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变压器接地安置图集_微电网中电力电子变压器与

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  面波传感器技术 ?8.5 典型声表面波传感器及应用 1 8.1 概述 声表面波(SAW)是一种能量集中在表面传播 的弹性波第8章 声表面波传感技术 ?8.1 概述 ?8.2 声表面波技术基础知识 ?8.3 研究声表面波的基础理论 ?8.4 声表。0 年代在研究地震波过程中偶然发现的最早是由英国物理学家瑞利在19世纪8。65年19,能在压电材料表面激励声表面波的金属叉指换能 器(IDT)美国的R.M.White和F.M.Voltmov发明 了,面波技术的发展大大加速了声表,具特色的声表面波器件相继 出现了许多各,兴的、声学和电子学相 结合的边缘学科使这门年轻 的学科逐步发展成为一门新。(1)具有较低的传播速度和较短的波长2 声表面波特点(相比电磁波) ;体表面传播的(2)沿固,速度较慢且传播;面传播的弹性波(3)晶体表,部电子的迁移过程不涉及晶体内 ;料和用平面工艺制造(4)采用单晶材,和一致性好故重 复性,批量生产易于大。器、编码器、声光调制器、声光偏转器、声光开 关、超声马达、射频标签和传感器等3 声表面波器件 滤波器、延迟线、振荡器、混频器、放大器、卷积器、 相关。的频率控制、选择和信号处理器件特别是其作为 一种快速、超小型,展起着极为重要的作用对电子和通信系统的发。前目,10GHz频段的超高频化 发展SAW器件正在朝着GHz频段到。处理中发挥越 来越重要的作用可以预测它将在信号检测、信号。型传感器始于20世纪 80年代4 用SAW器件研制、开发新,初起,、某种气体等)对声表面波传播特性会 造成影响人们发现外界因素(如温度、压力、 磁场、电场,与外界因素的关系进而研究这些影响。于测 量各种化学的、物理的、生物的被测参数根据这些函数关系.设计了各种所需结构.用。传感器的历史并不长5 尽管SAW,尚有 很多困难在实用化方面,、 智能化和集成化、高精度的发展方向但由于它的符合信号系统小型化、数字化,传感器行业的青睐因而越来越受到 ,感器的开 发研究极为关注世界上许多国家对SAW传。至90年代从80年代,器在欧 美SAW传感,在日本特别是,迅速发展获得了,型的SAW传感器出现了十几种类 。几年来近十,和微平面工艺的不断发展SAW技术、电子技术 ,的频率不断提 高使SAW振荡器,Q值不断增大器件和电路,发展 提供了良好契机这为SAW传感器的。SAW泛指沿表面或界面传播的各种模式的波 机械波 在表面传播6 8.2 声表面波技术的基础知识 1. 什么是声表面波 ,质处的反射 9 Concept: IDT 外加电压 吸声材料 接收端 接地电极 压电基体 10 SAW的描述 ? 声波可以用质点离开平衡位置的位移来表示能量 集中在厚度不超过 1个波长的表层 7 SAW 8 SAW的激发 1. 基于压电材料的压电效应与逆压电效应 电能 机械能 电能 2. 波在不连续介,压电体对 于,随着电场和电势声波的传播还伴,的变量还要有电势因 此描述声波,四个量一共。? ? ? ? s ? k eikl ? ?? ? im ?0 ??? ? ?xi ?xl i ?1 m ?1 ?xi ?xm i ?1 k ?1 l ?1 ? 11 2. 声表面波的类型 不同的边界条件和传播介质条件可以激发出不同 模式的声表面波3 3 ? 3 3 3 E ? 2?l ? 2? k ? 2? ???? ciklm ?x ?x ? ?? emik ?x ?x ? ? ?t 2 i ?1 m ?1 ? i ?1 l ?1 m ?1 i m i m ? 2 2 3 3 3 3 3 。ed Rayleigh waves)、水平剪切波(SH- SAW)、电声波(B-G waves)、兰姆波(Lamb waves) 等在半无限基片上存在的声表面波有瑞利波 (Rayleigh waves)、漏波(Leaky SAW)、广义瑞利波 (Generaliz。ezawa waves)、斯东莱波(Stoneley waves)等在层状结构的基片存在有乐甫波(Love waves)、 西沙瓦波(S。无限基片边界条件下沿介质表面传播的声 波12 3. 瑞利波特点 瑞利波是在半,的绝大部分是瑞利波SAW技术中所应用, ①非色散波它具有特点:,频率无关即波速与;椭圆偏振②质点作,定在弧矢平面内偏振平面不一,传播方向或表面法线平行椭圆的 主轴也不一定与;三个位移分量③质点通常有,向呈衰减振荡并随深度方,2个波长的深度范围内能 量几乎集中在1~;体的切向和波的传播方向④波的相速度依赖于晶, 方向外除沿纯模,不平行于传播方向能流方向一般也。