第七章 声／超声敏传感器

《第七章 声／超声敏传感器》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第七章 声／超声敏传感器（72页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第七章声声声声/ / / /超声波敏感传感器超声波敏感传感器超声波敏感传感器超声波敏感传感器7.1 声波的基本性质7.1 声波的基本性质7.2 声敏传感器7.3 超声波传感器7.4 声表面波传感器7.5 声板波传感器7.2 声敏传感器7.3 超声波传感器7.4 声表面波传感器7.5 声板波传感器声传播过程中同一时刻不同体积元内的压强P都不同，同一体积元的压 强P又随时间变化，即 声传播过程中同一时刻不同体积元内的压强P都不同，同一体积元的压 强P又随时间变化，即 p=p(x,y,z,t)p=p(x,y,z,t)。设体积元受声扰动后压强由P。设体积元受声扰动后压强由P0 0 变为 P，则产生的逾

2、量压强（简逾压：p= P - P变为 P，则产生的逾量压强（简逾压：p= P - P0 0 ）称为）称为声压声压。测量声压可间接求 得媒质质点振动速度等。将存在声压的空间称为。测量声压可间接求 得媒质质点振动速度等。将存在声压的空间称为声场声场，声场中某一瞬时的声压值称为，声场中某一瞬时的声压值称为瞬时声 压瞬时声 压，最大的瞬时声压值称为，最大的瞬时声压值称为峰值声压峰值声压。如果声压随时间的变化是简谐规律 的，。如果声压随时间的变化是简谐规律 的，则峰值声压就是声压的振幅则峰值声压就是声压的振幅，瞬时声压对时间取均方根的值称为，瞬时声压对时间取均方根的值称为有效 声压Pe有效 声压Pe。T

3、2e01pp dtT=T取平均的时间间隔，可以是一个周期或比周期大很多的间隔声波是一种机械波声波是一种机械波，将理想流体媒质中声振动传播的方向与质点振动方 向一致的声波称为，将理想流体媒质中声振动传播的方向与质点振动方 向一致的声波称为纵声波纵声波，与质点振动方向垂直的称为，与质点振动方向垂直的称为横声波横声波。在媒质微 粒的杂乱运动中附加上声波有规律的运动，使得体积元内流入质量流出质 量，有时反过来。即体积元内媒质一会儿稠密稀疏，所以声波的传播实 际上是媒质内稠密和稀疏的交替过程，可以用体积元内压强、密度、温度、 和质点的速度等变化量来描述。在媒质微 粒的杂乱运动中附加上声波有规律的运动，使

4、得体积元内流入质量流出质 量，有时反过来。即体积元内媒质一会儿稠密稀疏，所以声波的传播实 际上是媒质内稠密和稀疏的交替过程，可以用体积元内压强、密度、温度、 和质点的速度等变化量来描述。7.1.1 声压及其描述 一、定义7.1.1 声压及其描述 一、定义声压随空间位置和时间变化的数学表达式。理想流体媒质的三个基本方程为：声压随空间位置和时间变化的数学表达式。理想流体媒质的三个基本方程为：1.有声扰动时运动方程，即声场中声压p与质点速度v的关系：1.有声扰动时运动方程，即声场中声压p与质点速度v的关系：xpdtdv=2.声场中媒质的连续性方程，即质点速度v与密度的关系：2.声场中媒质的连续性方程

5、，即质点速度v与密度的关系：tvx=)(3.有声扰动时的物态方程，即压强P微小变化与密度微小变化的关系：3.有声扰动时的物态方程，即压强P微小变化与密度微小变化的关系：dddPdPs)(=下标s表示绝热过程。由于媒质被压缩时压强和密度都增加，膨胀时二者都 降低，则系数sddP)(恒大于0，表示sddPc)(2=，c为声振动在媒质中的传播速度对于平衡态时的理想气体，000,20)(PddPcs=对于平衡态时的一般流体对于平衡态时的一般流体，00,201)(ssddPc=二、声波动方程二、声波动方程对于小振幅声波对于小振幅声波，压强的微分即声压p，密度的微分即密度增量，媒 质物态方程简化为：，压强

