相同平均功率的啁啾。根据各向同性的辐射体,接收的信号一般能通过高效的辐射功率天线发射。

天线辐射功率的带宽通常一致,收发器产生的信号将通过频道传输,该频道连接声表面波器件的传输介质。一个自由的空间频道一般都认为频道对于信号不产生干扰,例如对声波的反射、折射或者吸收,而能量到达接收器仅仅与传送的距离成比例关系,基于射程方程可建立相应的频道主方程

式中Aer为接收天线横截面的吸收效率,等于提取的总功率除以入射功率能量密度; Pt 为标签功率,一般与假设的半径r 的功率强度相关。通过频道的信号通常受路径损耗的影响,路径损耗为

路径损耗依赖于操作的频率,最终将影响到天线的大小、通信范围和器件制备的复杂性。远程传感器节点没有发射器,其在背散射波形条件下工作极易受到距离的影响。当不能控制传感器上的功率时,在直接序列扩频( directsequence spread spectrum,DSSS) /多路访问( multiple access,MA) 中扩频多址连接将会严重受到距离的影响。在络中的传感器,无线节点无法精确自识别介质的相同距离,从而被阅读器发现不同范围的功率。对于双向视线通信标准,无线链路方程可定义为

式中PT 为传播的能量; GT 为发射天线的增益; GR 为接收天线的增益; r 为传播的距离; R 为介质的电阻值; c 为光速。式( 4) 中路径损耗随着r2 减小,但在背散射条件下,传感器接收的功率为

式中X 为极化失配; M 为调制系数,表示天线增益的损失; B 为路径阻塞; F2 为衰落储备; Gt 为标签天线增益。可见,目前无法控制来自传感器的功率反射。因此,距离问题将直接影响执行序列扩频的能力。

在一个无线无源声表面波络中,电压由传感器天线中的射频信号产生,必须通过直流电进行整流。只要产生的电压为100mV,接收天线将射频信号转换成直流电信号。诱导的电压与通信范围的关系为

式中Vt为诱发的电压; Wi 为入射功率强度; Rr 和RL 分别为辐射电阻值和过载电阻值; λ 为信号的波长。

来自识别介质的发射功率对于有效的同性辐射功率具有一定限制。根据一个直接的源天线可以产生最大为4 W的有效全向辐射功率( effective isotropic radiated power,EIRP) 。结合式( 4) 和式( 6) ,可以计算出在节点上4W 的同性辐射功率诱发100 mV 电压的最大距离。对于频率为2 GHz的声波,最大的距离为13 m,当距离增加到26 m 和51 m时,频率分别为1 GHz 和500MHz。但是,如果在1 GHz下距离达到26 m 时,则需要4W 的同性辐射功率可移源以及必须接近被动节点传输能力。计算结果也证明了对于无线无源传感器的实际覆盖络在最邻近的位置上需要多个识别介质,并作为在大型工业环境中的部署依据。

2 声表面波传感器的应用

2.1 声表面波传感器在智能变电站中的应用

为了克服智能变电站温度检测环境复杂、非接触、精度低、成本高等的缺点,中理工学院的张朋等人开发了一种可应用于智能变电站中的无源无线声表面波智能温度传感器,并研究了温度传感器的检测机理以及传感器收发系统; 同时基于开发的无源无线声表面波传感器构建了智能变电站温度检测系统。实验结果表明: 该无源无线声表面波温度传感器可彻底解决电缆接头、开关柜、隔离开关等电力设备测温的安装不方便、强电磁干扰、工作环境温度高和信号传输等难题。

2.2 声表面波传感器在电力设备中的应用

由于电力设备是工作在高电压、强负荷且长期不停电状态下,对于测温装置的要求自然更高。运行中高压电力设备周围分布有强电场,其温度检测传感器必须具备无源或者自取能功能,才能保证电力设备的安全性。另外,电力设备间要求保持特定安全距离,故检测装置体积应尽可能小。对于各种型号的电力设备均适应安装,以及设备维护周期应尽量长,以保障电力设备长期不断电运行。Xiao L等人研究了射频能量收集技术在监控电力系统温度变化的可能性,同时还开发了一种基于射频能源动力的声表面波温度传感器。该系统主要由一个双通道的阅读器和许多传感器节点组成,传感器的节点通过从阅读器输送的能量中获得能量,而传输的射频能量作为打开传感器从而避免数据冲突的唤醒信息。根据作者的分析,射频能量收集技术是一种非常适用于电力设备的声表面波传感器技术。

