[科普中國]-表面聲波

簡介表面聲波（Surface acoustic wave）是一種沿彈性材料表面?zhèn)鞑?，其振幅隨深入表面深度指數(shù)衰減的彈性波。 1885年瑞利首先解析表面聲波的性質(zhì)及其傳播特性。 表面聲波有廣泛的應(yīng)用；主要依據(jù)它的二方面特性：

1.表面聲波在材料表面?zhèn)鞑サ男再|(zhì)，和材料的相互作用規(guī)律。

2.利用壓電材料，將電信號轉(zhuǎn)換成聲信號應(yīng)用，后再轉(zhuǎn)換為電信號；

例如：表面聲波傳感器，將電訊號變?yōu)槁暡▊鬏?；而它易受物理現(xiàn)象影晌，之后，分析聲波的振幅、相位、頻率和時(shí)間延遲等，再變回電訊號，和原來輸入訊號對比而感知信息1。

表面聲波傳感器及其應(yīng)用自上世紀(jì)60年代提出利用叉指換能器在壓電晶體表面激發(fā)表面聲波以來，新型表面聲波器件的應(yīng)用已有40余年的歷史。應(yīng)用最廣泛的是表面聲波濾波器，包括射頻和中頻帶通濾波器，特別是通信濾波器。其次是表面聲波傳感器，由于表面聲波的傳播速度和衰減與傳播的環(huán)境和介質(zhì)的參量有緊密的聯(lián)系，利用表面聲波器件制作傳感器具有很高的靈敏度。

因此在自動(dòng)化、生物醫(yī)學(xué)、化學(xué)工業(yè)、環(huán)境監(jiān)測及軍事、反恐、輯毒等領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用。

表面聲波有許多模式，應(yīng)用最廣泛的屬瑞利波，因此“表面聲波(Surface Acoustic Wave,SAW )”常專指瑞利波。廣義而言，凡在固體表面及其附近傳播的聲波都屬于表面聲波。

多種表面聲波模式可用于制作傳感器，主要有瑞利(Rayleigh)波、水平切變聲板模(Shearhorizontal acoustic plate mode或SH APM)、蘭姆(Lamb)波及樂甫(Love )波四種。不同的波型模式適合于檢測(傳感)不同的介質(zhì)或參量，瑞利模式一般只適合應(yīng)用于氣體環(huán)境;而水平切變聲板模式、蘭姆模式或樂甫模式則對于氣體和液體環(huán)境都適合。

表面聲波傳感器以不同靈敏度敏感于周圍物理參量的擾動(dòng)，如溫度變化或外力作用下引起表面聲波傳播動(dòng)力學(xué)的變化，成為溫度、壓力、扭力、激波等傳感器，通常稱為物理傳感器；如在表面聲波器件表面涂敷薄層特種物質(zhì)及催化膜，以高選擇性、高效率吸附周圍的氣體、液體或固體粒子，使器件負(fù)載質(zhì)量發(fā)生變化，形成質(zhì)量、化學(xué)或生物傳感器，后者通常稱為化學(xué)或生物傳感器。要實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)、并提高檢測靈敏度，一是改進(jìn)傳感器的結(jié)構(gòu)，如選取適當(dāng)基片材料及切割方向，以得到最佳的壓電系數(shù)，二是優(yōu)化設(shè)計(jì)叉指換能器的結(jié)構(gòu)和工作頻率(典型的工作頻率范圍為25-500MHz )、并適當(dāng)選取換能器電極的材料，以提高換能效率和檢測波形；對于化學(xué)或生物傳感器而言，還要優(yōu)化選擇傳感器的敏感層以及催化膜的材料及其厚度，針對不同的檢測物質(zhì)選取與所需檢測物質(zhì)具有高親和力的敏感層材料，以適當(dāng)厚度吸附足夠的被測物質(zhì)又不影響器件的插損，并可多次反復(fù)吸附使用。為使傳感器系統(tǒng)能同時(shí)檢測不同的特定物質(zhì)，可用多個(gè)表面聲波器件組成陣列，每個(gè)器件的敏感膜吸附一種特定物質(zhì)，利用適當(dāng)?shù)男盘柼幚砑夹g(shù)，可制成化學(xué)或生物分析譜儀。

表面聲波器件常用的壓電基片為多種切割和傳播方向的石英(SiO2) ,鑰酸銼(LiN-bO3)或鈕酸鏗( LiTaO3)晶片等。由于薄膜及硅表面工藝技術(shù)的發(fā)展，常常利用在硅基片表面沉積壓電薄膜而制作表面聲波器件，以便與集成電路等微型器件系統(tǒng)組合。常用的壓電薄膜為氧化鋅(ZnO)、氮化鋁(AlN)或錯(cuò)欽酸鉛(PZT)等2。

