在电场强度、电位移和应力、应变这四组变量中,可以任选一组力学量和一组电学量作自变量,这就有四种情况,有四组压电方程。

Presentation on theme: "在电场强度、电位移和应力、应变这四组变量中,可以任选一组力学量和一组电学量作自变量,这就有四种情况,有四组压电方程。"— Presentation transcript:

1 在电场强度、电位移和应力、应变这四组变量中,可以任选一组力学量和一组电学量作自变量,这就有四种情况,有四组压电方程。
(1)选取应变分量Sk和电位移分量Dj为独立变量,得到h型压电方程

2 式中,cDhk是电位移不变(恒电位移)时的弹性常数或开路弹性常数;βSij是应变不变(恒应变)时的介质隔离率(也称倒介电常数)或受夹介质隔离率;hjh、hik称为压电刚度常数,简称压电常数。
(2)选取电场强度分量Ej和应力分量Tk为独立变量,得到d型压电方程

3 (3)选取应力分量Tk与电位移Dj为独立变量,得到g型压电方程
式中,sEhk是恒电场下的柔性常数,也称短路柔性常数;εTij是恒应力下的介电常数,也称自由介电常数;djh、dik称为压电应变常数,简称压电常数。 (3)选取应力分量Tk与电位移Dj为独立变量,得到g型压电方程 式中,sDhk是恒电位移下的柔性常数,或称开路柔性常数;βTij是恒应力下介电隔离率,也称自由介电隔离率;gjh、gik称为压电电压常数,简称压电常数。

4 (4)选取应变分量Sk与电场强度分量Ej为独立变量,得到e型压电方程
式中,cEhk是恒电场下的弹性常数,或称短路弹性常数;εSij是应变不变时的介电常数或称受夹介电常数;ejh、eik称为压电应力常数,简称压电常数。

5 在压电方程中,弹性常数、柔性常数各有36个,压电常数有18个,介电常数、介电隔离率各有9个。由于晶体的对称性,独立的常数将有不同程度的减少。例如常用的压电材料,石英晶体和压电陶瓷的压电方程如下:
石英晶体属32点群(三角晶系),由其常数矩阵可写出其d型压电方程,即

6 (纵向振动) (横向振动) (轮廓切变) (轮廓切变) (厚度切变)

7 压电陶瓷的常数矩阵同六角晶系6mm点群。其d型
压电方程如下: (横向振动) (横向振动) (纵向振动) (厚度切变) (厚度切变)

8 6.1.3 压电材料 石英晶体是最早应用的压电材料,至今石英仍是最重要的也是用量最大的振荡器、谐振器和窄带滤波器等元件的压电材料。随着压电传感器的大量应用,在石英之后研制出了许多人造晶体,如罗息盐、ADP、KDP、EDT、DKT和LH等压电单晶体。但由于它们的性能存在某些缺陷,后来随着人造压电石英的大量生产和压电陶瓷性能的提高,这些人造单晶体已逐渐被取代了。

9 现今压电传感器的材料大多用压电陶瓷。压电陶瓷的压电机理与单晶不同,是利用多晶压电陶瓷的电致伸缩效应。极化后的压电陶瓷可以当作压电晶体来处理。当前常用的压电陶瓷是锆钛酸铅(PZT)。另外,铌酸锂和钽酸锂大量用作声表面波(SAW)器件。此外,氧化锌和氮化铝等压电薄膜已是当今微波器件的关键材料。 压电单晶和压电陶瓷都是脆性材料。而以聚偏二氟乙烯(PVDF)为代表的压电高聚物薄膜,压电性强,柔性好,特别是声阻抗与水和生物组织接近,是制作传感器的良好材料。用压电陶瓷和高聚物复合而成的压电复合材料也已在压电传感器领域中得到应用。

10 6.2 压电加速度传感器 6.2.1 压电加速度传感器的工作原理 1.原理
6.2 压电加速度传感器 6.2.1 压电加速度传感器的工作原理 1.原理 图6.2为压电加速度传感器的原理图。它由质量块、压电元件和支座组成。支座与待测物刚性地固定在一起。当待测物运动时,支座与待测物以同一加速度运动,压电元件受到质量块与加速度相反方向的惯性力的作用,在晶体的两个表面上产生交变电荷(电压)。

