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330 센서 전자 공학

331 제 6 장 음향파⋅초음파 센서 Nam Ki Min

332 내용 6.1 음향파⋅초음파 센서의 기초 6.2 마이크로폰 6.3 초음파 센서 6.4 SAW 센서 6.5 초음파 센서의 장점

333 음향파⋅초음파 센서 매질 (고체,액체,기체)을 구성하는 입자들의 물리적 진동으로 매질을 통하여 어떤 주파수로 전파되는 파동을 음향파(音響波)라고 부르며, 공기를 매질로 하는 음파나 탄성체의 표면을 따라 전파되는 표면 탄성파가 대표적이다. 음향파 중 인간의 귀로 들을 수 있는 진동 주파수를 음파 또는 가청음, 그 이상의 진동을 초음파라고 부른다. 일반적으로, 초음파란 인간의 귀로는 들리지 않는 음이라고 정의되지만, 초음파 기술에서는 가청음이라도 듣는 것을 목적으로 하지 않을 경우 이를 초음파라고 부른다. 초음파 센싱 기술은 공학과 기초과학 분야에서 광범위하게 사용되고 있을 뿐만 아니라, 각종 초음파 계측기와 소자들이 상용화 되어 현재 산업체나 의료용 진단기기에 사용되고 있다.

334 6.1 음향파⋅초음파 센서의 기초 음향파(音響波 ; acoustic wave) 정의와 분류
매질을 구성하는 입자들의 물리적 진동으로 매질을 통하여 전파되는 파동 (예) - 공기를 매질로 하는 음파(sound wave) - 탄성체를 통해 전파되는 탄성파(彈性波; elastic wave)

335 음향파⋅초음파 센서의 기초 매질를 통해 전파해 갈 수 있는 파의 종류와 구성입자(원자)들의 운동
종파(縱波; longitudinal wave) 물리적 압축과 팽창을 교대로 반복하는 파이며, 구성입자(원자)는 파의 진행방향으로 진동한다. 공기 중을 진행하는 음파가 이에 해당된다. (b) 횡파(橫波; transverse wave) 입자(원자)가 상하로 진동. 줄을 따라 진행하는 파가 있다. (c) 표면파 파가 매질의 표면을 따라 진행하는 횡파. 호수 면에서 발생하는 잔물결(ripple)이 이런 표면파에 해당된다. 고체에서 발생하는 이런 표면파를 흔히 표면탄성파(surface acoustic wave; SAW)라고 부른다.

336 음향파⋅초음파 센서의 기초 𝐵= Δ𝑝 ∆𝑉 𝑉 = 𝜌 𝑜 𝑣 2 𝑣= 𝐵 𝜌 𝑜 𝑣= 𝐵(1−𝜈) 𝜌 𝑜 (1+𝜈)(1−2𝜈)
음향파의 속도 - 매질이 압축되면, 체적은 V에서 V-ΔV로 변한다. 체적변화율에 대한 압력변화의 비를 매질의 체적탄성률(bulk modulus of elasticity)이라고 부르며, 다음 식으로 주어진다. 𝐵= Δ𝑝 ∆𝑉 𝑉 = 𝜌 𝑜 𝑣 2 𝜌 𝑜 =압축영역 밖의 매질밀도 𝑣=매질의 음속 - 위 식으로부터 매질의 음속은 다음과 같이 정의될 수 있다. 𝑣= 𝐵 𝜌 𝑜 음속은 매질의 탄성(B)과 관성(ρo)특성에 의존한다. 이 두 특성은 온도의 함수이므로 음속은 또한 온도에 의존하게 된다. - 고체에서, 종속도(음속)는 영률(E)과 포아송 비(ν)를 사용해 다음과 같이 나타낼 수 있다. 𝑣= 𝐵(1−𝜈) 𝜌 𝑜 (1+𝜈)(1−2𝜈)