6、的微分即声压p，密度的微分即密度增量，媒 质物态方程简化为：=2cp若声波仅沿x方向传播若声波仅沿x方向传播，yz平面上的所有质点的振幅和位相均相同，声 波的波阵面是平面，平面波平面波波动方程的解为：)(),(kxtjAepxtp=为声源简谐振动的圆频率；k=/c0 =1/称为波数；pA 为声压幅值则由有声扰动运动方程知质点速度为：)(01),(kxtjAevdtxpxtv=vA 质点振动的振幅指将声场中某位置的声压p与该位置的质点速度v的比值将声场中某位置的声压p与该位置的质点速度v的比值，即：vpzs=对于平面声波对于平面声波，代入)(),(kxtjAepxtp=)(01),(kxtjAe

7、vdtxpxtv=和00czs=对于沿负方向的反射波对于沿负方向的反射波：00czs=可见，可见，平面声场中各位置的声阻抗率数值相同平面声场中各位置的声阻抗率数值相同，且为一常数。说明了 平面声场各位置都无能量的储存，前一个位置的能量可完全传播到后一个 位置。，且为一常数。说明了 平面声场各位置都无能量的储存，前一个位置的能量可完全传播到后一个 位置。一般zs 为复数，其实部反映了能量的传播损耗。三、声阻抗率三、声阻抗率当声波传播到静止媒质时，质点在平衡位置附近来回振动使媒质具有 了振动动能，同时媒质产生了当声波传播到静止媒质时，质点在平衡位置附近来回振动使媒质具有 了振动动能，同时媒质产生了

8、压缩和膨胀压缩和膨胀使媒质具有了形变位能，两部分 之和就是声扰动使媒质得到的能量。声传播声能量也随着转移。使媒质具有了形变位能，两部分 之和就是声扰动使媒质得到的能量。声传播声能量也随着转移。体积元V体积元V0 0 里总的声能量为动能E里总的声能量为动能EK K 和位能E和位能EP P 之和之和，即: ，即: )1(222020200pcvVEEEPK+=+=声能密度：单位体积内的声能量，即：声能密度：单位体积内的声能量，即：)1(2122020200pcvVE+=平面波的声压和质点速度代入，平面波的声压和质点速度代入，动能与位能密度是同相位的动能与位能密度是同相位的，动能密 度最大时位能也最

9、大，声能密度随时间由0变到最大，即：，动能密 度最大时位能也最大，声能密度随时间由0变到最大，即：)(cos22002kxtcpA=7.1.2 声功率和声强7.1.2 声功率和声强一个周期的平均声能密度值，即：一个周期的平均声能密度值，即：20022002021cpcpdtTeAT=为为有效声压有效声压。平均声能密度处处相等。平均声能密度处处相等2/Aepp =平均声能量流或平均声功率：平均声能量流或平均声功率：单位时间通过垂直于声传播方向面积S的平均声 能量，即：单位时间通过垂直于声传播方向面积S的平均声 能量，即：ScW0=平均声能量流密度或声强平均声能量流密度或声强：将单位时间通过垂直于

10、声传播方向的单位面积的 平均声能量，即：将单位时间通过垂直于声传播方向的单位面积的 平均声能量，即：0cI=可用单位时间、单位面积的声波向前进方向比邻媒质所作的功表示，对 于平面声波，有：eeeACATvpvcvcpdtvpTI=2002000020212)Re()Re(1式中Re 代表取实部；ve 为有效质点速度，等于2/Av声压级SPL声压级SPL定义为定义为待测有效声压p待测有效声压pe e 与参考声压p与参考声压pref ref 比值的常用对数的20倍比值的常用对数的20倍，即：)(log2010dBppSPLrefe=声强级SIL声强级SIL定义为定义为待测声强I待测声强Ie e 与

11、参考声强I与参考声强Iref ref 比值的常用对数的10倍比值的常用对数的10倍，即：refeIISIL10log10=eevpI =将代入得到声压级与声强级的关系式：001020021010400log10)400(log10log10cSPLpcpIISILreferefe+=如果测量时恰好0 c0 =400，则SIL=SPLSIL=SPL；一般情况声强级与声压级相差 一个修正项，且它通常很小。声波传播中遇到各种障碍物，会有部分声波反射回来，同时也有一部 分会透射过去。当平面声波垂直从媒质射到媒质界面上时当平面声波垂直从媒质射到媒质界面上时，反射波声 压prA 与入射波声压piA 之比r

