一、前言 傳感器是把客觀世界中包含的各種信息通過(guò)各種載體盡量多的轉(zhuǎn)換出來(lái)，出于人類自身認(rèn)識(shí)和思維的促限性等原因，人們習(xí)慣于接受和處理電磁信號(hào)攜帶的信息；因此，在以電磁信號(hào)為載體的信息社會(huì)迅速發(fā)展的今天，傳感器的重要性就不言而喻，由于當(dāng)前理論、設(shè)計(jì)、工藝等發(fā)展的局限性，人們?cè)诂F(xiàn)有已建立信息系統(tǒng)的模型、信息載體的種類的基礎(chǔ)上的信息敏感、信息傳輸和信息利用各個(gè)環(huán)節(jié)上不可避免的造成信息大量失真，在理論上已為人們所認(rèn)識(shí)；如何解決這個(gè)問(wèn)題呢？鑒于SAW技術(shù)自身的技術(shù)特點(diǎn)：工作頻率高（GHz量級(jí)）、信息載體信號(hào)（電磁—機(jī)械運(yùn)動(dòng)）能量集中、運(yùn)動(dòng)的表面化（易于工藝處理）、微細(xì)線條加工工藝成熟等原因，使得SAW成為各類傳感器當(dāng)前研究的熱門(mén)，近年在應(yīng)用上取得突破性進(jìn)展，成為當(dāng)前信息敏感的標(biāo)志性技術(shù)之一。 [align=center] 圖1：SAW器件原理 [/align] SAW技術(shù)的發(fā)展起源于二十世紀(jì)六十年代初期，至今已有四、五十年的歷史。其基礎(chǔ)理論、應(yīng)用設(shè)計(jì)、工藝技術(shù)、計(jì)算模型等方面的研究已非常充分，聲表面波（SAW）是一種傳播于基片界面的機(jī)械波，如圖1所示，鑒于SAW技術(shù)特點(diǎn)，推動(dòng)一類新型、功能強(qiáng)大的SAW信號(hào)處理中的實(shí)現(xiàn)，從而在二十世紀(jì)七十年代后期推動(dòng)了國(guó)內(nèi)外寬帶擴(kuò)頻技術(shù)在各類電子系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用。但它具有不可回避的缺點(diǎn)。如：器件性能如器件工作頻率、插入損耗、時(shí)間延遲、相位延遲等受溫度、壓力、濕度等外界物理因素影響較大；因此，作為信息傳輸用的信號(hào)處理器，隨著當(dāng)前信息傳輸特點(diǎn)和需求的迅速發(fā)展，技術(shù)弱點(diǎn)越來(lái)越凸顯。然而，正是由于SAW技術(shù)的上述優(yōu)點(diǎn)和不足。奠定了SAW技術(shù)在信息敏感領(lǐng)域的獨(dú)特地位。 1>、SAW器件性能易受外界各物理因素影響，對(duì)信號(hào)處理器來(lái)說(shuō)，這是它是必需克服的弱點(diǎn)，而對(duì)于信息敏感器來(lái)說(shuō)，這正是它作所必需的。因而，SAW器件的信號(hào)模擬處理特點(diǎn)為其成為信息敏感器奠定了物理基礎(chǔ)。 2>、SAW信號(hào)能量集中在基片的1～2波長(zhǎng)范圍內(nèi)，其對(duì)外界量變的響應(yīng)較其它信號(hào)更為敏感，因而，SAW信息敏感技術(shù)不但可以實(shí)現(xiàn)多種物理量（如溫度T、壓力P、濕度H等）的高精度敏感，還為化學(xué)、生物等微量物質(zhì)的敏感奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。 3>、SAW傳播速度為103m/s量級(jí)（比電磁波慢5個(gè)數(shù)量級(jí)），易于實(shí)現(xiàn)SAW傳感器的微型化、陣列化。 4>、當(dāng)且與半導(dǎo)體技術(shù)融合時(shí)，奠定了SAW傳感器的綜合化、智能化、低成本大規(guī)模生產(chǎn)以及廣泛應(yīng)用的技術(shù)基礎(chǔ)。 