声表面波传感器
物理传感器 温度传感器 压力传感器 湿度传感器 陀螺仪（角速率）
化学、生物传 感器 无线传感器
气体(化学)传感器 液体(生物)传感器
压力检测 温度检测 电子标签识别
声表面波气体传感器
SAW传感器的基本原理是通过SAW器件表面的质量加 载，引起SAW传播速度发生变化，从而改变SAW振荡器的 振荡频率，以此来实现对气体的监控和测量
声表面波滤波器的研究
表面波的理论研究：由于声表面波有多种类型，在不同压电基片上传
播的声表面波的类型不同、传播特性不同，因此，研究声表面波的有关 理论、传播特性、抑制杂波干扰等也是一个很重要的研究领域。
改善滤波器的性能方面：主要有以改变基片材料、压电薄膜厚度、电
极上覆盖介质层等方式改善频率温度系数、获得合适的机电耦合系数、 提高工作频率和减小插入损耗等方面的研究
声表面波延迟线
延迟线：信号在传输过程中，由于多种因素的影响，总会发生不
同程度的延迟，要求统一处理的信号出现了时间差。为了把这种时 间差纠正过来，就需要将早到达的信号延迟一段时间。延迟线就是 能将电信号延迟一段时间的器件。
SAW延迟线原理
左端的IDT将输入电信号转变成声 信号，通过声媒质表面传播后，由 右端的IDT将声信号还原成电信号 输出。延迟时间τ的大小取决于基 片媒质的声表面波速度v和两换能 器之间的距离l，即τ= l／v。
2005 吉林石化公司爆 炸引起松花江重大污染
1995 东京沙林事件
2001美国遭炭疽袭击
声表面波传感器
SAW传感器优势： 富有竞争力的价格优势——光刻技术，结构相对简单 高灵敏度——声波对表面扰动的快速响应，声波能量集中于基片表面 易于集成化——输出的频率电信号易于与计算机接口组成自适应的实施系统 良好的可靠性与稳定性
声表面波延迟线
因为SAW在基片中的传播速度比电磁波慢 5个数量级，所 τ= l／v 以SAW延迟线的体积不及同轴延迟线的千分之一。而且 SAW的能量集 中在基片表面，所以SAW延迟线可以同时实 现多种信号处理功能，应用最多的是滤波和延迟功能结合。
声表面波延迟线是最早实用化且应用最为广泛的一类声表 面波器件。它以结构简单、体积小、温度稳定、一致性好 的特点在雷达、通信等电子系统中完全取代了电缆延迟线， 成为射频、中频段延迟信号的基础器件；同时还大量用在 各类传感器组中；它不仅用于雷达、通信等电子设备中作 为电信号延迟，还可以作为SAW振荡器的关键元件。
声表面波滤波器的优点
1、声表面波滤波器的尺寸小、重量轻 2、设计灵活性大、性能出色：相位特性和幅度特性可以独立设 计，并且有多种加权方式可供选用 3、插入损耗低、带外抑制高、形状因子好：是由于使用的声表 面波谐振器具有较高的谐振Q值 4、声表面波滤波器还具有一致性好、适合大规模生产的特点： 由于采用类似集成电路的制作工艺，加上声表面波滤波器的结构 相对简单，因此具有很好的一致性，产品化的声表面波滤波器在 制造过程中几乎不需要调试就能达到各个滤波器产品的性能指标 几乎一致 5、价格低：大规模生产使声表面波滤波器的生产成本降低
声表面波气体传感器
研 究 现 状
传感器响应机理研究： 分析聚合物黏弹特性对传感器性能影响，已得到优化设计参数 的提取 敏感膜：成膜简单、较高的稳定性、响应速度快 成膜技术：自组装单分子层、超临界技术代替液体溶剂（更少 的液体残留，膜更均匀） ： 多气体实时准确检测、人工神经网络的模式识别技术用在传感 器阵列上缩短传感器的响应时间 传感器 ： 声表面波传感器适用与检测大分子量有机气体，电化学传感器 用于有毒化工TIC(低分子量)和易氧化化学品的检测
声表面波振荡器
由于其其独特的优越性，声表面波振荡器在现代电子系统和军事装备应 用中已成为一种重要的微波频率源。目前应用于SAW气体传感器的振荡器 大致有两种，一种是延迟线型振荡器 另外一种是谐振器型振荡器。 延迟线型振荡器由于本身能够提供足够长的延时，电子线路延时相对于延 迟线的延时足够小，设计相对简单 。一般SAW气体传感器所采用的是延迟 线型振荡器 谐振器型振荡器的频率噪声特性优越于延迟线型的振荡器，它具有高质量 因子、低损耗、高频率稳定度的特点，但容易受外围电子线路相位的影响， 且不能提供大的传感区域。设计特点被用于液体传感器
声表面波的发展历史
1885，Rayleigh首次报道表面波（SAW）的存在 1965，White首次采用叉指换能器（IDE）激发SAW 1968，在铌酸锂(LiNb03)单晶基片以及PZT陶瓷基片上使用叉指换 能器，变能耗散大大降低 1970，首次应用于脉冲压电雷达系统 1985，SAW滤波器开始取代LC滤波器应用于电视中频与VCRs 1990，SAW滤波器开始应用于小型化的移动通讯中
声表面波的技术特点
1、具有较低的传播速度，由于声表 面波的传播速度仅为电磁波的1/10-5， 在其传播路径上容易取样和进行处 理 2、低成本:利用半导体工艺的光刻 技术（平面工艺） 3、高强度，易于设计。 4、声表面波器件可以十分方便地产 生高频和甚高频信号
声表面波器件的原理