12、p 、反射质点速度vrA 与入射波质点速度viA 之比 rv 、透射波声压ptA 与入射波声压piA 之比tp 、透射波质点速度vtA 与入射波质 点速度viA 之比tv 分别为：11111212121212121212+=+=+=+=RRRRRRvvrRRRRRRppriArAviArAp12212212121221212122+=+=+=+=RRRRRvvtRRRRRpptiAtAviAtApR1 =1 c1 、R2 =2 c2 为媒质和媒质的特性阻抗，R12 =R2 /R1 ，R21 =R1 /R27.1.3 声波的反射、折射、透射和吸收7.1.3 声波的反射、折射、透射和吸收可见，声波

13、在分界面上的反射和透射的大小仅决定于媒质的特性阻 抗。可见，声波在分界面上的反射和透射的大小仅决定于媒质的特性阻 抗。当R当R2 2 =R=R1 1 时时，r rp p =r=rv v =0=0，t tp p =t=tv v =1=1，表明没有反射、，表明没有反射、全部透射全部透射，即只要两 种媒质的特性阻抗相同，它们的分界面就象不存在一样。，即只要两 种媒质的特性阻抗相同，它们的分界面就象不存在一样。当R当R2 2 RR1 1 时时，媒质比媒质在声学性质上更“硬”，此界面称为，媒质比媒质在声学性质上更“硬”，此界面称为硬界 面硬界 面，r rv v 小于0小于0，反射波质点的速度与入射波质点

14、的位相改变180。，反射波质点的速度与入射波质点的位相改变180。当R当R2 2 Rv，于是上式可近似为：22costLvc 流体的平均流速为流体的平均流速为：tLcvcos22该测量方法精度取决于t的测量精度，同时应注意c并不是常数，而是温度的函数。2. 相位差法测流量当A为发射探头当A为发射探头、B为接收探头时B为接收探头时，接收 信号相对发射超声波的相位角为 ：当B为发射探头当B为发射探头、A为接收探头时A为接收探头时，接 收信号相对发射超声波的相位角为 ：相位差为相位差为：由于cv，于是上式可近似为：流体的平均流速为流体的平均流速为：cos1vcL+=cos2vcL=212222cos

15、cosLvcv=2cos2cLv=cos22Lcv该法以测相位角代替精确测量时间，因而可以进一步提高测量精度。3. 频率差法测流量当A为发射探头当A为发射探头、B为接收探头时B为接收探头时，超声 波的重复频率f1 为 ：当B为发射探头当B为发射探头、A为接收探头时A为接收探头时，超 声波的重复频率f2 为 ：频率差为频率差为：流体的平均流速为流体的平均流速为：Lvcfcos1+=Lvcfcos2=Lvfffcos212=fLv=cos2当管道结构尺寸L和探头安装位置一定时，上式中v直接与f无关。可见该法将能获得更高的测量精度。有关，而与c值四、超声波探伤1. 穿透法探伤穿透法探伤：穿透法探伤是

16、根 据超声波穿透工件后能量的变化 状况来判断工件内部质量的方法穿透法探伤是根 据超声波穿透工件后能量的变化 状况来判断工件内部质量的方法。 穿透法用两个探头，置于工件相 对两面，一个发射声波，一个接 收声波。发射波可以是连续波， 也可以是脉冲。其结构如下图所 示。当在探测中工件内无缺陷时，接收能量大，仪表指示值大；当工件内有 缺陷时，因部分能量被反射，接收能量小，仪表指示值小。根据这个变化， 就可把工件内部缺陷检测出来。此法的特点：探测灵敏度较低，不能发现小 缺陷；根据能量的变化可判断有无缺陷，但不能定位；适宜探测超声波衰减 大的材料；指示简单，适用于自动探伤；可避免盲区，适宜探测薄板；对两