基于上述SAW技術(shù)的自身特點(diǎn)以及當(dāng)前信息敏感技術(shù)發(fā)展的需求，SAW傳感器，包括SAW溫度傳感器，SAW壓力傳感器、SAW濕度傳感器、SAW化學(xué)氣體傳感器、SAW液相傳感器等，國(guó)際上早在二十世紀(jì)七十年代以后就有研究報(bào)告出現(xiàn)。近年來(lái)，隨著環(huán)境保護(hù)及反恐的需要，SAW傳感器再次宣起新的研究高潮，特別是SAW化學(xué)、生物傳感器，更是受到各國(guó)高度重視，如美國(guó)電子傳感器技術(shù)公司推出了用于環(huán)境監(jiān)測(cè)的4100型手持式SAW氣體傳感器，于1998年通過(guò)美國(guó)EPA認(rèn)證；美國(guó)微傳感系統(tǒng)公司2002年推出了HAZMATCADTH型系列SAW化學(xué)戰(zhàn)劑檢測(cè)器；JCADSAW綜合化學(xué)戰(zhàn)劑傳感器已于2000年后批量裝備部隊(duì)，美國(guó)國(guó)防部計(jì)劃在5個(gè)財(cái)年內(nèi)作為制式儀器裝備美軍270000部。國(guó)內(nèi)SAW傳感器發(fā)展始于二十世紀(jì)八十年代，對(duì)機(jī)載SAW壓力傳感器、SAW溫度傳感器、SAWCO化學(xué)氣相傳感器、SAW生物基因傳感器等進(jìn)行了初步研究。本文對(duì)SAW傳感器的基本概念、結(jié)構(gòu)、應(yīng)用及發(fā)展中的問(wèn)題作了一個(gè)概述。 二、SAW傳感器的基本工作原理 外界物理量的變化將引起SAW器件輸出信號(hào)幅度和頻率（相位）的變化。 1、SAW幅度影響 SAW在壓電基片上傳播，將有幾種類型的與外界的相互作用，這些作用都將造成SAW能量的改變，它們包括：a、對(duì)SAW能量吸收千萬(wàn)的直接能量損耗；b、由于SAW傳播偏離接收換能器而造成的間接能量損耗。在這兩種情況下，SAW接收換能器所接收的SAW能量（相對(duì)應(yīng)于SAW信號(hào)幅度）都要減小，其輸出的RF信號(hào)電壓幅度相應(yīng)減小。 2、SAW速度（頻率）干擾 涂覆單位面積質(zhì)量，h或ρ的微小變化也將引起振蕩器振蕩頻率的變化。由單位質(zhì)量負(fù)載變化引起的頻率變化幅度與工作頻率f成平方關(guān)系，k1,k2是與材料有關(guān)的常量。 3、SAW傳感器的兩種信號(hào)檢測(cè)方式 SAW傳感器的兩種信號(hào)檢測(cè)方式：頻率檢測(cè)方式和相位檢測(cè)方式如圖2所示 三、SAW傳感器在無(wú)源標(biāo)識(shí)器中的應(yīng)用 SAW無(wú)源識(shí)別器還在汽車制造、物流、高壓輸電設(shè)備安全監(jiān)控、道路自動(dòng)收費(fèi)（ETC）、門(mén)禁控制/電子門(mén)票、動(dòng)物身份標(biāo)識(shí)與跟蹤、圖書(shū)銷售與管理、航空行李處理、郵件/快運(yùn)包裹處理、生產(chǎn)制造和裝配、食品生產(chǎn)與銷售等等方面獲得應(yīng)用?？梢哉f(shuō)，SAW無(wú)源識(shí)別器將在現(xiàn)代信息網(wǎng)絡(luò)中占據(jù)一席之地，將成為SAW技術(shù)應(yīng)用的又一高潮。 <1>在RFID系統(tǒng)上的應(yīng)用 DRFID，即射頻無(wú)線標(biāo)簽，是取代目前商品流通領(lǐng)域內(nèi)廣泛使用的條型碼的唯一技術(shù)，其應(yīng)用范圍之廣，影響之巨大，無(wú)容多言，而目前各廠家開(kāi)發(fā)的半導(dǎo)體型無(wú)線無(wú)源電子標(biāo)簽，其作用距離一般在1m以內(nèi)，這極大地限制了RFID技術(shù)優(yōu)勢(shì)的充分發(fā)揮；除此之外，工作于915MHz以下的RFIDIC在有金屬物體、液體、高溫、強(qiáng)電磁干擾環(huán)境中時(shí)，其信息讀取存在困難。因此，開(kāi)發(fā)新一代遠(yuǎn)距離、無(wú)源、抗干擾RFID是非常需要，而在這兩個(gè)方面，SAW技術(shù)實(shí)現(xiàn)的RFID恰恰具有無(wú)可比擬的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，其原理如圖3所示；可以預(yù)計(jì)，采用SAW技術(shù)實(shí)現(xiàn)的RFID將具有巨大的市場(chǎng)前景，具SAW行業(yè)專家估計(jì)，無(wú)源SAWRFID是SAW技術(shù)繼在彩電、移動(dòng)通信兩次應(yīng)用高峰后的又一高峰，其市場(chǎng)容量將遠(yuǎn)大于前兩次應(yīng)用。 <2>在智能輪胎上的應(yīng)用 輪胎是飛機(jī)、汽車、各類戰(zhàn)車等交通工具的關(guān)鍵部件。輪胎爆裂是交通事故的主要因素。西方主要汽車生產(chǎn)國(guó)已強(qiáng)令實(shí)施汽車輪胎的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，實(shí)行所謂的智能輪胎；智能輪胎，實(shí)際上就是對(duì)運(yùn)行中輪胎的溫度、壓力以及地面摩擦系數(shù)實(shí)施實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，這就需要相應(yīng)的溫度、壓力、濕度、扭矩等傳感器，鑒于輪胎的惡劣工作環(huán)境，置于輪胎中的傳感器必需體積微小、工作穩(wěn)定、工作時(shí)間長(zhǎng)、無(wú)源抗電磁干擾，而這諸多苛刻條件的要求正集中映射了SAW無(wú)源無(wú)線RFID的技術(shù)在智能輪胎中上應(yīng)用的獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，其原理如圖4所示 <3>在大型電機(jī)設(shè)備中的應(yīng)用 大型火力、水力、核力發(fā)電設(shè)備的發(fā)電機(jī)組的長(zhǎng)期、穩(wěn)定、安全運(yùn)行，離不開(kāi)現(xiàn)場(chǎng)對(duì)系統(tǒng)的溫度、壓力、剪切力等參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，而這些設(shè)備又處于高溫、高濕、強(qiáng)電磁干擾等惡劣工作環(huán)境，實(shí)時(shí)讀取、傳輸這些參數(shù)信息的技術(shù)目前首選SAW技術(shù)，特別是SAW無(wú)源識(shí)別器可集信息獲取與傳輸于一體，且可工作于極高溫（＞1000℃）、強(qiáng)電磁干擾等環(huán)境，圖5所示。因而SAW無(wú)源識(shí)別器將成為該類重大工程大型設(shè)備系統(tǒng)安全運(yùn)行的關(guān)鍵監(jiān)測(cè)設(shè)備。 <4>SAW敏感技術(shù)在火車自動(dòng)調(diào)度、安全運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng)中的應(yīng)用 SAW無(wú)源識(shí)別器構(gòu)成的RFID——OFWID系統(tǒng)SOFIS已用于MunichS-Bahn火車自動(dòng)調(diào)度系統(tǒng)中作無(wú)源電子標(biāo)簽，圖6所示 <5>火車安全運(yùn)行監(jiān)控系統(tǒng) SAW無(wú)源識(shí)別器可構(gòu)成火車輪軸溫度、剪切力等參數(shù)的實(shí)時(shí)敏感器，同時(shí)實(shí)時(shí)把所監(jiān)測(cè)的信息傳回控制中心，實(shí)施自動(dòng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)，以利于火車的長(zhǎng)時(shí)、高速安全運(yùn)行，圖7所示。特別是我國(guó)目前狀況，火車的高速化、信息化情況下更具有重大意義。 [align=center] 圖4、5、6[/align] 更為特別的是，SAW技術(shù)除上述的對(duì)外界信息的易感知性和其信號(hào)的易檢測(cè)性外，由于SAW器件在GHz范圍內(nèi)仍表現(xiàn)出非量子性（而這種量子效應(yīng)直接導(dǎo)致半導(dǎo)體電路的門(mén)限效應(yīng)），即GHz范圍的SAW信號(hào)的連續(xù)運(yùn)動(dòng)性，從而使SAW器件具有極低的門(mén)限以及大的動(dòng)態(tài)線性，這極大地拓展了SAW技術(shù)在無(wú)源信息敏感方面的應(yīng)用。 四、SAW傳感器的發(fā)展 SAW傳感器的發(fā)展，不單需要設(shè)計(jì)出高性能聲表面波器件，而且聲表面波器件的制作工藝的提高也起著關(guān)鍵的作用，這就需要亞微米電子工藝技術(shù)作保證；發(fā)展SAW信息敏感技術(shù)包括四個(gè)關(guān)鍵技術(shù)：<1>SAW信號(hào)處理轉(zhuǎn)換技術(shù)；<2>化學(xué)/SAW敏感（膜）技術(shù)；<3>綜合信號(hào)處理及檢測(cè)技術(shù)；<4>系統(tǒng)技術(shù)。 1、SAW信號(hào)處理轉(zhuǎn)換技術(shù) （1）敏感參數(shù)的選擇；（2）SAW振蕩器類型的選擇；（3）聲波種類的選擇等 2.化學(xué)敏感膜技術(shù) （1）選擇性吸附膜的研制；（2）選擇性吸附膜的制備工藝等 3.綜合信號(hào)處理技術(shù) 聲表面波微聲信息敏感器是以SAW模擬信號(hào)處理器為基礎(chǔ)的傳感器，它對(duì)外界量、壓力、溫度、濕度、電壓、負(fù)載等各類物理、化學(xué)、生物氣相、液相量均要產(chǎn)生敏感即一個(gè)SAW敏感頭所對(duì)外界量到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換過(guò)程為，而SAW傳感器的最終目的是要以SAW敏感器中得到的電信號(hào)E（P,T,H,V…）中分解出E（P）,E（T）,E（H）,E（V）…，即解析出： E（P,T,H,V…）=g[E（P）,E（T）,E（H）,E（V）…，]…（1） 解出相應(yīng)的外界量的變化量P，T，H，V，……。 4．系統(tǒng)設(shè)計(jì)應(yīng)用技術(shù)研究 SAW信息敏感器不是一個(gè)單獨(dú)的信號(hào)處理的芯片。它是一個(gè)有具體實(shí)用環(huán)境的人機(jī)系統(tǒng)。因此，它的設(shè)計(jì)必須考慮如下因素：<1>面對(duì)一般干擾環(huán)境因素；<2>面對(duì)的惡意干擾環(huán)境因素；<3>人機(jī)界面接口；<4>參數(shù)的自我收斂性能；<5>內(nèi)、外交流性能（各類信息、能量的交流）等等，這些因素如果在該系統(tǒng)設(shè)計(jì)之初能充分分析、融合進(jìn)設(shè)計(jì)中，那么研制的產(chǎn)品才有生命力，才有實(shí)用價(jià)值。 五、結(jié)束語(yǔ) SAW傳感器技術(shù)是一門(mén)適合當(dāng)前信息系統(tǒng)發(fā)展的技術(shù)，是SAW技術(shù)發(fā)展的又一個(gè)高潮，本文僅對(duì)當(dāng)前SAW傳感器概念、理論、結(jié)構(gòu)、研究的方向及無(wú)源標(biāo)識(shí)的應(yīng)用做了一個(gè)掛一漏萬(wàn)的概述，其理論、設(shè)計(jì)、應(yīng)用遠(yuǎn)未充分揭示，相信其在近期會(huì)有更大的發(fā)展。