無(wú)源SAW傳感器的工作原理

SAW 是一種能量集中在介質(zhì)表面?zhèn)鞑サ膹椥圆ǎ瑥膰?yán)格意義上講，泛指沿表面或界面?zhèn)鞑サ母鞣N模式的波，不同的邊界條件和傳播介質(zhì)條件可以激發(fā)出不同模式的 SAW。SAW 中比較常見(jiàn)的有瑞利波、水平剪切波、拉姆波、表面橫波和樂(lè)甫波等。不同模式 SAW 根據(jù)其特點(diǎn)對(duì)外界物理化學(xué)量的敏感性是不同的。例如，瑞利波對(duì)機(jī)械量敏感，但由于其質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)存在垂直分量，因而對(duì)液體表面介質(zhì)不敏感；水平剪切波和樂(lè)甫波由于不存在垂直的振動(dòng)分量，對(duì)液體敏感。SAW 最常用的波動(dòng)模式是瑞利波，所以討論瑞利波時(shí)常只用“SAW”來(lái)表示。同電磁波相比，SAW 具有以下特點(diǎn)：

（1） 較低的傳播速度和較短的波長(zhǎng)。SAW 器件的尺寸比相應(yīng)的電磁波器件尺寸小得多，這樣可以大幅度減小器件的體積和重量，有利于電子器件的超小型化。

（2） 由于 SAW 傳播速度較慢，時(shí)變信號(hào)可以完全呈現(xiàn)在晶體基底表面上，易于對(duì)信號(hào)進(jìn)行注入、提取和變換等處理。

（3） SAW 是晶體表面?zhèn)鞑サ膹椥圆?，不涉及晶體內(nèi)部電子的遷移過(guò)程，具有較強(qiáng)的抗輻射能力和較大的動(dòng)態(tài)范圍。

（4） SAW 器件采用單晶材料和平面工藝制造，重復(fù)性和一致性好，易于批量生產(chǎn)。

目前絕大多數(shù)的 SAW 器件都采用瑞利波作為實(shí)現(xiàn)途徑。瑞利波是在半無(wú)限基片邊界條件下沿介質(zhì)表面?zhèn)鞑サ穆暡ǎ瑫r(shí)瑞利波是非色散波，即波速和頻率無(wú)關(guān)。瑞利波的質(zhì)點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)是一種橢圓偏振，位移處于徑向平面，即與表面垂直的平面。在各向異性固體中，它是由平行于傳播方向的縱振動(dòng)和垂直于表面及傳播方向的橫振動(dòng)兩者的合成，兩者的相位相差 90度，振幅隨深度的變化呈現(xiàn)快速的衰減。如圖所示，SAW 中質(zhì)點(diǎn)位移振幅隨深度呈指數(shù)衰減，瑞利波能量幾乎集中在 1~2 個(gè)波長(zhǎng)的深度范圍內(nèi)。

SAW 傳感器中的敏感器件本身是無(wú)源的，也不需要像一般的無(wú)線 IC 卡那樣，利用天線耦合得到所需電源，是一種真正的無(wú)源傳感器。無(wú)源 SAW傳感器代表 SAW 傳感器的一個(gè)新發(fā)展方向，是繼陶瓷、半導(dǎo)體和光纖等傳感器之后發(fā)展起來(lái)的一種新型傳感器。這類傳感器可以敏感電、熱、力、聲、光、化學(xué)及生物等各種因素，且大部分傳感器工作時(shí)信號(hào)以 RF 信號(hào)形式輸出，不需要有線連接，因此在測(cè)量方面具有得天獨(dú)厚的優(yōu)越性。此外，SAW 傳感器還具有尺寸小、價(jià)格低、精度高、靈敏度高及分辨率高等優(yōu)點(diǎn)，并且集成電路工藝可與其制作工藝兼容，可將傳感器和信號(hào)處理電路制作在同一芯片上，這樣不但可靠性、重復(fù)性好，而且適宜大規(guī)模生產(chǎn)，是一種很有發(fā)展前途的傳感器。