SAW传感器

杨渊华 肖功亚 刁振国

中国电子科技集团公司第五十五研究所，南京 210016

SAW传感器

杨渊华 肖功亚 刁振国

中国电子科技集团公司第五十五研究所，南京 210016

本文主要阐述了SAW传感器的原理、分类及其特点。由于SAW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。本文详细地介绍了几款具有代表性的应用。

SAW；无源无线；谐振型；延迟型

SAW；Passive wireless；Resonance type；Delay type

引言

众所周知，声表面波(SAW)器件作为信号处理器件在现代电子信息技术中已获得广泛的应用。但SAW技术在信息敏感方面也表现出卓越的优势，如其灵敏度高、直接频率和相位输出、多参量综合信号转换能力、性能稳定、无源低功耗、且与半导体工艺兼容等特点，在个体识别、物理、化学、生物传感器系统中将有极大应用前景，被认为是SAW技术的又一产业化领域，近年来广受重视。

1 直接型传感器

直接型传感器，是指直接测量外界待测物理化学量对声表面波特性的干扰，达到获取待测量特征的传感器。例如，外界温度变化会使表面波速改变，使传感器的频率特性发生变化，而被通用电子仪器测量，从而推导出外界环境的温度变化。在传感器表面，制作一可吸附并可解吸某气体的敏感介质层，当传感器置于该气体微量气氛中，次敏感层会对在其下方传播的声表面波产生干扰，导致传感器特性发生变化，从而达到测量该气体特征的目的。

直接型传感器的结构有两种：谐振型和延迟线型，在无线传感节点应用中，用法与一般的传感器一样，必须另外结合有源射频收发电路。

2 SAW传感器

在传感器技术迅猛发展的今天，对于许多传感器应用的特殊场合，传感器和被测单元间的连线通常是无法实现的，必须采用无线传感器来实现测量。

近年来，深入开发SAW器件的无源特征和无线应用的工作得到极大重视，研发的直接利用天线射频能量的射频识别型声表面波传感器（下简称SAW传感器）都是基于其特有的低耗电-声-电能量转换机理和良好的无线传输特性。

2.1 SAW传感器的特点

2.1.1 由于采用压电基片上的叉指换能器，不需要另外能量即可完成电磁波—声表面波—电磁波能量转换过程，而且声表面波换能没有阈值，效率极高，极少电磁波能量就能完成电磁波的收发过程。因此，SAW传感器不需额外能量，即它是真正无源元器件。由此，它具有不需维护，使用寿命长等优点，特别适合用于难以维护或需要长期工作的场合。

2.1.2 由于叉指换能器可与射频辐射天线直接相连，达到收发射频信号的目的，所以能直接完成无线应用，大大简化了SAW传感器节点的结构。最简单的SAW传感器节点仅由声表面波压电编码传感单元芯片和直接相连的天线组成，成本低，适于推广应用。

2.1.3 由于声表面波声速比电磁波光速低许多，声表面波传播4mm距离，即可延时一微秒左右。一微秒延迟时间，足以避免近距（<100米）内射频多次反射杂波的干扰，大大提高了有效回波的信噪比，有利于增加反射延迟型SAW传感器的读写距离或减小读写器的射频辐射功率。

2.1.4 由于声表面波换能过程中没有载流子参与，所以SAW传感器耐辐射，抗干扰能力特强，可以用于多种恶劣环境。

2.1.5 SAW传感器可工作于较宽的环境温度范围。采用常用的压电晶体，器件最高工作温度可大于200℃。采用特别的封装，已证实能较长期工作在300℃环境中。若采用特种压电材料，传感器的工作温度可更高。

2.2 SAW传感器分类与原理

电励磁双凸极电机(Doubly Salient Electromagnetic Machine,DSEM)结合了永磁电机和开关磁阻电机的特点[1-2],其定转子上无永磁材料,仅靠励磁电流来调节磁场,且转子上无绕组,结构简单,适用于航空航天等场合。其基本特性和控制方法已经得到了学者们的广泛研究[3-4]。然而,DSEM电动或起动发电运行时位置传感器的引入增加了系统的复杂程度,限制了电机的应用范围。无位置传感器技术能够提高电机系统的集成度,增强系统的适应性、抗干扰性和可靠性。因此,无位置传感器技术的研究具有重要意义。

SAW传感器按检测原理分为两种类型：谐振型和延迟型。

谐振型SAW传感器在一个或多个叉指换能器（IDT）的左右两边对称分布等间距的反射栅阵，形成谐振腔，典型的结构为单端口和双端口。由于谐振的特点，该传感器仅仅响应与谐振器固有频率相同或接近的激励信号，因此，可利用SAW谐振器良好的频率选择性直接测量反映器件固有频率的谐振频率，从而感知被测量的大小。