11 当振动频率远低于传感器的固有共振频率时,传感器的输出电荷(电压)与作用力成正比。电信号经前置放大器放大,即可由一般测量仪器测试出电荷(电压)大小,从而得知物体的加速度。  
图6.2 压电加速度传感器原理图

12 图6.3 作用于压电元件两边的力

13 2.灵敏度公式的推导 如图6.3所示,作用于压电元件两边的力为 式中,M为质量块质量,m为晶片质量,a为物体振动加
上 下 式中,M为质量块质量,m为晶片质量,a为物体振动加 速度,晶片中z处任一截面上的力为

14 式中,l为晶片厚度。平均力为 设晶片为压电陶瓷,极化方向在厚度方向(z方向)。由 于作用力沿着z方向,故这时只有T3不等于零,其平均值为
选用d型压电方程,得

15 式中,A为晶片电极面面积。质量块一般采用质量大的金属如钨或其他金属制成,而晶片很薄,即有M>>m,故上式通常写为
Q=d33Ma a=g(重力加速度)时得到的电荷Q值,常称为灵敏度,单位记为C/g,即灵敏度为一个g产生的电荷。上式为灵敏度的电荷表示法。灵敏度亦可用开路输出电压表示,因为

16 式中,Cd为晶片的低频电容(自由电容) 所以 取a=g,即为灵敏度的电压表示法,即一个g时产生 的开路电压,单位记为V/g。

17 3.固有共振频率 由上面的灵敏度公式可见,在低频时灵敏度是一常数,它和压电常数成正比,和质量块的质量成正比。在较高的频率下该公式不适用,特别到传感器的固有共振频率附近,灵敏度急剧变化(增大),该公式一般在传感器固有共振频率的1/2~1/5以下使用。可以近似地把质量块看成一个纯质量(忽略其弹性),晶片看成一纯弹性元件(忽略其质量)来计算传感器的固有频率。如将晶片看成一弹簧,则由定义可求出其劲度系数为

18 式中,E为压电晶片的杨氏模量。则固有频率

19 6.2.2 压电加速度传感器的结构 图6.4(a)为常用的压缩式压电加速度传感器。这是目前最常见的一种。结构简单,装配较为方便。为便于装配和增大电容量常用两片极化方向相反的晶片,电学上并联输出。采用石英晶片时也有采用四片晶片并联的方式。

20 图6.4 压电加速度传感器的几种结构

21 图6.4(b)是剪切式压电加速度传感器,采用剪切应力实现压电转换。管式压电元件(极化方向平行于轴线,电极面在内外圆柱面上)紧套在金属圆柱上,在压电元件外径上再套上惯性质量块,相互之间用导电胶粘结。工作原理是:如传感器感受向上的运动,金属圆柱向上运动,由于惯性质量环保持滞后,这样压电元件就受剪切应力作用,从而在压电元件的内外表面上产生电荷;如果传感器感受向下的运动,则压电元件内外表面上的电荷极性相反。这种结构形式的传感器灵敏度高,横向灵敏度小,而且能减小基座应变的影响。

22 剪切式压电传感器容易小型化,有很高的固有频率,所以频响范围宽,适于测量高频振动。但是,由于压电元件、金属圆柱以及惯性质量环之间粘结较难,装配成功率较低。
图6.4(c)为弯曲式压电加速度传感器。压电晶片粘贴在悬臂梁的侧面,悬臂梁的自由端装配质量块,固定端与基座连接。振动时,悬臂梁弯曲,侧面受到拉伸压缩,使压电元件发生形变,从而输出电信号。也可用圆板代替悬臂梁,在圆周装配质量块,在圆板表面上安装压电元件。弯曲式压电加速度传感器固有共振频率低,灵敏度高,适用于低频测量。缺点是体积大,机械强度较前两种差。

