无源SAW传感器的工作原理

SAW 是一种能量集中在介质表面传播的弹性波，从严格意义上讲，泛指沿表面或界面传播的各种模式的波，不同的边界条件和传播介质条件可以激发出不同模式的 SAW。SAW 中比较常见的有瑞利波、水平剪切波、拉姆波、表面横波和乐甫波等。不同模式 SAW 根据其特点对外界物理化学量的敏感性是不同的。例如，瑞利波对机械量敏感，但由于其质点振动存在垂直分量，因而对液体表面介质不敏感；水平剪切波和乐甫波由于不存在垂直的振动分量，对液体敏感。SAW 最常用的波动模式是瑞利波，所以讨论瑞利波时常只用“SAW”来表示。同电磁波相比，SAW 具有以下特点：

（1） 较低的传播速度和较短的波长。SAW 器件的尺寸比相应的电磁波器件尺寸小得多，这样可以大幅度减小器件的体积和重量，有利于电子器件的超小型化。

（2） 由于 SAW 传播速度较慢，时变信号可以完全呈现在晶体基底表面上，易于对信号进行注入、提取和变换等处理。

（3） SAW 是晶体表面传播的弹性波，不涉及晶体内部电子的迁移过程，具有较强的抗辐射能力和较大的动态范围。

（4） SAW 器件采用单晶材料和平面工艺制造，重复性和一致性好，易于批量生产。

目前绝大多数的 SAW 器件都采用瑞利波作为实现途径。瑞利波是在半无限基片边界条件下沿介质表面传播的声波，同时瑞利波是非色散波，即波速和频率无关。瑞利波的质点的运动是一种椭圆偏振，位移处于径向平面，即与表面垂直的平面。在各向异性固体中，它是由平行于传播方向的纵振动和垂直于表面及传播方向的横振动两者的合成，两者的相位相差 90度，振幅随深度的变化呈现快速的衰减。如图所示，SAW 中质点位移振幅随深度呈指数衰减，瑞利波能量几乎集中在 1~2 个波长的深度范围内。

SAW 传感器中的敏感器件本身是无源的，也不需要像一般的无线 IC 卡那样，利用天线耦合得到所需电源，是一种真正的无源传感器。无源 SAW传感器代表 SAW 传感器的一个新发展方向，是继陶瓷、半导体和光纤等传感器之后发展起来的一种新型传感器。这类传感器可以敏感电、热、力、声、光、化学及生物等各种因素，且大部分传感器工作时信号以 RF 信号形式输出，不需要有线连接，因此在测量方面具有得天独厚的优越性。此外，SAW 传感器还具有尺寸小、价格低、精度高、灵敏度高及分辨率高等优点，并且集成电路工艺可与其制作工艺兼容，可将传感器和信号处理电路制作在同一芯片上，这样不但可靠性、重复性好，而且适宜大规模生产，是一种很有发展前途的传感器。