337 음향파⋅초음파 센서의 기초 음향파의 분류 - 음향파는 인간의 귀가 들을 수 있는 진동 주파수(20～20,000[Hz])를 중심으로 다음과 같이 분류한다. > 음파(가청음): 20～20,000 Hz > 초저주파음(infrasound): 20 Hz 이하 > 초음파(超音波, ultrasound): 20,000 Hz 이상 초저주파 음의 검출은 빌딩 구조의 해석, 지진예측 등에서 매우 중요하다. 우리가 초저주파 음을 들을 수는 없지만, 그 진폭이 비교적 강하여 인간에게 공포, 두려움과 같은 아주 자극적인 심리적 효과를 주기 때문에 느낄 수는 있다. 일반적으로, 초음파란 인간의 귀로는 들리지 않는 음이라고 정의되지만, 초음파 기술에서는 가청음이라도 듣는 것을 목적으로 하지 않을 경우 이를 초음파라고 부른다.

338 음향파⋅초음파 센서의 기초 음향파·초음파 센서의 종류
음파나 초음파를 검출하는 센서를 음향파 센서(acoustic sensor)라고 부른다. 음향파 센서가 검출하는 주파수 범위가 주로 초음파 영역이기 때문에 일반적으로 초음파 센서로 다룬다. 음향파 변환기(트랜스두서) - 마이크로폰(microphones) 또는 수신기(receiver) 음파나 초음파를 전기신호로 변환하는 장치. - 송신기(transmitter) 또는 스피커(speaker)) 전기신호를 음파․초음파로 변환하는 장치 두 변환기는 동일구조로 음파․초음파의 발생과 검출이 가능하다. 초음파 트랜스듀서를 초음파 진동자(oscillator)라고도 부른다. 오늘날 음향파 센서는 단순히 음파(초음파) 검출에만 국한되지 않고 그 응용범위가 점점 확대되어, 고체에서의 기계적 진동 검출, 화학량 측정, 바이오센서 등에 널리 응용되고 있으며, 대표적 센서가 마이크로밸런스(microbalance)와 표면 탄성파(SAW) 소자이다.

339 6.2 마이크로폰 콘덴서 마이크로폰(condenser microphones)
콘덴서 마이크로폰의 동작은 커패시터에 기본을 두고 있다. 그래서 콘덴서 마이크로폰을 정전용량형 마이크로폰(capacitive microphones)이라고 한다. 외부에서 평행판 커패시터에 전하 q를 주면, 두 평행판 사이에는 전압 V가 발생한다. 𝑉= 𝑞 𝐶 = 𝑞 𝜖 𝑜 𝐴 𝑑 = 𝑑 𝑞 𝜖 𝑜 𝐴 지금 음파가 그림과 같이 다이어프램을 δx로 진동시키면, 평행판 사이의 거리가 d+δx로 변하므로, 위 식에 따라 콘덴서 마이크로폰은 평행판 사이의 거리변화를 전기신호로 직선적으로 변환한다. 𝑣 𝑜𝑢𝑡 ≈(𝛿𝑥)×( 𝐸 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡 ) 𝐴 𝜖 𝑜 𝑑

340 마이크로폰 현재 대부분의 콘덴서 마이크로폰은 실리콘 다이어프램으로 만들어지는데, 이 다이어프램은 음압을 변위로 변환하는 동시에 커패시터의 가동전극으로 작용한다. 이 진동판의 질량이 매우 작기 때문에 매우 높은 주파수에 응답할 수 있다. 고감도를 얻기 위해서는 가능한 한 인가전압이 커야 한다. 그러나 인가전압이 커지면 다이어프램의 정적 변형이 커지기 때문에 내충격성과 동적 측정범위(dynamic range)는 감소한다. 그 외에, 다이어프램과 다른 전극사이의 공극(air gap)이 매우 좁게 되면, 고주파수에서 마이크로폰의 기계적 감도는 감소한다.