2.3 声表面波传感器在列车中的应用

列车运行速度快导致牵引功率增大,增加了车轮与铁轨间的摩擦冲击、车轴的振动幅度和动力效应。随着列车车轴的磨损,车轴会增加发热量,增大振动幅度,从而加速车轴缺陷的扩张,影响列车正常运行。一般通过对车轴轴温和振动的监测直观反映列车车轴的运行状况,声表面波温度传感器是一种可以反映列车车轴状态的检测装置。一般地,声表面波温度传感器检测系统主要由3 部分组成:声表面波温度传感芯片、信号读写器及无线中继、后台监控系统。由于声表面波温度传感芯片为无源无线,因此

声表面波传感器的工作原理及应用综述

,需要额外供电。声表面波温度传感器可以安装于需要测温的列车车轴上,准确地跟踪发热点的温度变化。声表面波温度传感器应用于列车的优势主要表现在: 其测温芯片可以通过天线和信号读写器进行无线通信,每个信号读写装置对应多个探测点,即插即用,便于扩大规模和系统升级; 信号读写器将温度信号处理成数字信号通过光纤传输至后台监控系统,从而实现长距离无中继传输; 后台监控器采用时分复用或频分复用等方式同时控制1 —— 100 个信号读写器,而每个信号读写器可同时对应多个声表面温度传感器。

2.4 声表面波传感器及其在湿度检测中的应用

湿度检测在仓储、粮食及食品防霉、温室种植、环境监测、仪表电器、交通运输、气象、军事等方面均起着越来越重要的作用。由于在常规的环境中,湿度是一个很难准确测量的参数。因此,湿度测量需要具有高灵敏度、快速响应速

度高等性能。浙江大学的陈裕泉课题组通过对声表面波传感器扰动理论模型及其质量负载效应、声电祸合效应等响应机理进行了深入剖析,从根本上为声表面波传感器的结构设计、湿敏材料选择提供了理论依据和参考。同时,还使用精密光刻工艺制备出了高频声表面波单端谐振器作为湿敏传感器的基本换能元件,并开发了具有高性能的声表面波高频振荡电路及整套的检测系统以及提出了新型的叉指电极串联式声表面波传感器结构,为高频声表面波传感器的设计提供了新的思路,满足了其在湿度检测中的应用。

2.5 声表面波传感器在复杂多变环境中的应用

长期以来,传统的温度传感器存在许多无法克服的缺陷,不能满足实际多变的测量需求。浙江大学的叶学松课题组以YZ 切铌酸锂( LiNbO3 ) ,128°YX 切LiNbO3,ST 切石英和YX 切石英4 种不同压电敏感材料为基底,设计和制

作了单端口谐振型声表面波温度传感器。研究结果表明: LiNbO3 声表面波温度传感器较石英传感器具有较大的频率温度系数; 在0 —— 80 ℃ 范围内,YZ 切LiNbO3,128°YX切LiNbO3 和YX 切石英较ST 切石英的温度传感器具有线性的温度频率特性; 石英声表面波温度传感器较LiNbO3 传感器具有较大的品质因数和较强的回波信号;在相同的测试条件下,当无线传输距离小于10 cm 时,YZ

切LiNbO3 温度传感器的测量精度较高; 当距离超过10 cm后,YX 切石英传感器具有较高的测量精度。该研究结果对于单端口谐振型声表面波温度传感器的设计和制作具有普遍的意义,为制备在复杂多变环境中的声表面波传感器提供了重要的指导作用。

3 结论

为了适应未来多变的环境、快速以及智能化的生活模式,未来声表面波传感器应向微型化、灵活化、智能化以及高精度高可靠性等方向发展。具体的研究如: 1) 新型器件敏感材料的开发和制备,提高声表面波传感器的性能及可靠性; 2) 加强声表面波传感器的理论设计,为声表面波传感器的智能化、微型化提供有力的理论指导; 3) 发展声表面波传感器的集成工艺,使声表面波传感器可与多种设备互相兼容。