表面聲波傳感器結(jié)構(gòu)及應(yīng)用1.瑞利波傳感器

瑞利波傳感器通常亦稱為表面聲波傳感器，一般利用128°YX-LiNbO3或ST-(X傳播)石英晶片等為基片，前者有高壓電系數(shù)，后者溫度穩(wěn)定性較好。制作瑞利波傳感器工藝過程比較簡單，因此最容易達(dá)到商品化。由于瑞利波的質(zhì)點(diǎn)位移為橢圓形軌道，位移存在法向分量，在液固界面?zhèn)鞑r(shí)，其能量會(huì)漏向液體，不適合用于液體介質(zhì)的傳感檢測，因此只能應(yīng)用于氣體環(huán)境。由于傳感器的頻率明顯受多種物理量的影響，如測定壓力時(shí)會(huì)受溫度變化的影響，因此常需保持在恒溫條件下進(jìn)行傳感、檢測，或者壓力和溫度同時(shí)測定。

2.切向水平板模傳感器

由于環(huán)境科學(xué)及生物工程與技術(shù)的發(fā)展，檢測環(huán)境污染及生物物質(zhì)的需求不斷增加。傳感器主要是用于液體環(huán)境，因此瑞利波傳感器不能使用，通常選擇切向水平位移的聲波模式，如水平切向聲板波模式(SH APM)以及Love波等表面波模式。

水平切向板波傳感器是一種聲波導(dǎo)，限制聲波能量在薄板內(nèi)，質(zhì)量檢測靈敏度依賴于板的厚度，板越薄，集中于表面的聲波能量越大，因此對于周圍擾動(dòng)的靈敏度越高。其獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)是上下表面均有切向水平位移，因此上下表面都可用于傳感。為保護(hù)叉指換能器，可將其背面用于傳感。已制成水污染傳感器，成功用于飲用水中水銀含量的檢測。

3.Love波傳感器

Love波傳感器是在水平切變表面波器件表面覆蓋薄層波導(dǎo)及超薄金屬催化膜得到，其聲波能量集中在薄層波導(dǎo)內(nèi)，因此Love波傳感器能非常敏感地反映環(huán)境的擾動(dòng)與變化。與水平切向聲板模相比，如果兩者達(dá)到相同的靈敏度，則切向水平聲板波器件要非常薄，其機(jī)械強(qiáng)度很差，而Love波器件有較厚的基片襯底，強(qiáng)度要好得多，只是love波器件工藝復(fù)雜一些。

4.Lamb波傳感器

Lamb波傳感器是在板中傳播，可看作是由傳播在板的上下表面的兩列瑞利波所組成，如果板的厚度大于2倍波長，兩列瑞利波可自由傳播。如果板的厚度小于2倍波長，則有兩群Lamb波可互相獨(dú)立地在板中傳播：即對稱Lamb波和反對稱Lamb波。通常有無限的對稱和反對稱Lamb波在板中傳播，但是只有最低階(零階)的反對稱Lamb波的速度隨板厚減小而單調(diào)減小1。

表面聲波的應(yīng)用表面聲波有下列四個(gè)主要方面的應(yīng)用：

1.電子元件方面的應(yīng)用；如：以聲波傳播為基礎(chǔ)的濾波器、振蕩器、變壓器和傳感器。表面聲波濾波器在移動(dòng)電話中得到重要的應(yīng)用。

2.無線電和電視方面的應(yīng)用；例如；表面聲波濾波器能使無線電接收的頻率范圍很窄和準(zhǔn)確。

3.地球物理利用表面聲波和聲波在地球表層傳播的性質(zhì)，監(jiān)測和預(yù)報(bào)地震。

4.利用表面聲波的性質(zhì)驅(qū)動(dòng)微射流。

總結(jié)表面聲波傳感器由于高靈敏度、高分辨率、高穩(wěn)定性、體積小以及輸出信號容易處理等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用。利用多種波型發(fā)展了多種結(jié)構(gòu)、多種材料的表面聲波傳感器，在氣體和液體環(huán)境下，應(yīng)用于物理、化學(xué)和生物方面的參量傳感和檢測。在物理傳感方面有:質(zhì)量、溫度、露點(diǎn)、濕度、密度、濃度、壓力、應(yīng)力、扭力、紫外線、電壓等等;在化學(xué)傳感方面，主要是對各種化學(xué)蒸汽、配合物、溶液、環(huán)境、食品中的化學(xué)成分或有毒有害物質(zhì)等進(jìn)行檢測;在生物傳感方面，針對細(xì)胞、抗體、細(xì)菌、病原體等進(jìn)行檢測，都得到很好的效果。隨著高科技、生物、化學(xué)及醫(yī)學(xué)的發(fā)展，表面聲波傳感器必將發(fā)揮更大的作用3。