無源無線SAW傳感器及其應(yīng)用

摘  要:聲表面波(SAW)器件作為信號(hào)處理器在現(xiàn)代擴(kuò)頻技術(shù)中已獲得廣泛的應(yīng)用，推動(dòng)了信號(hào)保密、抗干擾技術(shù)在通信、雷達(dá)、電子對(duì)抗等軍用電子系統(tǒng)中的應(yīng)用。然而，隨著信息技術(shù)的深入發(fā)展，作為模擬技術(shù)的SAW技術(shù)，在信號(hào)處理領(lǐng)域依然展示著其實(shí)時(shí)強(qiáng)大的信號(hào)處理能力，同時(shí)在信息敏感方面也展現(xiàn)出卓越的優(yōu)勢(shì)，如其靈敏度高、直接頻率和相位輸出、多參量綜合信號(hào)轉(zhuǎn)換能力、性能穩(wěn)定、無源低功耗、工藝簡單且與半導(dǎo)體工藝兼容易于實(shí)現(xiàn)片上集成等特點(diǎn)，在多種物理、化學(xué)、生物傳感器系統(tǒng)獲得應(yīng)用，廣受重視。近年來，隨著SAW器件工作頻率提高到GHz以上，使得集信息敏感與信號(hào)處理、信號(hào)傳輸于一體的單芯片SAW無源標(biāo)識(shí)器(SAW IDT)技術(shù)在多種SAW傳感器系統(tǒng)獲得廣泛的應(yīng)用，成為當(dāng)今SAW和傳感器兩個(gè)技術(shù)領(lǐng)域的一個(gè)新發(fā)展亮點(diǎn)。本文基于信息敏感的角度對(duì)SAW傳感器的理論、設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)研究方向、在無源標(biāo)識(shí)器(IDT)應(yīng)用軍方面進(jìn)行了探討，對(duì)進(jìn)一步發(fā)展以SAW綜合信息敏感技術(shù)為基礎(chǔ)的新的系統(tǒng)設(shè)計(jì)有一意義。

關(guān)鍵詞: SAW傳感器、無源標(biāo)識(shí)器(IDT)、信息敏感

一、前言

傳感器是把客觀世界中包含的各種信息通過各種載體盡量多的轉(zhuǎn)換出來，出于人類自身認(rèn)識(shí)和思維的促限性等原因，人們習(xí)貫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，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。

圖1：SAW器件原理 

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)處理器來說，這是它是必需克服的弱點(diǎn)，而對(duì)于信息敏感器來說，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，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，更是受到各國高度重視，如美國電子傳感器技術(shù)公司推出了用于環(huán)境監(jiān)測的4100型手持式SAW氣體傳感器，于1998年通過美國EPA認(rèn)證；美國微傳感系統(tǒng)公司2002年推出了HAZMATCADTH型系列SAW化學(xué)戰(zhàn)劑檢測器；JCAD SAW綜合化學(xué)戰(zhàn)劑傳感器已于2000年后批量裝備部隊(duì)，美國國防部計(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、SAW CO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 

               
是涂覆單位面積質(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)檢測方式
SAW傳感器的兩種信號(hào)檢測方式：頻率檢測方式和相位檢測方式如圖2所示

三、SAW傳感器在無源標(biāo)識(shí)器中的應(yīng)用

3、SAW無源標(biāo)識(shí)器（IDT）及其應(yīng)用。

SAW無源識(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)、門禁控制/電子門票、動(dòng)物身份標(biāo)識(shí)與跟蹤、圖書銷售與管理、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，SAW無源識(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，無容多言，而目前各廠家開發(fā)的半導(dǎo)體型無線無源電子標(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RFID IC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，開發(fā)新一代遠(yuǎn)距離、無源、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將具有巨大的市場前景，具SAW行業(yè)專家估計(jì)，無源SAW RFID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)國已強(qiáng)令實(shí)施汽車輪胎的實(shí)時(shí)監(jiān)測，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，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、無源抗電磁干擾，而這諸多苛刻條件的要求正集中映射了SAW無源無線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)組的長期、穩(wěn)定、安全運(yùn)行，離不開現(xiàn)場對(duì)系統(tǒng)的溫度、壓力、剪切力等參數(shù)的實(shí)時(shí)監(jiān)測，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無源識(shí)別器構(gòu)成的RFID --OFW ID 系統(tǒng)SOFIS已用于Munich S-Bahn火車自動(dòng)調(diào)度系統(tǒng)中作無源電子標(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)測的信息傳回控制中心，實(shí)施自動(dòng)，實(shí)時(shí)監(jiān)測與報(bào)警系統(tǒng)，以利于火車的長時(shí)、高速安全運(yùn)行，圖7所示。特別是我國目前狀況，火車的高速化、信息化情況下更具有重大意義。

 

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器件具有極低的門限以及大的動(dòng)態(tài)線性，這極大地拓展了SAW技術(shù)在無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)處理及檢測技術(shù)；<4>系統(tǒng)技術(shù)。

1、SAW信號(hào)處理轉(zhuǎn)換技術(shù)
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

SAW傳感器技術(shù)是一門適合當(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)、研究的方向及無源標(biāo)識(shí)的應(yīng)用做了一個(gè)掛一漏萬的概述，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，感謝老師、領(lǐng)導(dǎo)、同事、同學(xué)提供幫助。