17、探头的相对距离和位置要求较高。2. 反射法深伤a. 一次脉冲反射法一次脉冲反射法：下图以一次底波为依据进行探伤的方法。高频脉冲发生器 产生脉冲（发射波）加在探头上高频脉冲发生器 产生脉冲（发射波）加在探头上，激励压电晶体振动激励压电晶体振动，使它产生超声波使它产生超声波。超声波 以一定的速度向工件内部传播，一部分超声波遇到缺陷F时反射回来，另一部分 超声波继续传至工件底面B后也反射回来，都被探头接收又变为电脉冲。发射波T、 缺陷波F及底波B经放大后，在显示器荧光屏上显示出来。荧光屏上的水平亮线为 扫描线（时间基准）荧光屏上的水平亮线为 扫描线（时间基准），其长度与时间成正比其长度与时间成正比。

18、由发射波、缺陷波及底波在扫描线 上的位置，可求出缺陷位置。由缺陷波的幅度，可判断缺陷大小；由缺陷波的开 头可分析缺陷的性质。当缺陷面积大于声束截面时当缺陷面积大于声束截面时，声波全部由缺陷处反射回 来，荧光屏上只有T、F波，没有B波。当工件无缺陷时，荧光屏上只有T、B波， 没有F波。b. 多次脉冲反射法探伤：多次脉冲反射法是以多次底波为依据而进行探伤的 方法多次脉冲反射法是以多次底波为依据而进行探伤的 方法。声波由底部反射回至探头时，一部分声波被探头接收，另一部分又折回 底部，这样往复反射，直至声能全部衰减完为止，若工件中无缺陷，则荧光屏 上出现呈指数曲线递减的多次反射底波如下图 (b)所示。

19、当工件内有吸收性缺 陷时，声波在缺陷处的衰减很大，底波反射的次数减少，甚至消失，以此判断 有无缺陷及严重程度，如下图 (c)、(d)。当工件为板材时，为了观察方便，一 般常用多次脉冲反射法探测。7.1 声波的基本性质7.2 声敏传感器7.3 超声波传感器7.1 声波的基本性质7.2 声敏传感器7.3 超声波传感器7.4 声表面波传感器7.4 声表面波传感器7.5 声板波传感器7.5 声板波传感器7.4.1 SAW传感器的结构与工作原理7.4.1 SAW传感器的结构与工作原理7.4.2 高分辨率SAW温度传感器7.4.3 SAW气体传感器7.4.4 SAW压力传感器7.4.2 高分辨率SAW温度

20、传感器7.4.3 SAW气体传感器7.4.4 SAW压力传感器SAW传感器的关键是SAW振荡器，它由压电材料基片和沉积在基片上不同功能的 叉指换能器所组成，有延迟线型和振子型两种振荡器，其基本结构如下图所示。延迟线型SAW振荡器由一组SAW发射接收电极（IDT）和反馈放大器组成延迟线型SAW振荡器由一组SAW发射接收电极（IDT）和反馈放大器组成，其振荡 频率：)2(0ERnLVf=式中VR 为SAW传播速度，L为两个IDT之间的距离，E 为放大器相移量，n为正整数 （与电极形状及L值有关）。由上式可知，当当E E 不变不变，外界被测参量变化时，会引起VR 、L值发生变化， 从而引起振荡频率改

21、变f：LLVVffRR=0振子型SAW振荡器是在基片材料表面中央做成叉指换能器，并在其两侧配置两 组反射栅阵构成，其振荡频率f其振荡频率f0 0 与叉指电极周期长度T及声表面波传播速度V与叉指电极周期长度T及声表面波传播速度VR R 有关有关：TVfR=0因此，外界待测参量变化时会引起V外界待测参量变化时会引起VR R 、T变化T变化，从而引起振荡频率改变：TTVVffRR=0所以，测出振荡频率的改变量即可求出待测参量的变化。这是SAW传感器 的基本原理。根据基片材料（压电晶体）的逆压电效应，可制成SAW温度、压 力、电压、加速度、流量和化学传感器，通过测量振荡频率的变化而获得待 测参量值，适