及广播电视中的信号处理、航空航天、石 油勘探、无损检测、识别定位和传感器等许多学科 领域13 4. SAW技术应用与器件 目前SAW技术的应用已涉及地震学、天文学、 雷达通讯。微平面工艺的飞速发展随着电子学、声学、,展也越来越迅速SAW技术的发,域最为活跃的学科分支之一目前已成为电子、 超声领。的特性在很大程度上是由压电基片材 料决定的14 5. SAW器件材料 SAW器件,性能指标有: 机电耦合系数一般描述SAW器件材料的,度系数延时温,损耗、密度、弹性模量与杨氏模 量等相速度、各向异性 因子、插入与传播。铌酸锂(LiNbO3)、钽酸锂 (LiTaO3)、铌酸钾(KNbO3)等15 目前使用的SAW基片材料主要有: 压电单晶:石英(SiO2)、,高、 传播损耗小 重复性好、可靠性,向异性材料 一般它们是各,电 耦合系数高难以同时满足机,又要小的要求而温度系数;耦合系数最大 压电陶瓷:机电,性差 一致,粒间界状况、内部气孔大小的限制工作频率受到多 晶晶粒大小和晶,宜作低频器件一般只适 。如ZnO 压电薄膜:,膜和衬底的特 性共同决定表面波传播特性由压电薄,电子器件集成为单片器 件它可以很方便的与半导体,k ? S D ? e S ? ? ? ikl kl ik Ek ? i 1. 压电效应及其本构方程 2. 压电体内的波动方程 ? E ? 2ui ?0 ?cijkl uk 使声表面波信号处理器件或传感器与外围电路集成化 16 Materials 17 8.3 SAW问题的基础理论 E ? ?Tij ? cijkl S kl ? ekij E,ekij? lj ? ,? e u ? ? ikl k kj ? ? 2 ?t ? S ,k ? li i,ekij nk n j A4 ? 0 ? s eikl nl ni Ak ? ? ik nk ni A4 ? 0 ? ? 各种SAW问题的解都是从上述公式出发ki ? 0 ? 18 3. 压电介质中的Christofel方程 E 2 ? ? ??cijkl nl n j ? ? v ? ij ? ? Ak ? ,性和边界条件来求得结合各个问题的对称。Christofel方程和边界条件来计算某个切向条件下 的声表面波速度(包括自由化表面和金属化表面)、机 电耦合系数(K2)、能流角(PFA)、延时温度系 数(TCD)等特性参数19 4. 声表面波特性的理论分析 声表面波特性的理论分析就是根据给定的材料常 数(包括弹性常数、压电常数、介电常数、密度、 热膨胀系数及其相应的一阶和二阶温度系数常数) 按,设计的 基础和出发点这是进行SAW器件。、 压力等)的变化 引起声表面波的 传播特性发生变 化的原理来敏感 被测量20 8.4 声表面波传感器技术 工作原理: 利用外界物 理量(如温度。感器一般采用振荡器电路形式21 结构型式 SAW传,器是传感器的核心其中SAW振 荡。控元件受各种物理、化学和生物量 的作用而引起振荡频率的变化SAW传感器的基本工作原理就是利 用了SAW振荡器这一频,荡频率的 变化通过精确测量振,量及化学量变化的目的从而实现检测上述物理。t 22 SAW振荡器通常有延迟型(SAWD)和 谐振型(SAWR)两种结构 . SAWD由两个叉指换能器(IDT)的中心 距决定相位反馈放大器 移相器 匹配 网络 SAW振荡器 匹配 网络 声表面波振荡电路 Schematic of SAW oscillator circui,放 大器产生固定频率的振荡由IDT的选频作用和反馈。2? ? 23 SAWR由左右两个反射栅阵 列构成谐振腔其振荡频率为: ?E ? v? f ? ?n? ? l? ,回反射、叠加、共 振形成驻波声表面波在两个 反射栅之间来。条间隔均匀分布的SAWR对于叉指间隔和反 射栅指,2lP v (b)双端对谐振器 SAWR器件的品质因数Q值高、插损小谐振型振荡器的振荡频率为: (a)单端对谐振器 v f ? ? ? ,频率稳定性的重要参数之一由于Q值 是决定振荡器,步提高SAW传感器灵敏度和分 辨率因此这种高 Q值谐振器结构可以进一。v、 l 或 l P发生变化24 任何量只要能引起 ,器的振荡频率发生变化就会 使SAW振荡。可以建立起频率 偏移与待测量之间的关系通过振荡 电路检测出振荡频率的变化就。或湿度敏感的材料就可制成SAW气体 或湿度传感器若在两又指电极或反射栅之间徐覆一层对 某种气体。AW传感器的 一大优势25 无源遥测是S,构上看从结,为 延迟型和谐振型两种无线SAW传感器也可分,一般的 SAW传感器但 工作原理不同于,吸声材料 IDT 反射栅 例以延迟型为 天线 压电基片 ,及读写器 (高频激励∕接收装置)组成传感器由压电基片、叉指换能器、反射栅。出脉冲激 励信号工作时读写器发射,线接收无线信号由敏感基片的天,磁信号转换为声表面波并通过IDT将电 。后由反射 栅反射回来声表面波经过一段延迟,号转换为电磁波信号再通过IDT将信,线发射出去并经天 ,器接收处理再由读写。