《传感器及其应用》课件第6章.ppt

图6.25双端对的两种结构6.4.2SAW压力传感器

图6.26为SAW压力传感器的原理结构图。其SAW延迟线的基片很薄，在压力作用下，SAW传播路径的长度以及SAW的波速都要发生变化，由式(6.1)可知，二者的变化都会引起振荡频率的偏移，由偏移量的大小就可检测出基片所受压力的大小。图6.26SAW压力传感器原理结构一般压电材料都有一定的温度系数，温度变化引起的频偏往往超过压力变化引起的频偏，必须对温度变化引起的频偏进行补偿。一种较简便的解决办法是采用双振荡器结构，如图6.27所示，图中二振荡器输出馈入混频器，得到差频，经低通滤波器输出。只有一个振荡器的基片与待测压力相接触，因此，压力的大小可通过差频的改变来测量。由于二振荡器的结构和材料相同，故温度变化引起的二振荡器的频偏相同，在混频器中可以互相抵消，从而补偿了温度变化。图6.27双振荡器结构图6.28为一种SAW压力传感器的结构图。所有零部件都采用相同方向切割的压电石英，把它们熔焊在一起，由于它们的温度系数都相同，故减小了温度变化时热膨胀引起的额外应力变化。为了得到高灵敏度，传播基片做得很薄，并且两面抛光，从而提高耐压强度。其余三片的厚度为0.3cm。用SAW谐振器代替延迟线构成振荡器，谐振器频率为130MHz，反射栅由500个反射沟槽组成。谐振器插损10dB，Q值为10000。一个谐振器放在中间敏感压力，另一个放在基片边上做参考。灵敏度为35.5kHz/kg·cm－2，测量范围0～3.5kg/cm2。图6.28SAW压力传感器的结构图6.4.3SAW热敏传感器

利用SAW振荡器振荡频率随温度变化的原理构成的温度传感器，称为SAW热敏传感器。

把频率作为温度的函数展开，有

f(T)=f(T0)+［1+a0(T－T0)+b0(T－T0)2+…］

应选择合适的单晶材料切型，使上式中的一阶温度系数a0尽可能大，而二阶温度系数b0尽可能小。

一个满足上述要求的例子是JCL和LST切型的两种石英晶片。其SAW波速及一、二阶温度系数列于表6.3。其温度灵敏度分别为1800Hz/°C和2800Hz/°C,当测量温度的时间为1s时，分辨率为100μ°C。

另一例是，基底采用YZ切型的LiNbO3(铌酸锂)，在其上面蒸发Al膜，厚度为8000，经过光刻制成叉指电极，研制成延迟型温度传感器。它和放大电路配合组成的振荡器，如图6.29所示，器件和电路同时放在温度槽内，测得的频率温度特性如图6.30所示，灵敏度为4kHz/°C，工作频率为42.65MHz。表6.3JCL和LST切型晶片的一、二阶温度系数及波速值图6.29延迟型温度传感器图6.30频率—温度特性不用热传导而用热辐射也可以制成另一种类型的SAW辐射热敏传感器。它也是用SAW振荡器作为热敏元件。当待测物体放射的红外线辐射到SAW传播的路径上时，SAW波速发生变化，使振荡器的相位条件也发生变化，从而导致振荡频率改变。日本松下公司研制的这种辐射热敏传感器，其灵敏度在100℃～140℃是8.4Hz/℃；在60℃～100℃是4.8Hz/℃；在0℃～60℃是3.3Hz/℃。该传感器的分辨率为0.2℃～0.6℃。实验时热源距传感器70cm。6.4.4SAW气敏传感器

在SAW气敏传感器中，除SAW延迟线振荡器之外，关键是要有对待测气体有特殊选择性的吸附膜。SAW器件的输出一般与大气中各种成分的含量无关，要使SAW器件对某些特殊气体敏感，需要在延迟线的两个叉指换能器之间，即声表面波的传播路径上敷设一层具有特殊选择性的吸附膜，该吸附膜只对所需敏感的气体有吸附作用。吸附膜吸收了环境中的某种特定气体,使基片表面性质发生变化，导致SAW振荡器振荡频率发生变化，通过测量频率的变化就可

检测特定气体成分的含量。目前可检测的气体主要有二氧化硫、水蒸气、氢气、丙酮、硫化氢、一氧化碳、二氧化碳、二氧化氮等。为了实现对环境温度变化的补偿，SAW气敏传感器大多采用双通道延迟线结构。SAW气敏传感器的敏感机理随吸附膜的不同而不同。当薄膜是绝缘材料时，它吸附气体引起密度的变化，进而引起SAW延迟线振荡器频率的偏移；当薄膜是导电体或金属氧化物半导体膜时，主要是由于导电率的变化引起SAW延迟线振荡器频率的偏移。目前选择性的吸附膜主要有三乙醇胺薄膜(敏感SO2)、Pd膜(敏感H2)、WO3(敏感H2S)、酞箐膜(敏感NO2)等。

选择性吸附膜是传感器的最直接的敏感部分，其特性直接影响传感器的性能。首先，它需要对特定气体有灵敏的选择性和分辨率；其次，性能应稳定可靠；第三，要有较快的响应时间并易于解吸恢复。随着敏