22、合于高精度遥测、遥控系统。7.4.1 SAW传感器的结构与工作原理7.4.1 SAW传感器的结构与工作原理7.4.2 高分辨率SAW温度传感器7.4.2 高分辨率SAW温度传感器7.4.3 SAW气体传感器7.4.4 SAW压力传感器7.4.3 SAW气体传感器7.4.4 SAW压力传感器SAW温度传感器是根据温度变化会引起表面波速度改变从而引起振荡频率变 化的原理设计而成的SAW温度传感器是根据温度变化会引起表面波速度改变从而引起振荡频率变 化的原理设计而成的。由于外界温度变化所引起的基片材料尺寸变化量很小， 在 和 中后边一项都可以忽略。因此有：LLVVffRR=0TVfR=0RRVVff

23、=0选择适当的基片材料切型，可使表面波速度VR 只与温度T的一次项有关：)(22)(11 )()(000TTTVTVTVTVRRRR+=其中T0 为参考温度由以上两式可得：)(22)(1)()()(00000TTTVTVTVTVTVffRRRRR=即振荡频率变化量与温度变化率之间呈线性关系振荡频率变化量与温度变化率之间呈线性关系。若预先测出频率-温度 特性，则由振荡频率的变化量可检测出温度变化量，从而得到待测温度T。SAW温度传感器可以制成接触式接触式和非接触式非接触式两种。前者要求将传感器 与被测物体直接接触前者要求将传感器 与被测物体直接接触，由于基片、电池与元件的限制，其测量温度不能 太

24、高，同时会破坏被测温度场的分布，因此有一定局限性。非接触式温 度传感器不要求将传感器与被测物体接触非接触式温 度传感器不要求将传感器与被测物体接触，而是利用被测物体辐射出的 红外线使SAW振荡器的传播通路的表面温度升高而是利用被测物体辐射出的 红外线使SAW振荡器的传播通路的表面温度升高，伴随振荡频率发生变 化伴随振荡频率发生变 化，通过测量振荡频率的变化来获得温度变化值通过测量振荡频率的变化来获得温度变化值。由于这种采用测辐射 温升方式，接收红外辐射部分的热容必须很小，否则灵敏度不高；另 外，在室温附近测量温度时，易受环境温度影响，所以应使用两个振荡 频率相同的元件进行差分，并将它们安装在同

25、一个底座上封入同一外壳 中。利用非接触式SAW温度传感器可制成远距离温度无线遥测，其系统结 构框图如下图所示，其中SAW振荡器和振荡元件构成温度传感器，输出信 号通过小型简易天线发射出去，接收信号通过外差法变成低频，并用IC 计算器计频，计数器的输出送入微机并转化为温度值显示出来。7.4.1 SAW传感器的结构与工作原理7.4.2 高分辨率SAW温度传感器7.4.1 SAW传感器的结构与工作原理7.4.2 高分辨率SAW温度传感器7.4.3 SAW气体传感器7.4.3 SAW气体传感器7.4.4 SAW压力传感器7.4.4 SAW压力传感器SAW气体传感器是以SAW元件为基底材料，在其上形成选

26、择性气体敏感膜并 配以外部电路而构成的，其结构如上图所示，敏感膜在SAW传播通道上，当敏感 膜吸附气体分子与气体结合时当敏感 膜吸附气体分子与气体结合时，会引起膜密度和弹性性质等发生变化，从而使 表面波速度VR发生变化，结果导致振荡频率f0 变化。通过检测振荡频率的变化量 即可测出被吸附气体的浓度。下图给出一个双通道SAW气体传感器的结构示意图。基片用YX切向的石英 晶体基片用YX切向的石英 晶体，X方向为SAW传播方向X方向为SAW传播方向。一个延迟线振荡器（即一个通道）由两个叉指换 能器组成，明显图中有两个延迟线振荡器。一个通道的SAW传播路径即在一个 延迟线的两个叉指换能器中间，被气体选

27、择性吸附膜覆盖，吸附了气体的薄膜 会导致SAW振荡器振荡频率发生变化，由精确测量频率的变化就可测的气体浓 度。另一通道未覆盖薄膜用于参考，以实现对环境温度变化的补偿。两个振荡 器的频率经混频取差频输出，以实现对共膜干扰的补偿。射频发生器零相位功率分配器压电基片气体选择性吸附膜SAW发射器SAW接收器叉指换能器RF放大器AA混频器LPF低通滤波器上图给出SAW振荡器的原理图。当SAW元件发射器的两个电极上加有射频 电压时当SAW元件发射器的两个电极上加有射频 电压时，因逆压电效应产生于射频信号相同频率的Rayleigh SAW，并随射频 电压的周期变化而沿着压电基片的表面经延迟线向外传播，直至接

