工程聲學/壓電聲學感測器

簡介

壓電聲波技術已被使用超過 60 年。它們在壓力、化學濃度、溫度或質量感測器方面有許多應用。它們的檢測機制基於聲波傳播。聲波被激發並在材料表面或內部傳播。傳播路徑特徵的變化會影響波的速度和/或幅度。速度/幅度的變化可以透過測量感測器的固有頻率或相位特徵來監測，然後可以將其與所測量的相應物理或化學量相關聯。 聲波感測器使用壓電材料來產生和檢測聲波。壓電材料提供電訊號與機械聲波之間的轉換，即電訊號轉換為機械聲波，反之亦然。傳統的壓電材料包括石英、LiNbO3、AlN 和 LiTaO3。

聲波傳播模式

壓電聲波器件由聲波在壓電基底表面或內部的傳播模式來描述。如果波在基底表面傳播，則稱為表面波；如果波在基底內部傳播，則稱為體波。

感測器裝置中的機械波

用於感測器應用的機械波有兩種不同型別：剪下波和壓縮波。剪下波（也稱為 S 波）的粒子位移垂直於波傳播方向，例如水面波。壓縮波（也稱為 P 波）是粒子位移與波傳播方向一致的波。

聲波技術

表面聲波 (SAW) 和體聲波 (BAW) 是感測器應用中兩種最常用的技術。

表面聲波

SAW 器件的工作頻率範圍從 MHz 到 GHz，主要取決於叉指換能器的設計和壓電材料

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

其中 $V_{R}$ 是由材料特性決定的瑞利波速度，λ 是波長，定義為 IDT 的週期性。下圖是 SAW 延遲線配置，它包含兩個 IDT，其中一個作為發射器來產生聲波，另一個作為接收器，兩個 IDT 之間的路徑稱為延遲線。當在叉指電極 (IDT) 上施加極性交替的電訊號時，如圖所示，由於材料的壓電效應，兩個電極指之間產生交替的拉伸和壓縮應變區域。在表面產生機械波。機械波從輸入 IDT 向兩個方向傳播，只有機械波能量的一半沿輸出 IDT 的方向穿過延遲線。 延遲線是感應區域，通常，感測器材料沉積在延遲線上，以便化學感測器吸收目標分析物。

IDT 電極極性相反產生的表面聲波

下面的動畫是使用 COMSOL 對 SAW 器件二維結構進行的時域模擬。x、y 軸表示模型的位置。頂部的矩形是電極。

感測器響應

表面聲波對延遲線中介質表面特性的變化敏感，這些變化會調製波的速度和幅度。

表面波速度會受到各種因素的擾動，每一種因素都代表了一種可能的感測器響應

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

• 其中 $v_{0}$ 是未受擾動的波速，$m$ 是質量，$T$ 是溫度，c 是剛度。

因此，這種器件可用於質量、壓力和溫度感測應用。

質量感測器

最常用的表面聲波 (SAW) 感測器之一是質量感測器。

應用示例：氣體感測器、生物感測器

感測器材料沉積在兩個 IDT 之間的傳播路徑上。在暴露於目標分析物（例如目標氣體）後，感測器的活性感測材料僅吸附分析物分子，這會導致感測材料的質量增加，並且由於質量負載，表面聲波速度在傳播路徑上降低。這會導致延遲時間發生變化,

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

其中 $L_{path}$ 是傳播路徑的長度。透過跟蹤接收器 IDT 處的延遲時間變化，可以推斷出目標分析物的濃度。

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

等效電路

Mason 的交叉場模型用於為 IDT 指標的一個週期開發等效電路。使用頻率相關的電阻塊。電阻對於 SAW 器件的中心頻率最小，而對於其餘頻率則非常高。因此，輸入能量僅在接近諧振頻率的頻率處傳播。下面的等效電路是使用 ADS 實現的。

表面聲波延遲線器件中一個週期 IDT 的 Mason 等效電路

表面聲波延遲線器件中一個週期 IDT 的 Mason 等效電路

體聲波

體聲波是穿過壓電材料（如石英延遲線）傳播的波。它也被稱為體積聲波。在某些材料中，體聲波的波速比表面聲波快，因為 SAW 由縱波和橫波組成。波速低於兩者。體聲波僅包含縱波或橫波，因此傳播速度更快。

石英晶體微天平 (QCM) 技術

QCM 是最古老、最簡單的質量感測器聲波器件。它由一塊薄的 AT 切割石英晶體組成，兩側都圖案化了平行圓形電極。在這些電極之間施加電壓會導致晶體發生剪下變形。

帶有前後電極的石英諧振器

QCM 原理

QCM 原理

工作原理基於質量負載，這與 SAW 感測器類似。目標分析物在塗層晶體上的體積吸附會導致有效質量增加，這會降低晶體的諧振頻率，與目標分析物的濃度成正比。對於理想的感測材料，這種吸附過程是完全可逆的，沒有長期漂移效應，從而提供高度可靠且可重複的測量。

頻率偏移與質量負載之間的關係可以從德國蒂芬奧特教授 Günter Sauerbrey 在 1959 年開發的模型中獲得

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

• $f_{0}$ - 共振頻率取決於波速 (v) 和壓電材料厚度，$f_{0}={\frac {v}{2d}}$
• $\Delta f$ - 頻率變化
• $\Delta m$ - 質量變化
• $A$ - 有效區域
• $\rho _{q}$ - 壓電材料的密度
• $\mu _{q}$ - 壓電材料的剪下模量

薄膜體聲波諧振器 (FBAR) 技術

FBAR 是 QCM 的一種特殊情況，其壓電薄膜厚度範圍從幾微米到十分之幾微米，使用 MEMS 技術。它們的諧振頻率高達 10 GHz。它們的質量靈敏度與其諧振頻率成正比。FBAR 的質量靈敏度可以達到 QCM 的 3 倍。

薄膜體聲波諧振器 (FBAR)