[科普中国]-表面声波

简介表面声波（Surface acoustic wave）是一种沿弹性材料表面传播，其振幅随深入表面深度指数衰减的弹性波。 1885年瑞利首先解析表面声波的性质及其传播特性。 表面声波有广泛的应用；主要依据它的二方面特性：

1.表面声波在材料表面传播的性质，和材料的相互作用规律。

2.利用压电材料，将电信号转换成声信号应用，后再转换为电信号；

例如：表面声波传感器，将电讯号变为声波传输；而它易受物理现象影晌，之后，分析声波的振幅、相位、频率和时间延迟等，再变回电讯号，和原来输入讯号对比而感知信息1。

表面声波传感器及其应用自上世纪60年代提出利用叉指换能器在压电晶体表面激发表面声波以来，新型表面声波器件的应用已有40余年的历史。应用最广泛的是表面声波滤波器，包括射频和中频带通滤波器，特别是通信滤波器。其次是表面声波传感器，由于表面声波的传播速度和衰减与传播的环境和介质的参量有紧密的联系，利用表面声波器件制作传感器具有很高的灵敏度。

因此在自动化、生物医学、化学工业、环境监测及军事、反恐、辑毒等领域有广泛应用。

表面声波有许多模式，应用最广泛的属瑞利波，因此“表面声波(Surface Acoustic Wave,SAW )”常专指瑞利波。广义而言，凡在固体表面及其附近传播的声波都属于表面声波。

多种表面声波模式可用于制作传感器，主要有瑞利(Rayleigh)波、水平切变声板模(Shearhorizontal acoustic plate mode或SH APM)、兰姆(Lamb)波及乐甫(Love )波四种。不同的波型模式适合于检测(传感)不同的介质或参量，瑞利模式一般只适合应用于气体环境;而水平切变声板模式、兰姆模式或乐甫模式则对于气体和液体环境都适合。

表面声波传感器以不同灵敏度敏感于周围物理参量的扰动，如温度变化或外力作用下引起表面声波传播动力学的变化，成为温度、压力、扭力、激波等传感器，通常称为物理传感器；如在表面声波器件表面涂敷薄层特种物质及催化膜，以高选择性、高效率吸附周围的气体、液体或固体粒子，使器件负载质量发生变化，形成质量、化学或生物传感器，后者通常称为化学或生物传感器。要实现这些目标、并提高检测灵敏度，一是改进传感器的结构，如选取适当基片材料及切割方向，以得到最佳的压电系数，二是优化设计叉指换能器的结构和工作频率(典型的工作频率范围为25-500MHz )、并适当选取换能器电极的材料，以提高换能效率和检测波形；对于化学或生物传感器而言，还要优化选择传感器的敏感层以及催化膜的材料及其厚度，针对不同的检测物质选取与所需检测物质具有高亲和力的敏感层材料，以适当厚度吸附足够的被测物质又不影响器件的插损，并可多次反复吸附使用。为使传感器系统能同时检测不同的特定物质，可用多个表面声波器件组成阵列，每个器件的敏感膜吸附一种特定物质，利用适当的信号处理技术，可制成化学或生物分析谱仪。

表面声波器件常用的压电基片为多种切割和传播方向的石英(SiO2) ,钥酸锉(LiN-bO3)或钮酸铿( LiTaO3)晶片等。由于薄膜及硅表面工艺技术的发展，常常利用在硅基片表面沉积压电薄膜而制作表面声波器件，以便与集成电路等微型器件系统组合。常用的压电薄膜为氧化锌(ZnO)、氮化铝(AlN)或错钦酸铅(PZT)等2。

表面声波传感器结构及应用1.瑞利波传感器

瑞利波传感器通常亦称为表面声波传感器，一般利用128°YX-LiNbO3或ST-(X传播)石英晶片等为基片，前者有高压电系数，后者温度稳定性较好。制作瑞利波传感器工艺过程比较简单，因此最容易达到商品化。由于瑞利波的质点位移为椭圆形轨道，位移存在法向分量，在液固界面传播时，其能量会漏向液体，不适合用于液体介质的传感检测，因此只能应用于气体环境。由于传感器的频率明显受多种物理量的影响，如测定压力时会受温度变化的影响，因此常需保持在恒温条件下进行传感、检测，或者压力和温度同时测定。

2.切向水平板模传感器

由于环境科学及生物工程与技术的发展，检测环境污染及生物物质的需求不断增加。传感器主要是用于液体环境，因此瑞利波传感器不能使用，通常选择切向水平位移的声波模式，如水平切向声板波模式(SH APM)以及Love波等表面波模式。

水平切向板波传感器是一种声波导，限制声波能量在薄板内，质量检测灵敏度依赖于板的厚度，板越薄，集中于表面的声波能量越大，因此对于周围扰动的灵敏度越高。其独特优点是上下表面均有切向水平位移，因此上下表面都可用于传感。为保护叉指换能器，可将其背面用于传感。已制成水污染传感器，成功用于饮用水中水银含量的检测。

3.Love波传感器

Love波传感器是在水平切变表面波器件表面覆盖薄层波导及超薄金属催化膜得到，其声波能量集中在薄层波导内，因此Love波传感器能非常敏感地反映环境的扰动与变化。与水平切向声板模相比，如果两者达到相同的灵敏度，则切向水平声板波器件要非常薄，其机械强度很差，而Love波器件有较厚的基片衬底，强度要好得多，只是love波器件工艺复杂一些。

4.Lamb波传感器

Lamb波传感器是在板中传播，可看作是由传播在板的上下表面的两列瑞利波所组成，如果板的厚度大于2倍波长，两列瑞利波可自由传播。如果板的厚度小于2倍波长，则有两群Lamb波可互相独立地在板中传播：即对称Lamb波和反对称Lamb波。通常有无限的对称和反对称Lamb波在板中传播，但是只有最低阶(零阶)的反对称Lamb波的速度随板厚减小而单调减小1。

表面声波的应用表面声波有下列四个主要方面的应用：

1.电子元件方面的应用；如：以声波传播为基础的滤波器、振荡器、变压器和传感器。表面声波滤波器在移动电话中得到重要的应用。

2.无线电和电视方面的应用；例如；表面声波滤波器能使无线电接收的频率范围很窄和准确。

3.地球物理利用表面声波和声波在地球表层传播的性质，监测和预报地震。

4.利用表面声波的性质驱动微射流。

总结表面声波传感器由于高灵敏度、高分辨率、高稳定性、体积小以及输出信号容易处理等优点而得到广泛应用。利用多种波型发展了多种结构、多种材料的表面声波传感器，在气体和液体环境下，应用于物理、化学和生物方面的参量传感和检测。在物理传感方面有:质量、温度、露点、湿度、密度、浓度、压力、应力、扭力、紫外线、电压等等;在化学传感方面，主要是对各种化学蒸汽、配合物、溶液、环境、食品中的化学成分或有毒有害物质等进行检测;在生物传感方面，针对细胞、抗体、细菌、病原体等进行检测，都得到很好的效果。随着高科技、生物、化学及医学的发展，表面声波传感器必将发挥更大的作用3。