28、收器，接 收器因正压电效应将SAW转换为相同频率的电信号。当SAW在压电基片上传播 时当SAW在压电基片上传播 时，其振幅及传播速度将受到基片上气体吸附膜性质（膜厚、质量密度、黏 度、介电常数和应变模量等）的影响。如果气敏膜吸附有一定浓度的气体如果气敏膜吸附有一定浓度的气体， 改变了其性质，则会对SAW的振幅及速度的影响发生变化，输出的射频信号将 随之改变。若SAW气体传感器的气敏薄膜对气体的吸附作用转变为覆盖层的密度变化时若SAW气体传感器的气敏薄膜对气体的吸附作用转变为覆盖层的密度变化时， 延迟线传播路径上的质量负载效应使SAW的波速发生变化，进而引起振荡频率的偏 移；若薄膜的电导率随所吸

29、附气体的浓度而变化时，会引起SAW的波速漂移和衰 减；这两种情况都是振荡频率发生变化。这样，只需改变敏感膜的种类就能制成对 不同气体敏感的传感器，如用三乙醇胺（TEA）为敏感膜对SO2的响应相当大，达到 1400Hz/10-6。薄膜型SAW气体传感器的工艺结构如 右图所示。在基底材料背面淀积一层加 热膜在基底材料背面淀积一层加 热膜，基底正面淀积一层掺催化金属的 敏感膜（或在形成敏感膜后再采用淀积 一层薄的催化金属）基底正面淀积一层掺催化金属的 敏感膜（或在形成敏感膜后再采用淀积 一层薄的催化金属）。敏感材料和催化 金属材料视具体要检测的气体情况而定。 若将一些相同的或不同的多种SAW传感器

30、集成在同一芯片上构成传感器阵列，则 有利于提高传感器的可靠性和多功能 性，能快速定量地分析有毒、有害、易 燃、易爆的混合气体。利用气相层析装 置可检测出低浓度违禁品，也可用于监 测大气中CO2 的浓度以及化工过程控制、 汽车尾气排放等。衬底敏感膜氧化膜加热膜7.4.1 SAW传感器的结构与工作原理7.4.2 高分辨率SAW温度传感器7.4.3 SAW气体传感器7.4.1 SAW传感器的结构与工作原理7.4.2 高分辨率SAW温度传感器7.4.3 SAW气体传感器7.4.4 SAW压力传感器7.4.4 SAW压力传感器当某种外力加到SAW基片上时会使基片材料的弹性系数和密度发生变化当某种外力加到

31、SAW基片上时会使基片材料的弹性系数和密度发生变化， 表面波传播的速度也发生变化；同时应力引起基片应变会使叉指电极间距改 变同时应力引起基片应变会使叉指电极间距改 变，结果引起SAW振荡频率偏移。通过测量振荡频率的偏移值即可求出应力 值通过测量振荡频率的偏移值即可求出应力 值，从而获得待测的外力从而获得待测的外力。下图示出振子型、结构为独石型的SAW膜片式压力传感器原理图。它是在 一块压电基片上用超声波加工出一薄膜敏感区，上面是由换能器与电路组合 成的振荡器。为了提高测量精度，补偿温度对基片的影响，采用双换能器形 式，即薄膜区中间和边缘各放置一只性能相同的换能器。当膜片中间那只受 到拉力作用时

32、，边缘一只受到压力作用，传感器的输出为差频信号。由于两 只换能器对温度的影响相同，但作用相反，因此可使传感器的分辨率达到 0.001%。下图中a a、b为悬臂梁式结构b为悬臂梁式结构，其中图a是用38Y切石英基片的原理图， 基片正反面都光刻有叉指换能器，因此输出为差频信号且与温度变化无关输出为差频信号且与温度变化无关， 也不受电源电压变化的影响也不受电源电压变化的影响。它用于数字电子秤时，可省去A/D转换器，满量 程为3kg时误差小于0.6g。图b是用漂移小的铝合金代替石英作梁，梁的正反 面粘贴着石英晶片SAW振子，工作频率100MHz，也是输出差频信号输出差频信号，其精度和 用途与上述石英梁