声表面波器件是在压电基片上 制作两个声电换能器——叉指换 能器（IDT）。所谓叉指换能器， 就是在压电基片表面上形成形状 像两只手的手指交叉状的金属图 案。
声表面波器件
• • • • • • • 声表面波谐振器（resonator ） 声表面波延迟线 （delay line） 声表面波振荡器（oscillator） 声表面波滤波器（filter） 声表面波传感器（senser） 声表面波卷积器 声表面波电机（m指产生谐振频率的电子元件 声表面波谐振器是一种高Q值的声表面波谐振器，在很多方
声表面波气体传感器
市场上主流的化学气体检测器（ 市场上主流的化学气体检测器（2003）： ）：
GS（Gas chromatography----气象色谱仪） GS/MS(Gas chromatography/Mass spectormeter----气象色谱/质谱仪)
相对于GS和 相对于 和GS/MS，声表面波气体传感器的优点： ，声表面波气体传感器的优点：
声表面波气体传感器
因为声表面波器件只能测量量的大小，不能决定被 测量的物质是什么，需要跟化学的手段相结合。目前已 成功应用的有两种方式：一是与选择性的敏感膜相结合， 由它来决定被测量的是什么物质；二是与气象色谱相结 合，实现不通气体组分时间上的分离
气相色谱分离技术（技术复杂，体积大，价格昂贵）
直接利用微型快速气相色谱柱技术把在环境大气背景下的 多种微量易挥发性气体的混合物浓缩并分离，形成色谱峰从柱 中依次流出，通过控制SAW气体传感器表面的温度会使这些易 挥发性气体蒸汽按色谱峰流出顺序凝结在传感器的表面，质量 效应导致声波传递参数改变，引起SAW传感器的谐振频率发生 改变，进行分析得出被测挥发性气体的种类和浓度。
面都与石英晶体谐振器相似，它用作滤波器或者信号源中的频 率控制器件，其有用输出是谐振器跟随输入信号的稳态响应 稳态响应 品质因数(Q因数)：谐振电路所储能 量同每周损耗能量之比的一种指标
声表面波谐振器
随着通信技术的发展，对信号源的高频化、高准确度 和高稳定度提出了越来越高的要求，信号源的设计一般 是采用石英晶体谐振器在低频下产生振荡（一般为几兆 赫P几十兆赫），然后采用倍频的办法形成高频信号，这 样作的优点是石英晶体谐振器的频率稳定度高，缺点是 线路复杂，体积大，成本高，同时经过几次倍频之后， 相位噪声变大； 采用声表面波谐振器可以直接在GHZ频带产生振荡而 形成高频信号，无需倍频，这样简化了线路，缩小了体 积，降低了成本，减小了相位噪声，同时提高了可靠性
声表面波振荡器
振荡器（oscillator）是用来产生重复电子讯号（通常是正弦波或方波）
的电子元件
传统振荡器的不足：
随着现代电子技术和军事装备的发展，电子设备中信号处理的工作频率不 断提高，虽然对LC振荡器、晶体振荡器进行多次的频率变换能得到微波频 段的信源，但是： 1、在微波频段的LC型信源存在着严重的温度稳定性问题 2、晶体型振荡器在多次的频率变换导致频谱性能恶化，同时在多次的频率 变换中使用大量的元器件，使信源器件体积大、成本高、可靠性变差等 3、晶体振荡器难以实现宽的可控频率变化范围和调制频率偏移。 SAW振荡器的优点： SAW振荡器能够弥补LC振荡器、晶体振荡器各方面之不足，它具有优良的 频率温度性、高纯净频谱和低相位噪声，可靠性高，体积小，质量轻，电 磁兼容性好，工作温度范围宽等特点。
声表面波液体传感器
SAW在生物传感应用上遇到的问题
1、由于生物传感器的研究对象为液体介质，瑞利型表 面波的纵向分量会引起液体的压缩波，能量快速耗散， 不适于生物传感器的应用。
光刻胶
声表面波器件的原理
声表面波器件的工作原理是，基片左端的换能器（输 入换能器）通过逆压电效应将输入的电信号转变成声信 号，此声信号沿基片表面传播，最终由基片右边的换能 器（输出换能器）将声信号转变成电信号输出。整个声 表面波器件的功能是通过对在压电基片上传播的声信号 进行各种处理，并利用声电换能器的特性来完成的。
改进滤波器的封装方面：除了继续减小单个滤波器的封装尺寸外，对
滤波器和其它模块构成多模块互连以及将声表面波滤波器集成到片上系 统中是研究的重点，也是手机这样的便携式设备的射频前端发展的必然 趋势。
声表面波传感器
化学、生物武器等恐怖威胁，突 发性生产、环境事故要求我们快速做 出检测出危险，以最大限度的减少人 们的生命财产损失。 由于其显著的优势，声表面波传 感器在传感器领域受到越来越多的重 视。 一系列恐怖袭击事件也促使声表 面波传感器从最开始的军工转而越来 越多的在民用市场上出现。
结构紧凑、稳定性好、高频率、高灵敏度（频率的平方）、使用简 单、体积小，易于集成化、智能化、低成本和易于大批量生产
存在的问题及解决方法： 存在的问题及解决方法：
低浓度时灵敏度不高——要达到ppb量级的灵敏度需要预浓缩技术 频率越高越容易受到温度、湿度、氧化作用等影响——可以通过温 度控制电路、抗湿材料（覆盖仿钻结晶碳(DLC)的SAW器件），封装技 术解决 只能检测污染物的浓度，不能确定污染物的种类（敏感膜会选择性 吸附一类化合物，而并非一种），即只能检测已知种类的污染物——与 其他检测方法结合