天线的距离、IDT与反射栅之间的距离以 及声表面波波速来决定26 脉冲信号从发射到接收的返回时间主要由读写 器与IDT,: 2l 2 L ?? ? v c 在遥测时即脉冲信号从读写器发射 到回收的传播时间为,变化也会引起传 播时间的变化读写器与敏感基片之间距离的,这一问题为解决,多个反射 栅在基片上设置,反映器件本身的状态反射栅之间的时延只,感基片之间距离的影响而不受读 写器与敏。测量中在实际,延值非常小由于时 ,27 如果相应位置上的反射栅被布置或抽取常采用测量相位的方法来代替对时延的测量 ,表示编码“1”或“0”则该 位置上的脉冲可,标辨识的SAW标签(IDTag)相同结构的 器件就变成了用于目。签没有随时改写的功 能虽然目前SAW辨识标,的辨识标签相比但与其它类型,遮盖和读取方向 影响、可在金属液体表面读取等优点具有误码率低、 读取时间快、作用距离远、不受光,C射频标签的一个有力补充因而SAW 标签是对I。 30 SAW传感器信号检测 A cos(? 0 t ) 90°功分器 A1 cos(?0t ) A1 sin(?0t ) B1 cos(? 0t ? ?i ) I ? arctan ? 低通滤波 Q 低通滤波 0° 功 S (t ) ? B cos(? 0 t ? ? i ) 分 B1 cos(? 0 t ? ? i ) 器 图7-12 正交相位检波原理 31 SAW传感器的温度补偿 一 选择零温度系数切型 二 差动法 三 数字补偿法 四 浮动零点法 32 SAW传感器特点 1)高精度28 SAW传感器信号检测 被测量环境温度 SAW振荡器1 压 力 信 号 SAW振荡器2 混 频 低 通 滤 波 器 放 大 器 频 率 测 量 微 处 理 器 输出 图7-10 SAW传感器信号检测与处理电路 框图 29 SAW传感器信号检测 混频器 LNA 天线 带通 滤波 中频 滤波 对数 放大 RSSI 收发 开关 射聘 本振 418MHz 数据处理 中心 限幅输出 放 大 A/D 转换 功放 带通 滤波 混频器 开关 带通 滤波 70MHz 晶振 图7-11 发射接收系统框图,敏度高灵;字输出 2)准数;微型化3),功耗低;线)多参数敏感性4)便于实现无,能力强抗干扰;构工艺性好6) 结, 种类 到日前为止便于大批量生产 33,SAW传感 器已经研制出的,倾斜度传感器、磁场传感 器、电压传感器、流量传感器、水声传感器等 2 化学量传感器: 气体传感器、露点传感器、湿度 传感器、微质量传感器(微量天平)等归纳 起来可分为三大类: 1 物理量传感器: 力(压力、应力)传感器、扭矩传 感器、加速度传感器、 角速度传感器(陀螺)、温 度传感器、位移传感器、;器、液体识别 传感器、离子识别传感器等3 生物传感器: 酶传感器、免疫传感。d SAW Sensor 40 Gas SAW Sensor SO2、H2S、CO、NO2、H2 etc 41 Application Examples of SAW technology in Automobile ? ? ? ? electronic ID Smart Tire Exhaust-gas detection 42 Electronic ID 43 Smart Tire 44 思考题 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 什么叫声表面波?有什么特点与用途? 叉指换能器的作用原理是什么? 什么叫声表面波传感器?简述其结构组成和性能特点34 8.5 声表面波传感器的应用 Vibration and Acceleration SAW Sensor Torque SAW Sensor Flow SAW Sensor SAW Gyroscope Liquid SAW Sensor Gas SAW Sensor Applications of SAW Device in Automobile 35 Vibration and Acceleration SAW Sensor 36 Torque SAW Sensor 37 Flow SAW Sensor 38 SAW Gyroscope 39 Liqui。信号检测与处理方法简述SAW传感器的。方法有哪些? 试说明声表面波压力传感器的组成和工作原理声表面波传感器为什么要特别注意温度补偿?常用的补偿 。器的组成和工作原理试说明声表面波传感。试说明其工件原理与特点什么是声表面波标签?。波传感器的应用举例说明声表面。6 47 48 49 545 参考资料 (插 图) 40

  复极的电位变化代表心室肌快速。QRS主波方向一致正常者T波方向与。波为主导联中振幅在以R,导联R波的1/10T波振幅不应低于同。

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