延迟型SAW传感器结构上有许多形式，主要有编码延迟线和带反射栅的延迟线结构。前者的激励信号主要采用编码脉冲或扫频信号方式，而后者则多采用冲激脉冲或间歇脉冲激励。延迟型主要是利用激励信号与接收信号在时间上的时延或相位上的变化进行测量的。当外界被检测量发生变化时，将影响时延或相位。检测出该时延，就可感知被测量的大小。编码延迟线利用激励信号到达各个延迟抽头的相位是否同相或反相实现编码；而常用的带反射栅的延迟线则利用反射栅位置的不同，将延时信号构成不同的编码，便于对多个传感器或标识器进行识别。

反射延迟系统工作原理如图1所示。压电芯片上制作有叉指换能器及声波反射器，反射器由多个反射体组成，作为带有特征码的反射目标。当读写器发出的射频询问脉冲被应答器的天线接收到后，与天线直接相连的叉指换能器将接受到的电脉冲转换为在晶片上传播的声表面波脉冲，因为晶片上声波反射器状态与外界环境应力有关，则被反射器反射的声回波脉冲串将带有传感信息。声回波脉冲串再由叉指换能器转换为射频电脉冲串，并从天线发射出去。读写器接收到回波脉冲串后，放大和解码，输入计算机数据库，达到传感目的。

由于声表面波传播速度低，只要芯片上反射器离开叉指换能器的距离大于2mm，有效的回波脉冲串至少延迟一微秒后才回到阅读器，此时来自阅读器本身的串扰和周围数百米内物体的反射电磁波都已衰减，对回波信号的干扰很小，这是延迟型无线传感器的独特优越处。

3 应用

由于SAW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，传感单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。因此，对SAW传感器的研究，尤其是对更远距离SAW传感器研究，有更广泛的应用前景。

3.1 轮胎胎压检测系统

采用声表面波技术的TPMS检测单元，仅由多个对轮胎内部压力和温度敏感的声表面波谐振器和小型化天线构成，结构简单。由于没有有源器件，不需要直流供电，而且体小量轻，对轮胎的动平衡不产生影响，安装简便。图2为气体压强测试用SAW传感器结构示意，SAW元件密封在有参考气压强的腔内，密封腔置于车胎内，感受车胎内实际气压的状态。由于车胎压与参考气压的差值，确定了密封腔薄膜壁的弯曲形变，也导致SAW元件性能变化，实时测量了胎压值。

3.2 射频MEMS

微传感器、微机电系统（MEMS，Micro-Electro-Mechanical Systems）正在对半导体工业产生革命性的作用。SAW技术进入MEMS领域，成为研究前沿。

图3为MEMS-IDT加速率计的截面示意图，采用了三维导电反射阵作为应力敏感元件，完成无源无线遥测功能。

3.3 电力设备管理标签

电力系统是国民经济的动脉，2007年底南方电力系统遭受冰灾造成了巨大损失，由此，电力设备管理标签的研发有巨大社会价值。

电力设备管理标签的主要功能要求为：一、设备识别号;二、设备环境温度检测;三、强电磁干扰和南北方户外环境下工作；四、2～4位存储功能。

鉴于半导体技术的标签，不能在强电磁干扰条件下可靠工作，采用延时反射型声表面波标签是唯一选择。

3.4 土壤含水量测定

草地花圃等的土壤中，所含水分对植物生长十分重要，适当浇水对节约宝贵的地面淡水有益。图4中左部为一土壤含水量测量装置，可清楚地看到无源无线SAW传感器的完整结构。本装置射频频率为434MHz，采用了变阻抗反射延迟线型结构，利用两根插入待测土壤的金属电极间电阻变化来调制SAW反射体的阻抗特性，如图4右部的SMITH圆图中的曲线所示。

4 结语

SAW传感器技术是一门适合当前信息系统发展的技术，是SAW技术发展的又一个高潮，本文仅对当前SAW传感器概念、理论、结构及应用做了一个举一废百的概述，其理论、设计、应用远未充分揭示，相信其在近期会有更大的发展。同时感谢领导、同事提供的帮助。

[1] 李源等.声表面波无源传感器及其遥测系统的研究[J].电子学报,1997, Vol.25, No.12, pp.79-81

[2] Alfred Pohl. A Review of Wireless SAW Sensors.[C] IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequecy Control, 2000, Vol.47, No.2, pp.317-332

[3] M. Binhack, et al. A combination of SAW-Resonators and conventional sensing elements for wireless passive remote sensing. [C] Proceedings of the IEEE Ultrasonics Symposium, 2000, Vol.1, pp.495-498

The SAW Sensor

YANG Yuan-hua，XIAO Gong-ya，DIAO Zhen-guo
(China Electronics Technology Group Corporation No.55 Research Institute, Nanjing 210016,China)

This article mainly elaborated the SAW sensor principle, classification and characteristics. Because of the SAW sensor has the advantages of non contact, fast, no power, anti-interference, easy coding, the confidentiality of a good, low cost advantages, it has been widely applied in many fields. This paper introduces several representative application.

10.3969/j.issn.1001-8972.2012.10.085

杨渊华(1979-)、男(汉)、江苏溧阳人、大学本科、工程师，从事SAW器件封装工艺技术研究工作。