33、的相似。图c所示的压力传感器敏感元件是在铝合金块上开 有眼镜状的双孔，孔上面贴有石英基片SAW振子。受力后左孔上的振子基片受 拉伸，而右孔的振子基片受压缩，其效果同悬臂梁，但灵敏度高。7.1 声波的基本性质7.2 声敏传感器7.3 超声波传感器7.4 声表面波传感器7.1 声波的基本性质7.2 声敏传感器7.3 超声波传感器7.4 声表面波传感器7.5 声板波传感器7.5 声板波传感器7.5.1 APM传感器原理7.5.1 APM传感器原理7.5.2 APM传感器的应用7.5.2 APM传感器的应用由叉指电极激发出的APM由叉指电极激发出的APM，位移方向与声波传播方向一致的称为纵向APM （

34、LAPM）位移方向与声波传播方向一致的称为纵向APM （LAPM），垂直的称为剪切APM垂直的称为剪切APM，在剪切型APM中，位移方向垂直于晶面的为 垂直剪切APM（SVAPM），平行的为水平剪切APM（SHAPM）。目前人们普遍 使用的APM传感器有两种，即兰姆波（Lamb）传感器和水平剪切型声板波（SH- APM）传感器兰姆波（Lamb）传感器和水平剪切型声板波（SH- APM）传感器。下图为Lamb传感器的结构，兰姆波是一种柔性板波，用做Lamb 传感器的压电基体目前普遍使用ZnO/Al/SiO2 /Si多层结构形成的一种复合材 料，实际上也是一种复合薄膜。叉指电极ZnOAlSiO2S

35、iSi(基体）可以将SHAPM看作是在基体的上下面之间以某一角度多次反射的SH平面 波的叠加可以将SHAPM看作是在基体的上下面之间以某一角度多次反射的SH平面 波的叠加，上下面施加了一个横向的谐振条件，使得每个APM在表面处的位移 最大。因此，SHAPM和液体介质接触时，能量损耗很小；同时，在这种情况 下可将基体板近似看作是各向同性材料，使得对APM传感器的分析大大简化。 在APM传感器中，声波在晶体和外部介质的界面处发生反射，介质特性的微小 变化，会改变界面处的机械和电学性能，引起SHAPM的反射特性变化。在界 面处，声场和相邻介质存在多种作用机制，包括电效应、质量负载效应及粘 性传输效应

36、，对这一问题在此不作深入解释。下图为APM传感器结构APM传感器结构，位于晶体底面的叉指电极激励和接收声波，根据电 极周期、板厚及所加电信号频率的不同，一般可激发出表面波（SAW）与体声波 （BAW），如浅表体波（SSBW）和声板波（APM）。首先激励频率低时出现的是 SAW首先激励频率低时出现的是 SAW，当频率增至高于表面波频率时当频率增至高于表面波频率时，最先出现的是SHAPM；紧接着才是准SAW、 SVAPM和LAPM。此外，由叉指电极激励声波，声模式和晶体板厚也有很大关 系。其中SAW和SSBW均不能到达和液体接触的界面，输出IDT检测出的SAW和SSBW 信号中不会含有有关液体性质

37、的任何信息。在APM传感器中，因为SHAPM模式 的APM在晶体和液体界面反射时因为SHAPM模式 的APM在晶体和液体界面反射时，不会发生声的模式转换，也不会在液体介质中 产生压缩波。IDTSSBWSAW金属膜压电基体APM液体介质IDT石英晶体中板厚对IDT激励声波模式有如下的影响石英晶体中板厚对IDT激励声波模式有如下的影响：当板厚和波长之 比大于7时当板厚和波长之 比大于7时，激发出的主要是SAW；当板厚和波长之比小于7时，才能激发 出APM，且传感器耦合为板波的效率与板厚和波长之比成反比。LiNbO3 或 其它晶体也具有类似性质，合理地选择板厚与波长之比，使APM模式之间 的间距拉大

