安徽工业大学 传感器与检测技术 学 姓 专 号：1820190112 名：朱家伟 业：机械工程 指导老师：刘庆运 2018 年 11 月 20 日 

朱家伟（1820190112）：声表面波传感器 声表面波传感器 传感器经历了三个发展阶段：１９６９ 年之前属于第一阶段，主要表 现为 结构 型 传 感 器；１９６９年之后的２０年属于第二阶段，主要表现为固态传 感器；１９９０年到现在属于第三阶段，主要表现为智能传感器;未来，预计传 感器发展的第四阶段是向微系统传感器衍进;智能化、微型化、仿生化是未来传 感器的发展趋势。本文主要以声表面波传感器为例，介绍声表面波无线传感器的 现状、结构以及发展趋势。 1.声表面波传感器的发展历程 由于传感器在信息采集中的重要性，使传感器得以快速发展。但传感器与被 测单元之间使用电缆连接，即有线实时数据传输依旧是不可能的，因此必须采用 无线连接方式。根据供能方式的不同可将无线传感器划分为：有源无线传感器以 及无源无线传感器。虽然有源无线传感器可同时附加各种电路用于处理、控制， 但是在很多应用中无法提供电源或者难以补充电源。而无源无线传感器依靠接收 的电磁波来提供能量工作，因而无源无线传感器更适合在高温、震动、潮湿以及 电离辐射等恶劣环境中应用。 声表面波传感器是声表面波器件一个较新的应用分支，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。 人们对声表面波技术的研究从二十世纪六十年代开始。1965 年，White 和 Voltmer 等人发现，在压电基片上可以通过叉指换能器产生和接收声表面波,通 过使用叉指换能器的结构，可以完成电磁波信号和声波信号的直接转换。这一发 现给声表面波器件奠定了理论基础。在之后的研究中，随着压电材料和半导体工 艺等技术的进步，声表面波器件技术飞速发展。二十世纪八十年代，无线无源声 表面波传感器开始被提出和研究。声表面波器件的电－声、声－电转换和高效蓄 能特性为声表面波器件的无源无线应用奠定了基础。由于压电效应和逆压电效 应，叉指换能器能够将电磁波和声表面波相互转换，即实现机电能量互换。由于 声表面波的频率至少大于 10MH， 属于电磁波射频范围，所以声表面波器件可以 直接从空间耦合射频电波，实现无源、无线工作方式。声表面波器件的这一特性 结合它的二元以及多元编码功能，首先被用作无线非接触识别器。 声表面波传感器器件主要分为标识传感器和感知传感器。标识传感器用来对 身份信息（ＩＤ）进行确认、验证、辨别和管理，目前有应用于有轨列车的定位 1 

朱家伟（1820190112）：声表面波传感器 与跟踪，煤矿井下人员、设备和环境的实时监控，服装企业的商品标签物流管理 等方面。由于声表面波传感器可以对很多种物理量进行测量，相比于标识传感器， 它作为感知传感器的应用更加广泛。目前，声表面波感知传感器已经在温度、压 力、扭矩、气体感应等传感领域有了大量的应用。在普通传感器无法适应和正常 工作的苛刻领域，声表面波传感器有着更大的发展空间。 2.声表面波传感器的结构 声表面波器件在物理结构上主要由叉指换能器、基片和反射栅三部分组成。 叉指换能器用来完成电磁波和声波之间的互换；声波产生后沿压电基片表面传 输；反射栅用来反射声表面波。叉指换能器和反射栅的结构比较简单制备工艺相 对成熟常，由金属气相沉积和光刻工艺制作而成。根据声波不同的传输过程，声 表面波器件分为延迟线型和谐振型；压电基片的不同也会影响声波的传播。 在延迟线型声表面波器件中，叉指换能器将接收的电磁波信号转换为声表面 波信号，该声波信号从叉指换能器一端向设有声表面波反射栅的另一端传播，经 该反射栅反射后，声表面波回到叉指换能器端，最后由其转换回射频电磁波信号。 在谐振型声表面波器件中，由叉指换能器转换的声表面波信号在由一对反射 栅形成的谐振腔中谐振，其谐振次数和衰减时间与谐振腔的品质因数相关。在谐 振过程中，声表面波通过安置在中间的叉指换能器转换回射频电磁波信号。 3.声表面波传感器的应用 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。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。 高温环境是一个典型的苛刻领域，大部分传感器在此环境中都不使用，而声 表面波传感器的一个主要发展方向就是高温环境下测量。目前，已研发了能在 500℃条件下工作的压力传感器和能在 750℃条件下工作的气体传感器等。 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。 2 

朱家伟（1820190112）：声表面波传感器 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。 4.声表面波传感器的发展趋势 由于声表面波无源无线传感器具有非接触、快速、无电源、抗干扰、易编码、 保密性好、成本低等优点，目前，已广泛应用于许多领域。由它构成的传感器阵 列，传感元之间可无信号线连接，阵列输出也无需引线连接，分布更容易，应用 不受限制，特别适合一些应用环境复杂，不宜接触的工程结构和环境的遥测、传 感和目标识别。将无源的声表面波传感元分布在大型机械结构的运动部位，能不 妨碍其运动而得到各种动态参数， 如火车轮子、火炮及坦克的履带等；也可以 将无源的声表面波器件置于地下及海洋的金属管道及线路中，还可以将它放置于 许多不能有电源、高电压、强电磁场及强加速度运动的场合等。此外，适当加入 其它敏感的材料于声表面波结构中，可传感各种其它的物理、化学参数，构造出 更多种类的无源无线传感器。 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。优化天线设计、 射频电路设计和信号处理算法可以提高无线收发模块的整体效能。在未来发展方 向上，一方面是要提高无线传输距离，增强传感器在更恶劣环境下的适应力，另 一方面，在一个器件上集成能测量多种目标类型的传感器。 因此，对无源无线声表面波传感器的研究，有广泛的应用前景。 3