声表面波传感技术.pptx
《声表面波传感技术.pptx》由会员分享,可在线阅读,更多相关《声表面波传感技术.pptx(49页珍藏版)》请在咨信网上搜索。
1、18.1 概述概述 声表面波(声表面波(SAW)是一种能量集中在表面传播)是一种能量集中在表面传播的弹性波。最早是由英国物理学家瑞利在的弹性波。最早是由英国物理学家瑞利在19世纪世纪80年代在研究地震波过程中偶然发现的。年代在研究地震波过程中偶然发现的。1965年,美国的年,美国的R.M.White和和F.M.Voltmov发发明了能在压电材料表面激励声表面波的金属叉指换明了能在压电材料表面激励声表面波的金属叉指换能器(能器(IDT),大大加速了声表面波技术的发展,相),大大加速了声表面波技术的发展,相继出现了许多各具特色的声表面波器件,使这门年继出现了许多各具特色的声表面波器件,使这门年轻的
2、学科逐步发展成为一门新兴的、声学和电子学轻的学科逐步发展成为一门新兴的、声学和电子学相结合的边缘学科。相结合的边缘学科。2(1)具有较低的传播速度和较短的波长;)具有较低的传播速度和较短的波长;(2)沿固体表面传播的,且传播速度较慢;)沿固体表面传播的,且传播速度较慢;(3)晶体表面传播的弹性波,不涉及晶体内部)晶体表面传播的弹性波,不涉及晶体内部电子的迁移过程;电子的迁移过程;(4)采用单晶材料和用平面工艺制造,故重复)采用单晶材料和用平面工艺制造,故重复性和一致性好,易于大批量生产。性和一致性好,易于大批量生产。声表面波特点声表面波特点(相比电磁波)3滤滤波波器器、延延迟迟线线、振振荡荡器
3、器、混混频频器器、放放大大器器、卷卷积积器器、相相关关器器、编编码码器器、声声光光调调制制器器、声声光光偏偏转转器器、声声光光开开关关、超超声声马马达达、射射频频标标签签和和传传感感器器等等。特特别别是是其其作作为为一一种种快快速速、超超小小型型的的频频率率控控制制、选选择择和和信信号号处处理理器器件件,对对电电子子和和通通信信系系统统的的发发展展起起着着极极为为重重要要的的作作用用。目目前前,SAW器器件件正正在在朝朝着着GHz频频段段到到10GHz频频段段的的超超高高频频化化发发展展。可可以以预预测测它它将将在在信信号号检检测测、信信号号处处理理中中发发挥挥越越来越重要的作用。来越重要的作
4、用。声表面波器件声表面波器件 4 用用SAW器件研制、开发新型传感器始于器件研制、开发新型传感器始于20世纪世纪80年代,起初,人们发现外界因素年代,起初,人们发现外界因素(如温度、压力、如温度、压力、磁场、电场、某种气体等磁场、电场、某种气体等)对声表面波传播特性会造对声表面波传播特性会造成影响,进而研究这些影响与外界因素的关系。根成影响,进而研究这些影响与外界因素的关系。根据这些函数关系设计了各种所需结构用于测量据这些函数关系设计了各种所需结构用于测量各种化学的、物理的、生物的被测参数。各种化学的、物理的、生物的被测参数。5 尽管尽管SAW传感器的历史并不长,在实用化方面尚有传感器的历史并
5、不长,在实用化方面尚有很多困难,但由于它的符合信号系统小型化、数字化、很多困难,但由于它的符合信号系统小型化、数字化、智能化和集成化、高精度的发展方向,因而越来越受到智能化和集成化、高精度的发展方向,因而越来越受到传感器行业的青睐,世界上许多国家对传感器行业的青睐,世界上许多国家对SAW传感器的开传感器的开发研究极为关注。从发研究极为关注。从80年代至年代至90年代,年代,SAW传感器在欧传感器在欧美,特别是在日本,获得了迅速发展,出现了十几种类美,特别是在日本,获得了迅速发展,出现了十几种类型的型的SAW传感器。近十几年来,传感器。近十几年来,SAW技术、电子技术和技术、电子技术和微平面工艺