38、，也就是使APM的波谱变得稀疏，可激发出单一模式的APM，避 免了各种模式APM之间的相互干扰。当APM器件和电解质接触时当APM器件和电解质接触时，与声波相作用的电场和相邻介质中的离 子或偶极子相互作用，产生电负载效应，引起边界条件变化。当周围介质 是粘性液体时，板表面的振动会引起相邻介质的粘性运动，产生粘性输出 效应，使声波特性发生变化。可见，通过电负载、质量负载和粘性传输三 种效应的作用通过电负载、质量负载和粘性传输三 种效应的作用，相邻介质的特性产生的微小变化相邻介质的特性产生的微小变化，会引起边界条件变化会引起边界条件变化， 从而使得APM传播的相速度、群速度、群延时、插损、频率、相

39、位等发生 变化，通过测量APM信号的频率、相位、相速度、群延时及插损等的变 化，即可得出相邻介质特性的变化即可得出相邻介质特性的变化。7.5.1 APM传感器原理7.5.1 APM传感器原理7.5.2 APM传感器的应用7.5.2 APM传感器的应用一、APM生物传感器一个完整的APM生物传感器由APM压电基体和生物感受膜组成一个完整的APM生物传感器由APM压电基体和生物感受膜组成。生物膜 实际上是一个对特定生化反应具有特殊敏感性的受体，它必须粘附在基体 的表面上，可以将膜及生物液体都看作是各向同性粘弹性导电介质。生物 液体中生化反应的某些产物或一些其它物质与膜选择性吸附，造成界面质 量负载

40、变化，引起声波响应。Andle等用ZXLiNbO3 APM传感器研究了抗体 和抗原发生免疫反应的生物动力学机制，使用双延迟线结构可以检测出低 于20ng的抗体。Andle等还用类似的APM器件研究了脱氧核糖核酸（DNA）杂 化问题；表明APM传感器可以检测出ng量级的特定DNA序列，其灵敏度可以 和当前所用的放射性同位素、萤光标记及酶增强技术等相媲美。此外，APM 传感器还可广泛用于临床医学诊断中，如血型鉴定，快速检测病毒。二、APM化学传感器主要是用来检测溶液中某些金属离子的浓度主要是用来检测溶液中某些金属离子的浓度。APM器件用作化学传感 器时APM器件用作化学传感 器时，需要使用一些分子

41、（配位体）对器件与介质接触的一面的化学特性 进行修饰，这些分子（配位体）可以与溶液中金属离子结合形成金属配 位体复合物，这种复合物与基体表面结合，使表面质量负载增加，引起器 件响应。其次，溶液中离子浓度变化引起与声场相关的电场变化，也会引 起器件响应。Martin等人用乙二胺作配位体对ST石英晶体表面的化学特 性进行了修饰，激发SHAPM来检测溶液中的铜离子浓度，结果质量负载 效应起主要作用；Liew等人用ZXLiNbO3APM器件研究了电解质溶液的导 电性与金属离子浓度的关系，通过测量导电性也可以测量溶液中金属离子 的浓度电负载效应起主要作用，结果表明使用LiNbO3APM的检测灵敏度和 分

42、辨率至少比使用石英晶体APM高2个数量级。此外，该传感器还可用于测 量溶液的介电常数，监测金属薄膜上的电沉积、非电沉积及金属膜的腐蚀 性等。三、APM物理量传感器主要用来测量液体物质的粘度主要用来测量液体物质的粘度、密度密度、相变等相变等。Martin等用氧化硅 谷薄膜Lamb波传感器对甘油和蒸馏水溶液的密度和粘度进行了测量，发 现密度变化主要影响声波的传播速度，而粘度变化主要影响声波的衰 减，同时也影响声波的传播速度；对低粘性（粘度小于10-3pas）液 体，测量密度时可不考虑粘度；对高粘性液体，测量密度时必须同时测 量粘度。Hoummady等用Y切割石英晶体APM传感器研究了粘弹性液体介质 的密度和粘度与APM特性之间的关系、蒸馏水冷却相变过程中声特性的变 化。Rajendran等采用ZnO-Al复合材料Lamb波传感器测量了几种含水溶液 的密度。由于APM传感器只考虑界面作用，均匀介质（如血清）的密度和粘度 可以测量，对非均匀介质（如全血）的密度和粘度则很难测量。The EndThe EndThe EndThe End