SAW传感器

特点

　　1、高精度，高灵敏度。将被测量转换成频率进行测量，频率测量精度很高，有效检测范围线性好，抗干扰能力强，适合于远距离传输。

　　2、数字化频率信号易于传输，处理，与计算机接口。

　　3、制作与集成电路技术兼容，易集成化，智能化，重复性和可靠性好，适于批量生产。

　　4、体积小，重量轻，功耗低，可获得良好的热性能和机械性能。

设计因素

　　SAW传感器在设计时应注意以下因素：

　　1）面对一般干扰环境因素；

　　2）面对的恶意干扰环境因素；

　　3）人机界面接口；

　　4）参数的自我收敛性能；

　　5）内、外各类信息、能量的交流新能等。

基本原理

　　SAW传感器的基本原理是：利用被铡量对sAW元件作用， 改变sAw的传播速度，于是波长也相应变化，进而改变了通过延迟线的相位变化△ φ=2πL／λ(L为延迟线长度)，破坏了振荡器的相位平衡条件；由于IDT有一定的迎频带，所以改变振荡频率，重新达到相位平衡条件。

测量方法

　　SAW传感器的测量方法有多种，主要有四种如下图所示：

　　(a)网络分析仪测量频谱变化，(b)矢量电压表测定相位变化，(C)谐振回路测定频移，以及(d)为消除环境变化(如温度变化)引起的误差，采用双通道差分方法测定频移，测量更准确、方便。在实际测量中，可根据具体条件选择适当的方法。

与QCM传感器的比较

　　石英晶体微量天平（quartz crystal microbalance，QCM）和表面声波器件（surface acoustic wave，SAW）。它们具有结构简单、体积小、成本低、响应时间短、灵敏度高、可靠性好等优点而广泛应用于分析化学、环境监测以及现场气体检测等方面。

　　随着微制造技术的发展，集成化、批量化生产的工艺的逐渐成熟，微型SAW传感器在战地环境检测方面发挥着重要作用。

　　QCM 和 SAW 都属于压电型传感器，由压电性产生声波信号，通过测量声波参数（振幅、频率、波速等）变化而获得被分析U检测物的信息。QCM属于体声波（bulk acoustic  wave，BAW）一般也称为厚度剪切模式（thickness shear mode，TSM）因声波从石英晶体或其它压电材料的一面传递到另一面，在晶体内部传播而命名。而SAW器件是声波在晶体表面上传播，从一位置传递到另一位置。在传递过程中，当基片或基片上所覆盖的特殊材料薄膜与被分析的物质相互作用时，声波的参数将发生变化，测量变化量即可得到被分析物的（质量和浓度等）相关信息。

在汽车电子的应用

　　如图1所示，安装了SAW谐振器的石英管芯通常采用片状不锈钢封装，直径约为11mm，厚度约为2mm，重量<2gm。

　　对于胎压检测应用，该管芯位于两个突出部分，受上表面隔膜通过中心气针的顶压而变形。询问和反向散射信号通过一个普通的鞭状天线被广播出去。

　　对于扭矩检测应用(如图2所示），该管芯粘贴在片状外壳的底部，整个器件再与待测扭矩的组件相连。询问和返回信号通过非接触式平面耦合器向外发射。

　　在TPMS和扭矩检测管芯中，三个SAW谐振器产生两个频率差值，一个正比于压力或扭矩，其他的正比于温度。这种方法能够检测出带温度补偿的压力和扭矩，也可以单独用作温度监测。

　　对于TPMS，SAW传感器的安装也有多种方式，可以采用粘贴式橡胶块安装在轮胎上，或者安装在气门上(橡胶和金属材质），或者在低压安全胎上固定在车轮中。用户可以调整灵敏度，以满足从气压为10巴的卡车到气压为2巴的赛车的需要。典型精度为全标度的1％。

　　图1. 石英管芯通常采用片状不锈钢封装，直径约为11mm，厚度约为2mm，重量<2gm。

　　图2. 对于扭矩检测，传感器管芯粘贴在片状管壳的底部。

　　对于扭矩测量(如图3所示），传感器与传动轴或圆盘相连，谐振器以±45°的典型方向角检测剪切应变的压力分量。

　　图3. 对于TPMS应用，SAW传感器可以通过多种方式安装在轮胎上，扭矩传感器与传动轴或圆盘相连，谐振器以±45°的方向角检测剪切应变的压力分量

　　对于50到500之间的微应力，测量精度可以达到1％的级别。目前应用包括EPAS转向轴、发动机flexplates、自动档输出轴和传动轴。

发展趋势

　　1、高精度高灵敏度：对于传感器应用，高精度与高灵敏度是其基本要求。在一些应用领域如角速率、温湿度以及某些气体传感器，SAW传感器的检测精度以及灵敏度还不能与 传统传感器相比，因此需要采用一些新方法新技术，改善器件性能，提高系统稳定性。

　　2、小型化/便携式：传感器的应用大都不是单一的，多是与其他机械或者电子系统集成或者共同使用，这样SAW传感器系统必须尽可能减小体积，便携式且低功耗，满足各种 机载、车载、航载等要求，这样才能相对于其他类型的传感器具有更大的竞争力；

　　3、 多功能集成化/低成本：单一功能的传感器逐渐消失于人们的视野，主要是使用单一功能传感器成本高，系统合成困难且稳定性低。这样多功能集成SAW传感器就成为 人们的一个兴趣热点，结构简单、系统体积小且大大降低了系统成本；

　　4、 智能化与无线传感网络：许多参量的检测条件是危险剧毒环境，有的测试对象本身就是变化的，这样有源传感器难以满足这一检测需求，而无线传感网络则由于其无 源多面特点即可解决这一问题。另外，智能化是当今信息化时代的一个显着特征，结合自 动化控制等实现传感器的智能化也是SAW传感器的一个重要发展方向。