工程声学/压电声学传感器

简介

压电声波技术已被使用超过 60 年。它们在压力、化学浓度、温度或质量传感器方面有许多应用。它们的检测机制基于声波传播。声波被激发并在材料表面或内部传播。传播路径特征的变化会影响波的速度和/或幅度。速度/幅度的变化可以通过测量传感器的固有频率或相位特征来监测，然后可以将其与所测量的相应物理或化学量相关联。 声波传感器使用压电材料来产生和检测声波。压电材料提供电信号与机械声波之间的转换，即电信号转换为机械声波，反之亦然。传统的压电材料包括石英、LiNbO3、AlN 和 LiTaO3。

声波传播模式

压电声波器件由声波在压电基底表面或内部的传播模式来描述。如果波在基底表面传播，则称为表面波；如果波在基底内部传播，则称为体波。

传感器设备中的机械波

用于传感器应用的机械波有两种不同类型：剪切波和压缩波。剪切波（也称为 S 波）的粒子位移垂直于波传播方向，例如水面波。压缩波（也称为 P 波）是粒子位移与波传播方向一致的波。

声波技术

表面声波 (SAW) 和体声波 (BAW) 是传感器应用中两种最常用的技术。

表面声波

SAW 器件的工作频率范围从 MHz 到 GHz，主要取决于叉指换能器的设计和压电材料

$f_{res}={\frac {V_{R}}{\lambda }}$

其中 $V_{R}$ 是由材料特性决定的瑞利波速度，λ 是波长，定义为 IDT 的周期性。下图是 SAW 延迟线配置，它包含两个 IDT，其中一个作为发射器来产生声波，另一个作为接收器，两个 IDT 之间的路径称为延迟线。当在叉指电极 (IDT) 上施加极性交替的电信号时，如图所示，由于材料的压电效应，两个电极指之间产生交替的拉伸和压缩应变区域。在表面产生机械波。机械波从输入 IDT 向两个方向传播，只有机械波能量的一半沿输出 IDT 的方向穿过延迟线。 延迟线是感应区域，通常，传感器材料沉积在延迟线上，以便化学传感器吸收目标分析物。

IDT 电极极性相反产生的表面声波

下面的动画是使用 COMSOL 对 SAW 器件二维结构进行的时域模拟。x、y 轴表示模型的位置。顶部的矩形是电极。

传感器响应

表面声波对延迟线中介质表面特性的变化敏感，这些变化会调制波的速度和幅度。

表面波速度会受到各种因素的扰动，每一种因素都代表了一种可能的传感器响应

${\frac {\delta v}{v_{0}}}={\frac {1}{v_{0}}}({\frac {\delta v}{\delta m}}\Delta m+{\frac {\delta v}{\delta c}}\Delta c+{\frac {\delta v}{\delta T}}\Delta T+...)$

• 其中 $v_{0}$ 是未受扰动的波速，$m$ 是质量，$T$ 是温度，c 是刚度。

因此，这种器件可用于质量、压力和温度传感应用。

质量传感器

最常用的表面声波 (SAW) 传感器之一是质量传感器。

应用示例：气体传感器、生物传感器

传感器材料沉积在两个 IDT 之间的传播路径上。在暴露于目标分析物（例如目标气体）后，传感器的活性传感材料仅吸附分析物分子，这会导致传感材料的质量增加，并且由于质量负载，表面声波速度在传播路径上降低。这会导致延迟时间发生变化,

$\tau ={\frac {L_{path}}{V_{R}}}$

其中 $L_{path}$ 是传播路径的长度。通过跟踪接收器 IDT 处的延迟时间变化，可以推断出目标分析物的浓度。

$\Delta \tau ={\frac {L_{path}}{V_{R}}}-{\frac {L_{path}}{V_{R^{'}}}}\propto concentration$

等效电路

Mason 的交叉场模型用于为 IDT 指针的一个周期开发等效电路。使用频率相关的电阻块。电阻对于 SAW 器件的中心频率最小，而对于其余频率则非常高。因此，输入能量仅在接近谐振频率的频率处传播。下面的等效电路是使用 ADS 实现的。

表面声波延迟线器件中一个周期 IDT 的 Mason 等效电路

表面声波延迟线器件中一个周期 IDT 的 Mason 等效电路

体声波

体声波是穿过压电材料（如石英延迟线）传播的波。它也被称为体积声波。在某些材料中，体声波的波速比表面声波快，因为 SAW 由纵波和横波组成。波速低于两者。体声波仅包含纵波或横波，因此传播速度更快。

石英晶体微天平 (QCM) 技术

QCM 是最古老、最简单的质量传感器声波器件。它由一块薄的 AT 切割石英晶体组成，两侧都图案化了平行圆形电极。在这些电极之间施加电压会导致晶体发生剪切变形。

带有前后电极的石英谐振器

QCM 原理

QCM 原理

工作原理基于质量负载，这与 SAW 传感器类似。目标分析物在涂层晶体上的体积吸附会导致有效质量增加，这会降低晶体的谐振频率，与目标分析物的浓度成正比。对于理想的传感材料，这种吸附过程是完全可逆的，没有长期漂移效应，从而提供高度可靠且可重复的测量。

频率偏移与质量负载之间的关系可以从德国蒂芬奥特教授 Günter Sauerbrey 在 1959 年开发的模型中获得

$\Delta f=-{\frac {2f_{0}^{2}}{A{\sqrt {\rho _{q}\mu _{q}}}}}\Delta m$

• $f_{0}$ - 共振频率取决于波速 (v) 和压电材料厚度，$f_{0}={\frac {v}{2d}}$
• $\Delta f$ - 频率变化
• $\Delta m$ - 质量变化
• $A$ - 有效区域
• $\rho _{q}$ - 压电材料的密度
• $\mu _{q}$ - 压电材料的剪切模量

薄膜体声波谐振器 (FBAR) 技术

FBAR 是 QCM 的一种特殊情况，其压电薄膜厚度范围从几微米到十分之几微米，使用 MEMS 技术。它们的谐振频率高达 10 GHz。它们的质量灵敏度与其谐振频率成正比。FBAR 的质量灵敏度可以达到 QCM 的 3 倍。

薄膜体声波谐振器 (FBAR)