23 采用不同的结构设计和选用不同性能的压电材料,可以得到满足各种使用要求的压电加速度传感器。表6.1给出了三种基本结构的加速度传感器的一般性能。

24 表6.1 加速度传感器的一般性能

25 计算举例:一96%钛酸钡,4%钛酸铅的混合压电陶瓷作压电元件的加速度计,结构如图6.4(a)所示。参数如下:

26 经计算得固有频率为 静电容量 电压灵敏度

27 表6.2列出了一种市售压电加速度传感器的主要技术指标,供参考。这种压电加速度传感器采用剪切设计,内装集成电路,是一种低阻抗电压输出加速度传感器。图6.5是这种压电加速度传感器的外形图。

28 表6.2 一种市售压电加速度传感器的主要技术指标

29 图6.5 一种压电加速度传感器的外形

30 6.2.3 压电加速度传感器的等效电路 压电元件是压电式传感器的敏感元件。当它受到外力作用时,就会在电极上产生电荷,因此,可以把压电式传感器等效为一个电荷源与一个电容并联的电荷发生器,等效电路如图6.6(a)所示。由于电容上的(开路)电压 因此压电式传感器也可以等效为一个电压源和一个 电容串联的电压源,等效电路如图6.6(b)所示。

31 图6.6 压电加速度传感器的等效电路 (a)等效电荷源; (b)等效电压源

32 当压电式传感器与测量电路配合使用时,方块图如图6
当压电式传感器与测量电路配合使用时,方块图如图6.7所示。这样在等效电路中就必须将前置放大器的输入电阻Ri、输入电容Ci,以及低噪声电缆的电容Cc包括进去。因此,当考虑了压电元件的绝缘电阻Rd以后,完整的等效电路可表示成如图6.8所示的电荷等效电路(a)和电压等效电路(b)。这两种等效电路是完全等效的。

33 图6.7 测量电路方块图

34 图6.8 完整的等效电路 (a)电荷等效电路; (b)电压等效电路

35 由于压电传感器的内阻抗很高、输出电信号很弱,一般需将电信号经高输入阻抗的前置放大器放大再进行传输、处理和测量。前置放大器的主要作用是将压电传感器的高阻抗输出变换成低阻抗输出,也起放大弱信号的作用。压电传感器的输出信号经过前置放大器的阻抗变换和放大后,就可以采用一般的放大、检波指示或通过功率放大至记录和数据处理设备。前置放大器应距传感器尽量近,常将其与传感器装配在一起,或集成在一起。否则,传感器的输出信号需由低噪声电缆输入到高输入阻抗的前置放大器。

36 按照压电式传感器的工作原理及其等效电路,传感器可看成电压发生器,也可看成电荷生器。因此前置放大器也有两种形式:一种是电压放大器,一般称作阻抗变换器,其输出电压与输入电压成比例;另一种是电荷放大器,其输出电压与输入电荷成比例。这两种放大器的主要区别是:使用电压放大器时,测量系统的输出对电缆电容的变化很敏感,连接电缆长度的变化明显影响测量系统的输出。而使用电荷放大器时,电缆长度变化的影响差不多可以忽略不计,允许使用很长的电缆,但它与电压放大器比较,价格要高得多,电路也比较复杂,调整又比较困难。

37 6.3 压电谐振式传感器 6.3.1 石英晶体谐振式温度传感器 1.工作原理
6.3 压电谐振式传感器 6.3.1 石英晶体谐振式温度传感器 1.工作原理 压电谐振式传感器是利用压电晶体谐振器的共振频率随被测物理量变化而变化进行测量的。压电晶体谐振器常采用厚度切变振动模式AT切或BT切型的石英晶体制作。当电极上加上电激励信号时,

38 利用逆压电效应,振子将按其固有共振频率或其泛音产生机械振动,与此同时按照正压电效应电极板上又将出现交变电荷,通过与外电路连接的电极对振子予以适当的能量补充,便可构成使电和机械的振荡等幅地持续下去的振荡电路。图6.9为放大器表示法的压电晶体振荡电路。

39 图6.9 压电晶体振荡电路

40 Y切的晶体作厚度剪切模振动时有正的频率温度系数,在长度方向上振动时有负的频率温度系数。总的温度系数可以从-20×10-6/°C到+100×10-6/°C。X切的晶体在厚度方向上振动时,频率温度系数近似为-20×10-6/°C。可根据对频率温度系数的要求加以选择。