341 마이크로폰 MEMS 마이크로폰(iPHONE 4) Knowles S2.14 MEMS die detail

342 마이크로폰 일렉트릿 콘덴서 마이크로폰(electret condenser microphone; ECM)
일렉트릿(electret)는 영구적인 전기분극을 가진 유전체(dielectric material)를 말한다. 이 단어는 electrostatic and magnet의 약어로써, 영구자석에서 강자성체의 자구 속에 자기 쌍극자가 배열되어 있는 것과 유사한 방식으로(제4장에서 설명) 강유전체 내에 정전하(static charge)가 배열되어 있음을 의미한다. ECM의 동작원리 콘덴서 마이크로폰과는 달리 진동판 자체가 영구분극을 가지고 있으므로 외부에서 평행판 커패시터에 전압을 가하지 않는다. 𝑣 𝑜𝑢𝑡 ≈(𝛿𝑥)×( 𝐸 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡𝑎𝑛𝑡 )

343 마이크로폰 상부 금속전극과 금속 후면 전극판(backplate)는 저항 R을 통해서 접속된다. 저항 R의 양단전압은 증폭되어 출력 신호로 사용된다. 일렉트릿은 영구적으로 전기 분극된 유전체이기 때문에 그 표면의 전하밀도 σ1는 일정하며, 이것은 공극에 전계 E1을 만든다. 음파가 맴브레인에 들어오면, 이것이 편향되어 공극의 두께 d1을 Δd만큼 변화시킬 것이다. 개방회로 상태에서, 출력전압 변동의 크기는 𝑉= 𝑑∆𝑑 𝜖 𝑜 (𝑑+ 𝜖𝑑 1 )

344 마이크로폰 ECM의 기본 구조는 진동하는 맴브레인, 고정된 후면 전극판(back plate), 일렉트릿으로 구성된다.
① 박형 일렉트릿 (foil-type ECM) : 다이어프램 자체를 일렉트릿 고분자 필름으로 만든다. ② 후면 일렉트릿(back-type ECM) : 박형과는 달리 고분자 필름이 후면 전극판에 부착된다. ③ 전면 일렉트릿(front-type ECM) : 후면 전극판을 제거하고, 다이어프램과 마이크로폰 자체의 내부 일부가 콘덴서를 형성한다. 일렉트릿 필름은 케이스 내의 전면 케이스 커버(inside front cover)에 부착한다. 박형 일렉트릿 후면 일렉트릿

345 마이크로폰 일렉트릿 마이크로폰은 콘덴서 마이크로폰 만큼 응답 특성이 좋지 않다.
그러나 가격이 저렴하고 제조가 용이하기 때문에 소형 모바일 기기에 사용되는 저가의 소형 마이크로폰은 대부분 일렉트릿 형이였다. 현재는 MEM형 콘덴서 마이크로폰으로 교체되고 있다.

346 마이크로폰 자기 마이크로폰(magnetic microphone) 그림 (a) : 다이나믹형 자기 마이크로폰
가벼운 다이어프램에 가동코일이 고정되어 있고, 기동 코일은 자계 속 놓여 있다. 음파가 들어오면 다이어프램이 진동하고 따라서 자계 속에 있는 가동코일도 똑 같이 진동하므로, 코일에는 다이어프램에 입력된 음압에 비례하는 전압이 유기된다. 다이나믹형 자기 마이크로폰은 구조가 간단하고 견고하지만, 가동부의 질량이 무거워 고주파에서 응답 특성이 나쁘다. 그림 (b): 리본형 자기 마이크로폰 자계 내에 놓여있는 얇은 리본형 도체를 진동시켜 전류를 만든다. 이 형태의 마이크로폰은 가동부의 질량이 극히 작아 고주파에 응답이 가능하다. 그러나 출력 전류가 매우 작다. 리본형은 고가의 제품에 사용된다.

347 마이크로폰 광섬유 마이크로폰(fiber-optic microphone)
광섬유 마이크로폰은 빛의 간섭현상을 이용하며, 그림은 광섬유 간섭계식 마이크로폰(fiber-optic interferometric microphone)을 나타낸다. 두 광섬유의 끝을 함께 융착시켜 스테인레스 강으로 된 튜브 속에 집어넣고, 내부 공간을 에폭시로 채운다. 튜브의 한쪽 끝을 광섬유가 나타날 때까지 연마한 다음, 용융된 광섬유의 하나에 알루미늄을 선택적으로 증착한다. 이 알루미늄 박막은 표면 반사경으로 작용한다. 알루미늄이 코팅된 광섬유는 마이크로폰의 기준 암(reference arm)으로 작용하고, 코팅이 안된 광섬유는 검출 암(sensing arm) 역할을 한다. 두 광섬유가 밀착되어 있고 또 특성이 동일하므로 온도가 센서에 미치는 영향을 제거할 수 있다. 광섬유 끝에는 구리로 된 다이어프램(두께 0.05mm, 직경 1.25mm)이 위치하며, 여기에 측정하고자 하는 음향파가 들어오면 변위를 일으킨다. 광학재료를 열적으로 보호하고 다이어프램의 기계적 특성을 안정시키기 위해서 센서를 물로 냉각시킨다. 광강도­위상의 관계

348 마이크로폰 레이저 다이오드로부터 방출된 입력광이 하나의 광섬유를 통해 반사막이 코팅된 끝을 향하여 진행하는 동안 융착 부분에서 다른 광섬유에 결합된다. 광섬유 끝에 도달하면 기준 광섬유에 있는 빛(기준광)은 알루미늄 거울로부터 반사되어 센서의 입력측과 출력측을 향하여 진행한다. 한편 검출 광섬유를 통헤 진행하는 빛(검출광)은 광섬유를 빠져나가 구리 다이어프램을 때린다. 일부는 여기서 다시 반사되어 검출 광섬유로 되돌아가 기준광과 함께 출력 측으로 진행해 간다. 반사된 검출광의 위상(phase)은 구리 다이어프램의 위치에 따라 변하기 때문에, 기준광의 위상과 다르게 된다. 검출광과 기준광이 출력 측을 향하여 함께 전파해 갈 때 서로 간섭을 일으켜 빛의 강도를 변조시킨다. 그러므로 마이크로폰은 다이어프램의 변위를 빛의 세기로 변환한다. 광강도­위상의 관계

349 마이크로폰 그림 (b)는 검출된 빛의 세기를 반사광 위상의 함수로 나타낸 것이다.
직선 동작을 보장하기 위해서, 동작점을 기울기가 최대로 되고 직선성이 가장 우수한 중앙 부근에 선택한다. 기울기와 동작점은 레이저 다이오드 파장을 조정하면 변화시킬 수 있다. 광섬유 마이크로폰에 의해서 변환될 수 있는 최대 음향 주파수는 약 100 kHz이다. 이 마이크로폰은 터보제트(turbojets) 또는 로켓(rockets) 엔진과 같은 극한 환경에서 직접 음향 측정에 사용된다. 광강도­위상의 관계

350 6.3 초음파 센서 초음파의 특징 ① 초음파의 속도는 전파보다 느리다
6.3 초음파 센서 초음파의 특징 ① 초음파의 속도는 전파보다 느리다 전자파의 속도는 3x108[m/s]인데 대해, 음파는 공기 중에서 340[m/s], 수중에서 1500 m/s, 금속에서 6000 m/s로 전파보다 105~106배 늦다. 따라서 전파를 사용할 경우, 나노 초[ns] 정도의 계측을 하기 때문에 보다 정밀한 기기가 요구된다. 이에 대해, 음파에서는, 측정시간이 미리 초[ms] 범위여서 일반적으로 널리 실용되고 있다. ② 초음파의 파장이 짧다 음속이 전자파의 속도 보다 105 정도 늦으므로 파장도 필연적으로 짧아진다. 그 때문에 분해능이 높아진다. ③ 매질의 다양성 기체뿐만 아니라 액체, 고체도 대상이 된다. 특히 액체, 고체 내에서는 전파보다 잘 통한다. ④ 사용이 용이하다 오래 전부터 의학상 진단에 X-­선이 사용되어 왔지만, 초음파도 여러 진단분야에서 사용되고 있다. 그것은, 초음파에는 X-­선과 같은 방사선 장해가 없기 때문이다. 또 전파에는 법규제가 있는데 비해, 초음파에는 그와 같은 규제가 없다.

351 압전 효과 압전효과 초음파를 발생하고 검출하는데 가장 널리 사용되고 있는 원리는 압전효과(piezoelectric effect)이다. 그림 (a) 수정(quartz crystal), 산화바륨(BaTiO3) 등과 같은 결정에 힘(F)을 가하면, 내부에서 전기분극(polarization; p)이 발생하여 결정 표면에는 그림과 같이 전하가 나타난다. 이것을 직접 압전효과(direct piezoelectric effect)라고 부른다. F 그림 (b) F 그림 (b)같이 전계(E)를 가하면 결정이 기계적 변형을 일으키는데, 이것을 역 압전효과라고 부른다. 이때 기계적 변형의 방향은 인가전계의 방향(인가전압의 극성)에 의존한다. 이와 같은 두 효과를 압전기(piezoelectricity)라고 부른다. F F E E

352 압전 효과 압전현상을 나타내는 물질 그림 (a) : 대칭중심(center of symmetry)을 갖는 물질
힘을 가하더라도 분극이 발생하지 않는다. 따라서 압전 현상을 나타내지 않는다. (a) 대칭중심을 갖는 물질은 압전현상을 나타내지 않는다.

353 압전 효과 그림 (b) : 대칭중심을 갖지 않는 물질
힘이 가해지지 않은 상태에서는 (+)전하의 중심과 (-)전하의 중심이 일치하므로 분극이 발생하지 않는다. 그림과 같이 y-방향에서 압축하면, (+)전하는 위를 향해 변위되고, (-)전하는 아래를 향해 변위되므로, 두 전하의 중심이 일치하지 않아서 그림과 같이 분극이 발생한다. 이와 같이, 힘을 인가하면 결정내부에서 분극이 발생하여 결정 표면에 전하가 나타난다.

354 압전 효과 압전재료의 특성 𝑃 𝑖 = 𝑑 𝑖𝑗 𝑇 𝑗 𝑆 𝑗 = 𝑑 𝑗𝑖 𝐸 𝑖 𝐾 2 = 기계적 에너지 입력 전기에너지 입력
일반적으로, 어느 한 방향으로 응력(stress)을 인가하면 다른 결정방향으로 분극을 일으킨다. 즉, 응력인가방향과 분극방향이 서로 다르다. ­j-방향으로 인가된 기계적 응력을 Tj, 이때 ­i-방향으로 발생된 분극의 세기를 Pi라고 하면, 𝑃 𝑖 = 𝑑 𝑖𝑗 𝑇 𝑗 𝑑 𝑖𝑗 =압전계수 i-방향으로 인가된 전계 Ei, 이때 ­j-방향으로 발생된 변형을 Sj라고 하면, 𝑆 𝑗 = 𝑑 𝑗𝑖 𝐸 𝑖 𝐾 2 = 기계적 에너지 입력 전기에너지 입력 전기기계적 변환인자(electromechanical conversion factor):

355 초음파 센서 압전형 초음파 진동자의 원리 압전체는 자른 형태에 따라 종파(longitudinal wave) 또는 전단파 (shear wave)를 발생시킨다. 그림 (b)는 압전체의 진동 원리를 나타낸다. 압전체를 분극처리 한 다음 교류전압을 인가하면 팽창과 수축을 반복한다. 압전 세라믹(piezoelectric ceramic)은 동작 주파수가 매우 높아 가장 자주 사용되는 압전 재료이며, 이것이 압전 세라믹 센서가 초음파 검출에 사용되는 이유이다.

356 초음파 센서 초음파 진동자의 형상과 진동(공진) 모드 예 그림 6.11 초음파 진동자(resonator)의 형상과 진동 모드

357 초음파 센서 유니모르프(unimorph) 진동자 유니모르프 진동자는 널리 사용되는 압전 지동자
압전 세라믹 원판을 전계에 따라 수축과 팽창을 하지 않는 금속 다이어프램의 한쪽 면에 부착 압전 세라믹이 팽창과 수축하면 금속 다이어프램은 그림과 같이 구부러진다. 이 진동자는 출력전압이 크고, 기계적 강도, 온도, 습도특성이 우수하다.

358 초음파 센서 적용 예 유니모르프형 압전 세라믹 진동자를 사용한 압전식 초음파 변환기의 일례
전압을 인가하면, 중심부와 주변부가 반대방향으로 진동하여 그림 (b)와 같이 상하진동을 한다. 진동자 중심부에는 콘(cone)이라고 하는 정합기가 부착되어 있는데, 음향기기에서 사용하는 직접 방사형 스피커와 동일한 작용을 하여 공중에 초음파를 유효하게 방사할 수 있다.

359 초음파 센서 또, 압전기 현상은 가역적이기 때문에 초음파가 진동자에 입사되어 그것을 진동시키면 전압이 발생한다.
송신 초음파 진동자의 대표적인 동작 주파수는 32 [kHz] 부근이다. 초음파 센서에서, 측정회로가 펄스 모드로 동작하면 하나의 압전 엘레멘트로 초음파 송수신을 행한다. 초음파를 연속적으로 송신하는 시스템에서는 송신과 수신에 별도의 압전 엘레멘트가 사용된다.

360 초음파 센서 그림 6.14은 초음파 센서의 임피던스와 감도의 주파수 의존성을 나타낸 것이다.
- 송파 감도는 임피던스가 최소가 되는 공진 주파수 fr에서, - 수파 감도는 임피던스가 최대로 되는 반공진(anti­resonance) 주파수 에서 최대가 된다.

361 초음파 센서 산업용 초음파 센서 그림은 산업에서 고체 시료의 측정에 사용되는 대표적인 압전 변환기 구조이다.
압전 변환기의 구성: 압전 엘레멘트, 전극, 배킹 물질(backing material), 전면층(front layer), 케이스. 전면층은 외부 스트레스와 환경영향으로부터 압전체를 보호하고, 또한 초음파 에너지가 측정물체로 최적으로 전달되도록 하는 임피던스 매칭 층으로 기능. 배킹 재료는 압전 진동자의 공진 주파수를 변화시키는 제동 블록으로 기능한다. 또, 뒷벽(後壁; back wall)으로부터 반사되는 원하지 않는 초음파를 제거한다. 전극은 압전체의 공진 주파수에서 동작하는 교류 또는 직류 전원에 접속된다. 압전 변환기의 구조와 고체 물체 측정에 적용 예

362 초음파 센서 적용 예 초음파의 배치방식과 용도

363 초음파 센서 적용 예 초음파 센서를 이용한 계측과 주요 응용 예

364 초음파 센서 적용 예 ℎ=𝑐 𝑡 2 소나(Sonar; Sound navigation and ranging)
소나는 초음파를 발사해서 그 반사파를 수신하는 항해용 수중 음향기기의 총칭 그림 6.15는 수심 측정기의 원리도를 나타낸다. 초음파 펄스가 수심 h를 왕복하는데 걸리는 시간을 t, 수중에서 음속을 c라고 하면 h는 다음 식으로 구해진다. ℎ=𝑐 𝑡 2

365 초음파 센서 적용 예 A technique used at sea for detecting and determining the position of underwater objects (e.g., submarines, shoals of fish) and for finding the depth of water under s ship's keel.

366 초음파 센서 적용 예 초음파 탐상기(ultrasonic flaw detector or ultrasonic inspection meter) 초음파 탐상기(探傷機)는 금속 등의 내부의 상태를 파괴하지 않고 외부에서 검사(비파괴 검사)할 때 중요한 장치이다. 그림(a): 초음파 탐상기에 사용되는 초음파 센서이며, 프로브(probe)라고 부른다. 수직용은 측정대상에 수직으로 초음파를 송수신하며 종파가 사용된다. 사각용(斜角用)은 대상 표면에 대하여 비스듬한 방향으로 초음파를 송수신하는 경우이고, 보통 횡파가 사용된다.

367 초음파 센서 적용 예 그림(b) : 초음파 탐상기에 있어서 세 가지 표시법(A, B, C 스코프) 반사파형: A 스코프,
의학에서는 스코프 대신모­드(mode)라는 용어가 사용된다.

368 초음파 센서 적용 예 초음파 막두께 측정법 𝑥 𝑓 𝑜 = 𝑐 𝑓 𝑜 1 2 = 𝜆 𝑜 2
초음파 공진에 의한 막 두께 측정원리 초음파 진동자에 가하는 주파수를 변화시키면, 초음파의 반파장의 정수배가 두께와 같아질 때 공진이 일어나고, 진동자의 인가전압이 높아진다. 이 공진 주파수로부터 막 두께가 결정된다. 그림에서 피측정 물체 내의 음파 속도를 c 라고 하면 다음의 관계식이 얻어진다. 𝑥 𝑓 𝑜 = 𝑐 𝑓 𝑜 = 𝜆 𝑜 2 > 주파수 fo에서 공진 : 막 두께는 기본 주파수의 반파장(λo/2)으로 구해진다. 𝑥 2𝑓 𝑜 = 𝑐 2𝑓 𝑜 1= 𝜆 𝑜 2 > 주파수 2fo에서 공진 :

369 6.4 SAW 센서 표면 탄성파(surface acoustic wave; SAW)
탄성체 전체를 통해 전파되는 음향파를 체적 탄성파(bulk acoustic wave; BAW), 탄성체 표면을 따라 전파되는 탄성파를 표면 탄성파(surface acoustic wave; SAW)라고 한다. 앞에서 설명한 바와 같이, 표면 탄성파는 고체 표면을 따라 진행하는 횡파이다. 표면 탄성파를 이용한 SAW 소자에는 센서, 액추에이터 등 여러 분야에 응용되고 있다.

370 SAW 센서 표면 탄성파의 발생 SAW 소자의 전극구조 :
- 보통 IDT(interdigital transducer)라고 부른다. - IDT는 압전체 기판(piezoelectric substrate) 상에 형성된 두 개의 빗살형 전극(comb ­shaped electrode)으로 구성된다..

371 SAW 센서 𝑒(𝑡)= 𝑉 𝑜 cos 𝜔𝑡 𝑑= 𝜆 2 𝑓 𝑜 = 𝑣 𝜆 SAW 발생 그림 (b) :
- 전극에 전압이 인가되면, 압전체 기판에 동적 변형(dynamic strain)을 일으키고, 이 탄성파는 전극에 수직한 방향으로 속도로 진행한다. 전압 인가 전 - 만약 전극에 교류전압 을 인가하면, 전극에 의해 발생된 탄성파는 결정 표면을 따라 양쪽 방향으로 진행한다. 𝑒(𝑡)= 𝑉 𝑜 cos 𝜔𝑡 - 간섭이 강화되고 동상(in ­phase)이 되기 위해서는 이웃하는 빗살(finger)사이의 거리는 탄성파의 반파장 λ/2과 같아야 한다. 즉, 𝑑= 𝜆 2 - 위 조건을 만족하는 주파수를 동기 주파수(synchronous frequency)라고 하며, 𝑓 𝑜 = 𝑣 𝜆

372 SAW 센서 SAW 센서 입력 IDT는 입력신호에 연결되고, 출력 IDT는 검출기에 연결된다.
입력(송신) IDT는 기판에 전계를 만들어 압전효과에 의해서 SAW를 발생시킨다. 출력(수신) IDT는 표면 탄성파를 전기신호로 변환하여 출력한다. 표면 탄성파의 속도는 기판밀도, 탄성계수 등에 의해서 결정된다. 사용되는 주파수는 수 10 MHz에서 수 GHz 정도의 고주파가 사용된다. 송신 IDT와 수신 IDT사이의 공간은 검출하고자 하는 양(즉, 압력, 점성 유체, 온도, 가스분자, 생체분자 등)과 탄성 표면파가 작용(반응)하는 영역이다.

373 SAW 센서 예: SAW 가스센서 표면 탄성파가 전파하는 영역에 특정 가스를 선택적으로 흡착할 수 있는 박막을 코팅한다.
가스를 흡착하면 기계적 또는 전기적 특성이 변하므로, 탄성 표면파의 속도가 변하여 결국 발진 주파수가 변조된다. 이때 출력 IDT에 수신되는 SAW 센서의 발진 주파수는 가스 농도에 비례해서 변한다.