6、的不断发展,使微平面工艺的不断发展,使SAW振荡器的频率不断提高,振荡器的频率不断提高,器件和电路器件和电路Q值不断增大,这为值不断增大,这为SAW传感器的发展提供传感器的发展提供了良好契机。了良好契机。68.2 声表面波技术的基础知识声表面波技术的基础知识1.什么是声表面波什么是声表面波 SAW泛指沿表面或界面传播的各种模式的波泛指沿表面或界面传播的各种模式的波 机械波机械波在表面传播,能量在表面传播,能量集中在厚度不超过集中在厚度不超过1 1个波长的表层个波长的表层7SAW8SAW的激发的激发1.基于压电材料的压电效应与逆压电效应基于压电材料的压电效应与逆压电效应电能电能机械能机械能电能电
7、能2.波在不连续介质处的反射波在不连续介质处的反射9Concept:IDT10v声波可以用质点离开平衡位置的位移来表示,对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。此描述声波的变量还要有电势,一共四个量。SAW的描述的描述112.声表面波的类型声表面波的类型 不同的边界条件和传播介质条件可以激发出不同不同的边界条件和传播介质条件可以激发出不同模式的声表面波。模式的声表面波。在半无限基片上存在的声表面波有瑞利波在半无限基片上存在的声表面波有瑞利波(Rayleigh wave
8、s)、漏波、漏波(Leaky SAW)、广义瑞利波、广义瑞利波(Generalized Rayleigh waves)、水平剪切波)、水平剪切波(SH-SAW)、电声波、电声波(B-G waves)、兰姆波、兰姆波(Lamb waves)等。等。在层状结构的基片存在有乐甫波在层状结构的基片存在有乐甫波(Love waves)、西沙瓦波西沙瓦波(Sezawa waves)、斯东莱波(、斯东莱波(Stoneley waves)等。)等。123.瑞利波特点瑞利波特点 瑞利波是在半无限基片边界条件下沿介质表面传播的声瑞利波是在半无限基片边界条件下沿介质表面传播的声波,波,SAW技术中所应用的绝大部分是
9、瑞利波,它具有特点:技术中所应用的绝大部分是瑞利波,它具有特点:非色散波,即波速与频率无关;非色散波,即波速与频率无关;质点作椭圆偏振,偏振平面不一定在弧矢平面内,椭圆的质点作椭圆偏振,偏振平面不一定在弧矢平面内,椭圆的主轴也不一定与传播方向或表面法线平行;主轴也不一定与传播方向或表面法线平行;质点通常有三个位移分量,并随深度方向呈衰减振荡,能质点通常有三个位移分量,并随深度方向呈衰减振荡,能量几乎集中在量几乎集中在12个波长的深度范围内;个波长的深度范围内;波的相速度依赖于晶体的切向和波的传播方向,除沿纯模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
10、向。方向外,能流方向一般也不平行于传播方向。13 目前目前SAW技术的应用已涉及地震学、天文学、技术的应用已涉及地震学、天文学、雷达通讯及广播电视中的信号处理、航空航天、石雷达通讯及广播电视中的信号处理、航空航天、石油勘探、无损检测、识别定位和传感器等许多学科油勘探、无损检测、识别定位和传感器等许多学科领域。随着电子学、声学、微平面工艺的飞速发展,领域。随着电子学、声学、微平面工艺的飞速发展,SAW技术的发展也越来越迅速,目前已成为电子、技术的发展也越来越迅速,目前已成为电子、超声领域最为活跃的学科分支之一。超声领域最为活跃的学科分支之一。4.SAW技术应用与器件技术应用与器件145.SAW器
11、件材料器件材料 SAW器件的特性在很大程度上是由压电基片材器件的特性在很大程度上是由压电基片材料决定的,一般描述料决定的,一般描述SAW器件材料的性能指标有:器件材料的性能指标有:机电耦合系数,延时温度系数,相速度、各向异性机电耦合系数,延时温度系数,相速度、各向异性因子、插入与传播损耗、密度、弹性模量与杨氏模因子、插入与传播损耗、密度、弹性模量与杨氏模量等。量等。15目前使用的目前使用的SAW基片材料主要有:基片材料主要有:压电单晶压电单晶:石英(:石英(SiO2)、铌酸锂)、铌酸锂(LiNbO3)、钽酸锂、钽酸锂(LiTaO3)、铌酸钾()、铌酸钾(KNbO3)等,重复性好、可靠性高、)等
12、,重复性好、可靠性高、传播损耗小传播损耗小,一般它们是各向异性材料,一般它们是各向异性材料,难以同时满足机电,难以同时满足机电耦合系数高,而温度系数又要小的要求;耦合系数高,而温度系数又要小的要求;压电陶瓷压电陶瓷:机电耦合系数最大:机电耦合系数最大,一致性差,一致性差,工作频率受到多,工作频率受到多晶晶粒大小和晶粒间界状况、内部气孔大小的限制,一般只适晶晶粒大小和晶粒间界状况、内部气孔大小的限制,一般只适宜作低频器件。宜作低频器件。压电薄膜压电薄膜:如:如ZnO,表面波传播特性由压电薄膜和衬底的特性,表面波传播特性由压电薄膜和衬底的特性共同决定,它可以很方便的与半导体电子器件集成为单片器件,
13、共同决定,它可以很方便的与半导体电子器件集成为单片器件,使声表面波信号处理器件或传感器与外围电路集成化使声表面波信号处理器件或传感器与外围电路集成化 16Materials178.3 SAW问题的基础理论问题的基础理论 1.压电效应及其本构方程压电效应及其本构方程 2.压电体内的波动方程压电体内的波动方程 183.压电介质中的压电介质中的Christofel方程方程 各种各种SAW问题的解都是从上述公式出发,问题的解都是从上述公式出发,结合各个问题的对称性和边界条件来求得。结合各个问题的对称性和边界条件来求得。194.声表面波特性的理论分析声表面波特性的理论分析 声表面波特性的理论分析就是根据
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 表面波 传感 技术
1、咨信平台为文档C2C交易模式,即用户上传的文档直接被用户下载,收益归上传人(含作者)所有;本站仅是提供信息存储空间和展示预览,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对上载内容不做任何修改或编辑。所展示的作品文档包括内容和图片全部来源于网络用户和作者上传投稿,我们不确定上传用户享有完全著作权,根据《信息网络传播权保护条例》,如果侵犯了您的版权、权益或隐私,请联系我们,核实后会尽快下架及时删除,并可随时和客服了解处理情况,尊重保护知识产权我们共同努力。
2、文档的总页数、文档格式和文档大小以系统显示为准(内容中显示的页数不一定正确),网站客服只以系统显示的页数、文件格式、文档大小作为仲裁依据,平台无法对文档的真实性、完整性、权威性、准确性、专业性及其观点立场做任何保证或承诺,下载前须认真查看,确认无误后再购买,务必慎重购买;若有违法违纪将进行移交司法处理,若涉侵权平台将进行基本处罚并下架。
3、本站所有内容均由用户上传,付费前请自行鉴别,如您付费,意味着您已接受本站规则且自行承担风险,本站不进行额外附加服务,虚拟产品一经售出概不退款(未进行购买下载可退充值款),文档一经付费(服务费)、不意味着购买了该文档的版权,仅供个人/单位学习、研究之用,不得用于商业用途,未经授权,严禁复制、发行、汇编、翻译或者网络传播等,侵权必究。
4、如你看到网页展示的文档有www.zixin.com.cn水印,是因预览和防盗链等技术需要对页面进行转换压缩成图而已,我们并不对上传的文档进行任何编辑或修改,文档下载后都不会有水印标识(原文档上传前个别存留的除外),下载后原文更清晰;试题试卷类文档,如果标题没有明确说明有答案则都视为没有答案,请知晓;PPT和DOC文档可被视为“模板”,允许上传人保留章节、目录结构的情况下删减部份的内容;PDF文档不管是原文档转换或图片扫描而得,本站不作要求视为允许,下载前自行私信或留言给上传者【a199****6536】。
5、本文档所展示的图片、画像、字体、音乐的版权可能需版权方额外授权,请谨慎使用;网站提供的党政主题相关内容(国旗、国徽、党徽--等)目的在于配合国家政策宣传,仅限个人学习分享使用,禁止用于任何广告和商用目的。
6、文档遇到问题,请及时私信或留言给本站上传会员【a199****6536】,需本站解决可联系【 微信客服】、【 QQ客服】,若有其他问题请点击或扫码反馈【 服务填表】;文档侵犯商业秘密、侵犯著作权、侵犯人身权等,请点击“【 版权申诉】”(推荐),意见反馈和侵权处理邮箱:1219186828@qq.com;也可以拔打客服电话:4008-655-100;投诉/维权电话:4009-655-100。