用于氣體檢測的聲表面波振蕩電路設(shè)計

1 引 言

近年來， 聲表面波氣體傳感器發(fā)展迅速， 應(yīng)用于多個領(lǐng)域， 具有良好的發(fā)展前景。由于SAW 傳感器具有尺寸小、價格低、精度高、靈敏度高及分辨率高等優(yōu)點(diǎn)， 因此產(chǎn)生了由聲表面波器件、敏感薄膜和相關(guān)檢測電路組成的SAW 氣體傳感器。敏感薄膜在吸附氣體的過程中， 被測氣體導(dǎo)致的應(yīng)力作用于聲表面波傳輸路徑中的介質(zhì)， 使其動力學(xué)特性發(fā)生改變， 進(jìn)而改變聲表面波器件的諧振頻率。與之配套的檢測電路測試出這個改變量， 從而得到待測氣體的相關(guān)特性， 而檢測電路的相關(guān)性能直接影響整個傳感器的精度和準(zhǔn)確度等技術(shù)指標(biāo)。因此， 電路的設(shè)計在SAW 氣體傳感器中是一個至關(guān)重要的環(huán)節(jié)。

聲表面波( SAW )振蕩器利用聲表面波諧振器或延遲線作為穩(wěn)頻元件而構(gòu)成。聲表面波器件通常采用性能穩(wěn)定的單晶石英材料制作， 輸出的頻率非常穩(wěn)定。聲表面波振蕩器基頻工作頻率高， 使用范圍可高至2000MH z， 與傳統(tǒng)的采用較低頻率的體聲波振蕩器不同， 具有重量輕、體積小、功耗小、成本低、可靠性增加等優(yōu)點(diǎn)。

聲表面波振蕩器作為聲表面波傳感器的敏感元件， 其頻率穩(wěn)定度直接影響著傳感器的分辨率、穩(wěn)定性和測試精度， 其振蕩頻率取決于反饋回路相位為零時的條件。因此聲表面波振蕩器頻率穩(wěn)定度的提高有助于進(jìn)一步改進(jìn)傳感器的性能指標(biāo)。

2 聲表面波諧振器

聲表面波( SAW )器件是一種采用叉指結(jié)構(gòu)的頻率選擇性很好的器件， 通過精確設(shè)計兩邊的叉指換能器的叉指對數(shù)及間距后， 再通過蒸發(fā)光刻等工藝制成。聲表面波諧振器( SAWR ) 是一種高Q 值的諧振器， 在很多方面都與石英晶體諧振器相似。

與聲表面波延遲線( SAWDL)振蕩器相比， 雙端諧振器的傳輸特性類似于高Q 值延遲線的特性， 但它有以下幾個顯著特點(diǎn): 一是諧振器的尺寸很小; 二是諧振器的插損要小得多; 三是諧振器的調(diào)頻范圍比延遲線窄， 但是調(diào)頻范圍增加的同時穩(wěn)定度會降低。

對于基于諧振型SAW 器件的傳感器來說， 基線頻率穩(wěn)定度是最重要的技術(shù)指標(biāo)之一。對于聲表面波氣體傳感器， 聲表器件上需加敏感膜， 這樣會增加器件的插損， 過大的插損會降低穩(wěn)定度， 因此SAW器件本身的插損不能大。

聲表面波諧振器也可以根據(jù)叉指換能器的對數(shù)分為單端諧振器和雙端諧振器兩種。這兩種類型的諧振器各有特點(diǎn)， 單端聲表面波諧振器振蕩電路簡單， 元器件少， 頻率穩(wěn)定度好， 相位噪聲低， 可實(shí)現(xiàn)低電壓、低功耗， 但是其波段覆蓋系數(shù)小， 當(dāng)超出它的這個范圍時將會導(dǎo)致不起振。雙端聲表面波諧振器的優(yōu)點(diǎn)是容易起振， 如果相移網(wǎng)絡(luò)選擇合適， 可以在很大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)頻率調(diào)節(jié)， 其缺點(diǎn)是這種電路較為復(fù)雜， 成本較高。

3 振蕩電路的設(shè)計

本設(shè)計是基于雙端聲表面波諧振器進(jìn)行的電路設(shè)計， 為了使電路既能容易滿足振蕩條件， 又能達(dá)到良好的性能， 采用閉環(huán)正反饋放大的振蕩電路形式，它包括一個放大電路和一個反饋回路， 電路原理框圖如圖1所示。本次設(shè)計采用的聲表面波器件型號為RP1308， 中心頻率為433. 92MH z， 180 相移的雙端諧振型器件。

圖1 振蕩電路示意圖

該電路在諧振點(diǎn)形成單模振蕩的條件與其他類型的諧振式傳感器類似， 其條件如下: