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        SAW傳感器

        2012-11-14 04:31:58楊淵華肖功亞刁振國
        中國科技信息 2012年10期
        關鍵詞:延遲線表面波無源

        楊淵華 肖功亞 刁振國

        中國電子科技集團公司第五十五研究所,南京 210016

        SAW傳感器

        楊淵華 肖功亞 刁振國

        中國電子科技集團公司第五十五研究所,南京 210016

        本文主要闡述了SAW傳感器的原理、分類及其特點。由于SAW傳感器具有非接觸、快速、無電源、抗干擾、易編碼、保密性好、成本低等優(yōu)點,目前已廣泛應用于許多領域。本文詳細地介紹了幾款具有代表性的應用。

        SAW;無源無線;諧振型;延遲型

        SAW;Passive wireless;Resonance type;Delay type

        引言

        眾所周知,聲表面波(SAW)器件作為信號處理器件在現(xiàn)代電子信息技術中已獲得廣泛的應用。但SAW技術在信息敏感方面也表現(xiàn)出卓越的優(yōu)勢,如其靈敏度高、直接頻率和相位輸出、多參量綜合信號轉(zhuǎn)換能力、性能穩(wěn)定、無源低功耗、且與半導體工藝兼容等特點,在個體識別、物理、化學、生物傳感器系統(tǒng)中將有極大應用前景,被認為是SAW技術的又一產(chǎn)業(yè)化領域,近年來廣受重視。

        1 直接型傳感器

        直接型傳感器,是指直接測量外界待測物理化學量對聲表面波特性的干擾,達到獲取待測量特征的傳感器。例如,外界溫度變化會使表面波速改變,使傳感器的頻率特性發(fā)生變化,而被通用電子儀器測量,從而推導出外界環(huán)境的溫度變化。在傳感器表面,制作一可吸附并可解吸某氣體的敏感介質(zhì)層,當傳感器置于該氣體微量氣氛中,次敏感層會對在其下方傳播的聲表面波產(chǎn)生干擾,導致傳感器特性發(fā)生變化,從而達到測量該氣體特征的目的。

        直接型傳感器的結(jié)構(gòu)有兩種:諧振型和延遲線型,在無線傳感節(jié)點應用中,用法與一般的傳感器一樣,必須另外結(jié)合有源射頻收發(fā)電路。

        2 SAW傳感器

        在傳感器技術迅猛發(fā)展的今天,對于許多傳感器應用的特殊場合,傳感器和被測單元間的連線通常是無法實現(xiàn)的,必須采用無線傳感器來實現(xiàn)測量。

        近年來,深入開發(fā)SAW器件的無源特征和無線應用的工作得到極大重視,研發(fā)的直接利用天線射頻能量的射頻識別型聲表面波傳感器(下簡稱SAW傳感器)都是基于其特有的低耗電-聲-電能量轉(zhuǎn)換機理和良好的無線傳輸特性。

        2.1 SAW傳感器的特點

        2.1.1 由于采用壓電基片上的叉指換能器,不需要另外能量即可完成電磁波—聲表面波—電磁波能量轉(zhuǎn)換過程,而且聲表面波換能沒有閾值,效率極高,極少電磁波能量就能完成電磁波的收發(fā)過程。因此,SAW傳感器不需額外能量,即它是真正無源元器件。由此,它具有不需維護,使用壽命長等優(yōu)點,特別適合用于難以維護或需要長期工作的場合。

        2.1.2 由于叉指換能器可與射頻輻射天線直接相連,達到收發(fā)射頻信號的目的,所以能直接完成無線應用,大大簡化了SAW傳感器節(jié)點的結(jié)構(gòu)。最簡單的SAW傳感器節(jié)點僅由聲表面波壓電編碼傳感單元芯片和直接相連的天線組成,成本低,適于推廣應用。

        2.1.3 由于聲表面波聲速比電磁波光速低許多,聲表面波傳播4mm距離,即可延時一微秒左右。一微秒延遲時間,足以避免近距(<100米)內(nèi)射頻多次反射雜波的干擾,大大提高了有效回波的信噪比,有利于增加反射延遲型SAW傳感器的讀寫距離或減小讀寫器的射頻輻射功率。

        2.1.4 由于聲表面波換能過程中沒有載流子參與,所以SAW傳感器耐輻射,抗干擾能力特強,可以用于多種惡劣環(huán)境。

        2.1.5 SAW傳感器可工作于較寬的環(huán)境溫度范圍。采用常用的壓電晶體,器件最高工作溫度可大于200℃。采用特別的封裝,已證實能較長期工作在300℃環(huán)境中。若采用特種壓電材料,傳感器的工作溫度可更高。

        2.2 SAW傳感器分類與原理

        電勵磁雙凸極電機(Doubly Salient Electromagnetic Machine,DSEM)結(jié)合了永磁電機和開關磁阻電機的特點[1-2],其定轉(zhuǎn)子上無永磁材料,僅靠勵磁電流來調(diào)節(jié)磁場,且轉(zhuǎn)子上無繞組,結(jié)構(gòu)簡單,適用于航空航天等場合。其基本特性和控制方法已經(jīng)得到了學者們的廣泛研究[3-4]。然而,DSEM電動或起動發(fā)電運行時位置傳感器的引入增加了系統(tǒng)的復雜程度,限制了電機的應用范圍。無位置傳感器技術能夠提高電機系統(tǒng)的集成度,增強系統(tǒng)的適應性、抗干擾性和可靠性。因此,無位置傳感器技術的研究具有重要意義。

        SAW傳感器按檢測原理分為兩種類型:諧振型和延遲型。

        諧振型SAW傳感器在一個或多個叉指換能器(IDT)的左右兩邊對稱分布等間距的反射柵陣,形成諧振腔,典型的結(jié)構(gòu)為單端口和雙端口。由于諧振的特點,該傳感器僅僅響應與諧振器固有頻率相同或接近的激勵信號,因此,可利用SAW諧振器良好的頻率選擇性直接測量反映器件固有頻率的諧振頻率,從而感知被測量的大小。

        延遲型SAW傳感器結(jié)構(gòu)上有許多形式,主要有編碼延遲線和帶反射柵的延遲線結(jié)構(gòu)。前者的激勵信號主要采用編碼脈沖或掃頻信號方式,而后者則多采用沖激脈沖或間歇脈沖激勵。延遲型主要是利用激勵信號與接收信號在時間上的時延或相位上的變化進行測量的。當外界被檢測量發(fā)生變化時,將影響時延或相位。檢測出該時延,就可感知被測量的大小。編碼延遲線利用激勵信號到達各個延遲抽頭的相位是否同相或反相實現(xiàn)編碼;而常用的帶反射柵的延遲線則利用反射柵位置的不同,將延時信號構(gòu)成不同的編碼,便于對多個傳感器或標識器進行識別。

        反射延遲系統(tǒng)工作原理如圖1所示。壓電芯片上制作有叉指換能器及聲波反射器,反射器由多個反射體組成,作為帶有特征碼的反射目標。當讀寫器發(fā)出的射頻詢問脈沖被應答器的天線接收到后,與天線直接相連的叉指換能器將接受到的電脈沖轉(zhuǎn)換為在晶片上傳播的聲表面波脈沖,因為晶片上聲波反射器狀態(tài)與外界環(huán)境應力有關,則被反射器反射的聲回波脈沖串將帶有傳感信息。聲回波脈沖串再由叉指換能器轉(zhuǎn)換為射頻電脈沖串,并從天線發(fā)射出去。讀寫器接收到回波脈沖串后,放大和解碼,輸入計算機數(shù)據(jù)庫,達到傳感目的。

        由于聲表面波傳播速度低,只要芯片上反射器離開叉指換能器的距離大于2mm,有效的回波脈沖串至少延遲一微秒后才回到閱讀器,此時來自閱讀器本身的串擾和周圍數(shù)百米內(nèi)物體的反射電磁波都已衰減,對回波信號的干擾很小,這是延遲型無線傳感器的獨特優(yōu)越處。

        3 應用

        由于SAW傳感器具有非接觸、快速、無電源、抗干擾、易編碼、保密性好、成本低等優(yōu)點,目前,已廣泛應用于許多領域。由它構(gòu)成的傳感器陣列,傳感單元之間可無信號線連接,陣列輸出也無需引線連接,分布更容易,應用不受限制,特別適合一些應用環(huán)境復雜,不宜接觸的工程結(jié)構(gòu)和環(huán)境的遙測、傳感和目標識別。因此,對SAW傳感器的研究,尤其是對更遠距離SAW傳感器研究,有更廣泛的應用前景。

        3.1 輪胎胎壓檢測系統(tǒng)

        采用聲表面波技術的TPMS檢測單元,僅由多個對輪胎內(nèi)部壓力和溫度敏感的聲表面波諧振器和小型化天線構(gòu)成,結(jié)構(gòu)簡單。由于沒有有源器件,不需要直流供電,而且體小量輕,對輪胎的動平衡不產(chǎn)生影響,安裝簡便。圖2為氣體壓強測試用SAW傳感器結(jié)構(gòu)示意,SAW元件密封在有參考氣壓強的腔內(nèi),密封腔置于車胎內(nèi),感受車胎內(nèi)實際氣壓的狀態(tài)。由于車胎壓與參考氣壓的差值,確定了密封腔薄膜壁的彎曲形變,也導致SAW元件性能變化,實時測量了胎壓值。

        3.2 射頻MEMS

        微傳感器、微機電系統(tǒng)(MEMS,Micro-Electro-Mechanical Systems)正在對半導體工業(yè)產(chǎn)生革命性的作用。SAW技術進入MEMS領域,成為研究前沿。

        圖3為MEMS-IDT加速率計的截面示意圖,采用了三維導電反射陣作為應力敏感元件,完成無源無線遙測功能。

        3.3 電力設備管理標簽

        電力系統(tǒng)是國民經(jīng)濟的動脈,2007年底南方電力系統(tǒng)遭受冰災造成了巨大損失,由此,電力設備管理標簽的研發(fā)有巨大社會價值。

        電力設備管理標簽的主要功能要求為:一、設備識別號;二、設備環(huán)境溫度檢測;三、強電磁干擾和南北方戶外環(huán)境下工作;四、2~4位存儲功能。

        鑒于半導體技術的標簽,不能在強電磁干擾條件下可靠工作,采用延時反射型聲表面波標簽是唯一選擇。

        3.4 土壤含水量測定

        草地花圃等的土壤中,所含水分對植物生長十分重要,適當澆水對節(jié)約寶貴的地面淡水有益。圖4中左部為一土壤含水量測量裝置,可清楚地看到無源無線SAW傳感器的完整結(jié)構(gòu)。本裝置射頻頻率為434MHz,采用了變阻抗反射延遲線型結(jié)構(gòu),利用兩根插入待測土壤的金屬電極間電阻變化來調(diào)制SAW反射體的阻抗特性,如圖4右部的SMITH圓圖中的曲線所示。

        4 結(jié)語

        SAW傳感器技術是一門適合當前信息系統(tǒng)發(fā)展的技術,是SAW技術發(fā)展的又一個高潮,本文僅對當前SAW傳感器概念、理論、結(jié)構(gòu)及應用做了一個舉一廢百的概述,其理論、設計、應用遠未充分揭示,相信其在近期會有更大的發(fā)展。同時感謝領導、同事提供的幫助。

        [1] 李源等.聲表面波無源傳感器及其遙測系統(tǒng)的研究[J].電子學報,1997, Vol.25, No.12, pp.79-81

        [2] Alfred Pohl. A Review of Wireless SAW Sensors.[C] IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequecy Control, 2000, Vol.47, No.2, pp.317-332

        [3] M. Binhack, et al. A combination of SAW-Resonators and conventional sensing elements for wireless passive remote sensing. [C] Proceedings of the IEEE Ultrasonics Symposium, 2000, Vol.1, pp.495-498

        The SAW Sensor

        YANG Yuan-hua,XIAO Gong-ya,DIAO Zhen-guo
        (China Electronics Technology Group Corporation No.55 Research Institute, Nanjing 210016,China)

        This article mainly elaborated the SAW sensor principle, classification and characteristics. Because of the SAW sensor has the advantages of non contact, fast, no power, anti-interference, easy coding, the confidentiality of a good, low cost advantages, it has been widely applied in many fields. This paper introduces several representative application.

        10.3969/j.issn.1001-8972.2012.10.085

        楊淵華(1979-)、男(漢)、江蘇溧陽人、大學本科、工程師,從事SAW器件封裝工藝技術研究工作。

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