41 可根据温度每变化1°C振荡频率变化若干Hz的要求与晶体的频率温度系数来确定振荡电路的基本共振频率。例如,要求温度变化1°C频率变化1000Hz,亦即分辨率为0.001°C,　如果晶体的频率温度系数为35.4×10-6°C,则晶体的基本共振频率为

42 一种具有线性温度－频率特性的石英切型,是如图6
一种具有线性温度－频率特性的石英切型,是如图6.10所示的LC切——(yxwl)11°10′/9°24′的平凸透镜形谐振器。当谐振器的直径为6.25mm,表面曲率半径约为125mm时,谐振频率取28MHz(三次谐波),可满足上例要求。 图6.10 LC切平凸透镜形谐振器

43 2. 结构和电路框图   谐振器置于充氦气TO-5型三极管壳内,管壳内压力约133Pa。为了降低热惰性,压电元件置于外壳的上盖附近,使其与上盖的间隙尽量小。该温度传感器在10~9000Hz的频率范围内,经受单次冲击达104g、振动加速度幅值达104m/s2的情况下,仍能保持其初始灵敏度。其他性能指标为:分辨率0.0001°C,绝对误差0.02°C,温度频率特性的非线性为0.05°C(0~100°C),热惰性时间常数为1s(在水中)。

44 与该传感器配套的测温仪电路框图如图6.11所示。该测温仪能够进行T1和T2两路的温度测量,还能确定温差T1-T2,转换分辨率选择开关,可按10-2、10-3或10-4°C的分辨率进行测量。如果采用一个传感器测温,传感器相应的热敏振荡信号与基准振荡器十倍频后的信号混频后输出,输出值除以1000Hz/°C即为被测温度。

45 图6.11 测温仪电路框图

46 6.3.2 石英晶体谐振式压力传感器 1.工作原理 厚度剪切模的石英振子固有共振频率为

47 可见,频率与厚度h、密度ρ、厚度剪切模量CD66三者均有关系。当石英振子受静态压力作用时,振子的共振频率将发生变化,并且频率的变化与所加压力呈线性关系。这一特有的静应力－频移效应主要是因CD66随着压力变化产生的。图6.12示出了AT切型振子频率与(不同应力作用角α)压应力的关系曲线。

48 图6.12 AT切型振子频率与压应力的关系曲线

49 2.结构和电路框图 一种较好的石英谐振压力传感器的石英谐振器QPT的结构如图6.13所示。它由石英的薄壁圆柱筒（3）、石英谐振器（2）、石英端盖（1、4）以及电极（6、7）等部分组成。其关键元件是一个频率为5MHz的精密透镜形石英谐振器,位于石英圆柱筒内。圆柱筒空腔（5、8）内充氦气,用石英端盖进行密封。

50 为了消除热应力,筒和盖相对于结晶轴的取向一致,以保证所有方向的线膨胀系数相等,或者振子和圆筒为整体结构,由一块石英晶体加工而成。石英圆筒能有效地传递振子周围的压力,并有增压作用。在传感器内部采用双层恒温器,以保证传感器工作温度的稳定(误差不大于±0.05°C)。被测压力通过隔离膜片由高弹性低线胀系数的液体介质传递给石英谐振器。这种传感器可以测量液体的压力,量程达到70MPa。

51 图6.13 石英谐振器QPT的结构

52 图6.14为这种石英谐振式压力传感器的结构。图中QPT靠薄弹簧片N悬浮于传压介质油O中。压力容器由铜套筒C和钢套筒S构成,隔膜D与钢套筒S连接,E为QPT的电接头。QPT的温度由内加热器HI和外加热器HO控制。当传感器工作时,可使QPT保持在±0.05°C恒温以内,从而使振子达到零温度系数。隔膜D是容器内的油和外压力介质的分界层。液体油O(合成磷酸盐脂溶液)热膨胀系数比较低,以便减小因温度变化引起的液体油压变化而造成的(温度)读数误差。端盖用不锈钢制造,P为压力进口。

53 图6.14 石英谐振式压力传感器的结构

54 与传感器配套实现数字测量的电路框图如图6.15所示。
图6.15 与传感器配套实现数字测量的电路框图

55 石英晶片的共振频率f因附加到其上的质量的增减而变化,即
6.3.3 压电汞蒸气探测器 石英晶片的共振频率f因附加到其上的质量的增减而变化,即 式中,Δf是共振频率的变化(Hz),Δm是涂层吸附的附加质量(g),A是涂层面积(cm2)。由上式可知,如使晶片的涂层具有吸附某种气体成分的功能,则可通过测量共振频率的变化,得知该气体成分是多少。压电汞蒸气探测器是在石英晶片的电极上沉积金膜。金膜能吸收汞生成汞齐,是良好的检测汞的涂层材料。

56 一实验装置用9MHz的AT切石英晶片,用真空沉积法在电极上沉积金膜,装在晶体盒内,作为敏感元件。实验装置的框图,如图6
一实验装置用9MHz的AT切石英晶片,用真空沉积法在电极上沉积金膜,装在晶体盒内,作为敏感元件。实验装置的框图,如图6.16所示。实验表明,空气中汞浓度在3ppb以下或吸附汞量在246ng以下,频率变化是线性的，如图6.17所示。

57 图6.16 实验装置的框图

58 图6.17 空气中汞浓度与频率变化的关系

59 测量液体密度的压电传感器   测量液体密度的压电传感器的敏感元件是一个由压电晶片激励的空心音叉,图6.18为其结构示意图。音叉由不锈钢管制作,其Q值高达800,接近一般音叉,可满足检测共振频率微小变化的需要。两片压电陶瓷晶片,一片激励叉臂产生振荡,另一片接收信号。

60 图6.18 传感器结构示意图

61 流过音叉液体密度的微小变化,会导致音叉共振频率发生变化,关系式为
式中,ρ为液体密度,f为共振频率,A、B为定标系数。

62 图6.19是测量系统的方块图。由微型计算机控制的频率发生器激励传感器振动,晶片接收的信号经A/D变换后输给微型计算机,由微型计算机算出频率和密度,最后传输给显示器显示。该系统能连续测量流动液体的密度,测量迅速方便。测量的七种液体(蒸馏水及六种不同配比的乙醇与水和丙三醇与水)密度与频率的关系,如图6.20所示。测量值与校正值之间的相对偏差小于0.05%。

63 图6.19 测量系统的方块图

64 图6.20 密度与频率的关系

65 6.4 声表面波传感器 6.4.1 SAW传感器的基本原理 SAW传感器的基本原理是,在压电材料表面形成叉指换能器,构成SAW振荡器或谐振器,适当设计SAW振荡器或谐振器,使其对微细的待测量敏感。一般是使待测量作用SAW的传播路径,引起SAW的传播速度发生变化,从而使振荡频率发生变化,通过频率的变化检测待测量。由于是频率输出,很容易转换成数字形式,有利于高精度测量与计算机接口。

66 1.SAW叉指换能器 SAW的发射和接收是靠SAW叉指换能器来实现的。叉指换能器是由若干条淀积在压电材料衬底上的金属膜电极组成,基本结构如图6.21所示。这些电极条互相交叉配置,两端由汇流条连接在一起,其形状如同交叉平放的两排手指,故称为叉指电极,该种换能器称为叉指换能器（InterdigitalTransducer,简称IDT)。

67 图6.21 SAW叉指换能器结构

68 IDT是利用压电材料的压电效应来激励和接收SAW的。IDT是可逆的,既可用作发射换能器,用来激励SAW,又可用作接收换能器,用来接收SAW。当用作发射换能器时,在电极上施加适当频率的交变电信号,压电基片内的电场分布如图6.22(a)所示。该电场可分解为垂直和水平两个分量,可近似为横场模等效（图6.22(b)）或纵场模等效（图6.22(c)）,视压电材料和切割方法的不同,选取其一。

69 图6.22 叉指换能器激励SAW示意图

70 2. SAW振荡器 SAW振荡器也称SAW延迟线振荡器，它由一组SAW发射、接收IDT和反馈放大器组成,如图6.23所示。由发射换能器发射的表面波经媒质延迟被接收换能器接收。接收的信号经放大器放大,再反馈到发射换能器构成振荡回路。当放大器的增益可以补偿延迟线的损耗同时又满足一定的相位条件时,振荡器就可以起振。其振荡条件是

71 图6.23 SAW振荡器

72 式中,A是放大器增益,LP是SAW延迟线的传播损耗,LB是IDT的双向损耗,LC是放大器和IDT之间的变换损耗,φD=ωτ=ωl/v,φE是放大器通配网络和IDT的相移,l为收发换能器的距离,v为波速。通常相应的延迟相移ωl/vφE,所以,起振的相位条件可写为 (6.1)

73 3. SAW谐振器 SAW谐振器由IDT和栅格反射器组成。栅格反射器是在压电基片表面上设置的栅阵和沟槽等,其声阻抗不连续。当表面波在基片上传播时,在声阻抗不连续区(反射器)产生相干反射。若适当设计栅格反射器的长度和位置,即选择谐振腔长度,则在腔体内形成驻波,能量被封闭在腔体内。如果按某种方式从腔体中取出能量,便可得到谐振器,类似体波振子的谐振状态。

74 图6.24所示为谐振器的两种形式,即双端对(图(a))和单端对(图(b))。它们的区别是,单端对仅有一IDT同时负担发送和接收信号;双端对则有两个IDT,一个发送信号,另一个接收信号。双端对又有两种结构,如图6.25所示，即IDT置于两端的内腔式(图(a))和IDT置于中间的外腔式(图(b))。

75 图6.24谐振器的两种形式 (a)双端对; (b)单端对

76 图6.25 双端对的两种结构

77 SAW压力传感器 图6.26为SAW压力传感器的原理结构图。其SAW延迟线的基片很薄,在压力作用下,SAW传播路径的长度以及SAW的波速都要发生变化,由式(6.1)可知,二者的变化都会引起振荡频率的偏移,由偏移量的大小就可检测出基片所受压力的大小。

78 图6.26 SAW压力传感器原理结构

79 一般压电材料都有一定的温度系数,温度变化引起的频偏往往超过压力变化引起的频偏,必须对温度变化引起的频偏进行补偿。一种较简便的解决办法是采用双振荡器结构,如图6.27所示,图中二振荡器输出馈入混频器,得到差频,经低通滤波器输出。只有一个振荡器的基片与待测压力相接触,因此,压力的大小可通过差频的改变来测量。由于二振荡器的结构和材料相同,故温度变化引起的二振荡器的频偏相同,在混频器中可以互相抵消,从而补偿了温度变化。

80 图6.27 双振荡器结构

81 图6.28为一种SAW压力传感器的结构图。所有零部件都采用相同方向切割的压电石英,把它们熔焊在一起,由于它们的温度系数都相同,故减小了温度变化时热膨胀引起的额外应力变化。为了得到高灵敏度,传播基片做得很薄,并且两面抛光,从而提高耐压强度。其余三片的厚度为0.3cm。用SAW谐振器代替延迟线构成振荡器,谐振器频率为130MHz,反射栅由500个反射沟槽组成。谐振器插损10dB,Q值为10000。一个谐振器放在中间敏感压力,另一个放在基片边上做参考。灵敏度为35.5kHz/kg·cm-2,测量范围0~3.5kg/cm2。

82 图6.28 SAW压力传感器的结构图

83 通常SAW传感器的基底材料可采用LiNbO3、ZnO、石英等,也可以用单晶硅作膜片,在其上面形成压电薄膜。

84 利用SAW振荡器振荡频率随温度变化的原理构成的温度传感器,称为SAW热敏传感器。
把频率作为温度的函数展开,有 应选择合适的单晶材料切型,使上式中的一阶温度 系数a0尽可能大,而二阶温度系数b0尽可能小。

85 一个满足上述要求的例子是JCL和LST切型的两种石英晶片。其SAW波速及一、二阶温度系数列于表6
一个满足上述要求的例子是JCL和LST切型的两种石英晶片。其SAW波速及一、二阶温度系数列于表6.3。其温度灵敏度分别为1800Hz/°C和2800Hz/°C,当测量温度的时间为1s时,分辨率为100μ°C。 表6.3 JCL和LST切型晶片的一、二阶温度系数及波速值

86 另一例是,基底采用YZ切型的LiNbO3(铌酸锂),在其上面蒸发Al膜,厚度为8000,经过光刻制成叉指电极,研制成延迟型温度传感器。它和放大电路配合组成的振荡器,如图6.29所示,器件和电路同时放在温度槽内,测得的频率温度特性如图6.30所示,灵敏度为4kHz/°C,工作频率为42.65MHz。

87 图6.29 延迟型温度传感器

88 图6.30 频率—温度特性

89 SAW气敏传感器 在SAW气敏传感器中,除SAW延迟线振荡器之外,关键是要有对待测气体有特殊选择性的吸附膜。SAW器件的输出一般与大气中各种成分的含量无关,要使SAW器件对某些特殊气体敏感,需要在延迟线的两个叉指换能器之间,即声表面波的传播路径上敷设一层具有特殊选择性的吸附膜,该吸附膜只对所需敏感的气体有吸附作用。吸附膜吸收了环境中的某种特定气体,使基片表面性质发生变化,导致SAW振荡器振荡频率发生变化,通过测量频率的变化就可检测特定气体成分的含量。

90 SAW气敏传感器的敏感机理随吸附膜的不同而不同。当薄膜是绝缘材料时,它吸附气体引起密度的变化,进而引起SAW延迟线振荡器频率的偏移;当薄膜是导电体或金属氧化物半导体膜时,主要是由于导电率的变化引起SAW延迟线振荡器频率的偏移。目前选择性的吸附膜主要有三乙醇胺薄膜（敏感SO2）、Pd膜（敏感H2）、WO3（敏感H2S）、酞箐膜（敏感NO2）等。

91 选择性吸附膜是传感器的最直接的敏感部分,其特性直接影响传感器的性能。首先,它需要对特定气体有灵敏的选择性和分辨率;其次,性能应稳定可靠;第三,要有较快的响应时间并易于解吸恢复。随着敏感膜的不断发展,将会有更多的SAW气体传感器崭露头角。

92 二氧化硫(SO2)的含量是大气污染的一项重要指标。图6
二氧化硫(SO2)的含量是大气污染的一项重要指标。图6.31示出这种传感器的原理结构。两个相同的延迟线并列设置在同一基片上,并与放大器连接成SAW延迟线振荡器,其中一个延迟线的声传播路径上敷有三乙醇胺,它对SO2有吸附作用。整个基片放在一个容量为144ml的密封盒中,盒内保持室温。盒内充入SO2气体后,三乙醇胺敷层吸附SO2,使声传播路径的表面性质改变,从而导致振荡器频率也随之改变。另一个没有敷层的振荡器的频率不受SO2的影响,故两个振荡器的输出经混频后,得到的差频随SO2含量的多少而变化。采用双通道结构,温度的影响得到了补偿。

93 图6.31 气敏传感器的原理结构

94 一种SAW氢气传感器的结构与上述传感器相似。敏感膜采用钯(Pd)膜,厚度为0. 2~1μm,相当于SAW波长的0
一种SAW氢气传感器的结构与上述传感器相似。敏感膜采用钯(Pd)膜,厚度为0.2~1μm,相当于SAW波长的0.4%~2%。该器件暴露在含有0.1%~10%的H2和N2气体中,其振荡频率随气体浓度发生变化。若将它放在O2气体中,振荡频率复原。钯膜吸附氢的反应原理可能是通过氢的结合,在钯表面由于催化反应导致产生质子转移,使之导电,催化反应式为 Pd+H2→Pd+［H+］+［H+］ 质子［H+］成为导电离子,这样在Pd薄膜中因为吸附氢和解吸氢而改变了膜密度和弹性特性,从而引起表面波速度的变化。

95 6.4.5 SAW电力传感器 基片采用压电材料,当电场作用SAW传播路径时,基片将发生应变,使延迟时间发生变化。在一定范围内此变化与施加电压呈线性关系,即可构成电位频率转换器。图6.32(a)为SAW电位传感器结构图,图6.32(b)为电位－频率特性曲线。这种结构传感器的输入电压为1000V,输入阻抗为1012Ω以上。它用在复印机的带电鼓上,控制静电复印机的表面静电位,保证复印机的清晰度。

96 图 SAW电位传感器 (a)电位传感器结构图;(b)电位-频率特性曲线

97 图6.33是电力传感器的结构和外围电路,在SAW延迟线中间装置由输入电流而发热的电阻,其和放大器、移相器一起构成振荡电路。传感器的输入电流引起SAW传播路径上温度上升,改变频率。检测频率变化量,即可测出输入电流。传感器基底材料采用LiTaO3、LiNbO3,IDT电极用1μm厚的铝层制作。IDT共12对,用Ti材料作50Ω阻值的电阻,在电阻下面开一个圆形窗口,以减少基底温度。该传感器输出电压为800mV,灵敏度为1.2kHz/mV,有良好的线性和分辨率。

98 图6.33 SAW电力传感器 (a)传感器的结构; (b)外围电路

99 SAW加速度传感器能够实现固态化,直接输出频率信号,精度高、灵敏度高,采用半导体工艺制作,便于批量生产,可靠性、一致性好。
SAW加速度传感器的敏感质量块在加速度作用下,将加速度转换成力,力再作用到悬臂梁或膜片上,从而使梁或膜片上的应力发生变化。若在梁或膜片上制备有SAW谐振器,那么,应力的变化将使SAW的传播速度发生变化,从而改变SAW谐振器的谐振频率。加速度越大,谐振频率变化就越大。通过频率的测量,即可知道加速度的大小。

100 图6.34为悬臂梁式SAW加速度传感器结构示意图。
膜片式SAW加速度传感器的基片可采用LiNbO3、ZnO、石英等。也可用在其上面形成压电薄膜的单晶硅作膜片。若只靠基片本身的惯性质量承受加速度,则得到的灵敏度很低,约为10Hz/m·s-2;若使基片加上惯性质量块,则可大大提高灵敏度。

101 图6.34 悬臂梁式SAW加速度传感器

102 图6.35 膜片式SAW加速度传感器结构示意图的结构

103 图6.35是膜片式SAW加速度传感器的结构图。两个直径为10mm的石英薄片固定在不锈钢圈上,惯性质量块通过两个销钉和石英片的中心保持接触,两个频率为251MHz的延迟线制作在石英片的表面上,一个在中心,另一个在边上,这样它们对加速度的敏感程度不同,但对温度的敏感基本相同。两个振荡器的输出经过混频器输出差频,加速度的大小与差频的变化成正比,温度引起的频率增量在混频器中相抵消。

104 6.4.7 SAW流量传感器 SAW流量传感器是直接数字量输出,频率测量精度高,动态范围宽。图6.36是其原理图。在同一压电基片上有一对IDT,组成SAW延迟线振荡器。两个IDT之间设置有加热元件,将基片加热至高于环境温度的某一温度值。当有流体经由基体表面通过时,带走部分热量,基片温度降低,使SAW振荡器的频率偏移。通过测量频率的变化,得知流体流速的大小,进而得到流量的大小。 由于流量变化引起的温度变化为

105 式中,Ts是SAW基片温度;T0是环境温度;g0是在没有流体流动时,单位面积的基片和环境间的有效热导;hf是强迫对流系数,是流速的函数;Δhf是流速的变化引起的强迫对流系数的改变。SAW振荡器频率变化Δf与ΔTs的关系为 式中,f0为流速为零时振荡器的频率值,α 为振荡器的频率温度系数。从而得

106 由上式可知,若要获得高的灵敏度,就要求振荡器有大的频率温度系数,基片的热导要小。
 基片的加热可用单独的加热器,亦可在SAW的传输路径上设置吸声材料,当声传播时吸收声能使温度升高。

107 图6.36 SAW流量传感器结构原理图

108

109

110

111

112