楊淵華 肖功亞 刁振國(guó)

中國(guó)電子科技集團(tuán)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(guó)

中國(guó)電子科技集團(tuán)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(lèi)及其特點(diǎn)。由于SAW傳感器具有非接觸、快速、無(wú)電源、抗干擾、易編碼、保密性好、成本低等優(yōu)點(diǎn)，目前已廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域。本文詳細(xì)地介紹了幾款具有代表性的應(yīng)用。

SAW；無(wú)源無(wú)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(hào)處理器件在現(xiàn)代電子信息技術(shù)中已獲得廣泛的應(yīng)用。但SAW技術(shù)在信息敏感方面也表現(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(wú)源低功耗、且與半導(dǎo)體工藝兼容等特點(diǎn)，在個(gè)體識(shí)別、物理、化學(xué)、生物傳感器系統(tǒng)中將有極大應(yīng)用前景，被認(rèn)為是SAW技術(shù)的又一產(chǎn)業(yè)化領(lǐng)域，近年來(lái)廣受重視。

1 直接型傳感器

直接型傳感器，是指直接測(cè)量外界待測(cè)物理化學(xué)量對(duì)聲表面波特性的干擾，達(dá)到獲取待測(cè)量特征的傳感器。例如，外界溫度變化會(huì)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(cè)量，從而推導(dǎo)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(dāng)傳感器置于該氣體微量氣氛中，次敏感層會(huì)對(duì)在其下方傳播的聲表面波產(chǎn)生干擾，導(dǎo)致傳感器特性發(fā)生變化，從而達(dá)到測(cè)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(wú)線傳感節(jié)點(diǎn)應(yīng)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(shù)迅猛發(fā)展的今天，對(duì)于許多傳感器應(yīng)用的特殊場(chǎng)合，傳感器和被測(cè)單元間的連線通常是無(wú)法實(shí)現(xiàn)的，必須采用無(wú)線傳感器來(lái)實(shí)現(xiàn)測(cè)量。

近年來(lái)，深入開(kāi)發(fā)SAW器件的無(wú)源特征和無(wú)線應(yīng)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(shí)別型聲表面波傳感器（下簡(jiǎn)稱(chēng)SAW傳感器）都是基于其特有的低耗電-聲-電能量轉(zhuǎn)換機(jī)理和良好的無(wú)線傳輸特性。

2.1 SAW傳感器的特點(diǎn)

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(guò)程，而且聲表面波換能沒(méi)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(guò)程。因此，SAW傳感器不需額外能量，即它是真正無(wú)源元器件。由此，它具有不需維護(hù)，使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，特別適合用于難以維護(hù)或需要長(zhǎng)期工作的場(chǎng)合。

2.1.2 由于叉指換能器可與射頻輻射天線直接相連，達(dá)到收發(fā)射頻信號(hào)的目的，所以能直接完成無(wú)線應(yīng)用，大大簡(jiǎn)化了SAW傳感器節(jié)點(diǎn)的結(jié)構(gòu)。最簡(jiǎn)單的SAW傳感器節(jié)點(diǎn)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(yīng)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(shí)一微秒左右。一微秒延遲時(shí)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(xiě)距離或減小讀寫(xiě)器的射頻輻射功率。

2.1.4 由于聲表面波換能過(guò)程中沒(méi)有載流子參與，所以SAW傳感器耐輻射，抗干擾能力特強(qiáng)，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(shí)能較長(zhǎng)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(lèi)與原理

電勵(lì)磁雙凸極電機(jī)(Doubly Salient Electromagnetic Machine,DSEM)結(jié)合了永磁電機(jī)和開(kāi)關(guān)磁阻電機(jī)的特點(diǎn)[1-2],其定轉(zhuǎn)子上無(wú)永磁材料,僅靠勵(lì)磁電流來(lái)調(diào)節(jié)磁場(chǎng),且轉(zhuǎn)子上無(wú)繞組,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,適用于航空航天等場(chǎng)合。其基本特性和控制方法已經(jīng)得到了學(xué)者們的廣泛研究[3-4]。然而,DSEM電動(dòng)或起動(dòng)發(fā)電運(yùn)行時(shí)位置傳感器的引入增加了系統(tǒng)的復(fù)雜程度,限制了電機(jī)的應(yīng)用范圍。無(wú)位置傳感器技術(shù)能夠提高電機(jī)系統(tǒng)的集成度,增強(qiáng)系統(tǒng)的適應(yīng)性、抗干擾性和可靠性。因此,無(wú)位置傳感器技術(shù)的研究具有重要意義。

SAW傳感器按檢測(cè)原理分為兩種類(lèi)型：諧振型和延遲型。

諧振型SAW傳感器在一個(gè)或多個(gè)叉指換能器（IDT）的左右兩邊對(duì)稱(chēng)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(diǎn)，該傳感器僅僅響應(yīng)與諧振器固有頻率相同或接近的激勵(lì)信號(hào)，因此，可利用SAW諧振器良好的頻率選擇性直接測(cè)量反映器件固有頻率的諧振頻率，從而感知被測(cè)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(lì)信號(hào)主要采用編碼脈沖或掃頻信號(hào)方式，而后者則多采用沖激脈沖或間歇脈沖激勵(lì)。延遲型主要是利用激勵(lì)信號(hào)與接收信號(hào)在時(shí)間上的時(shí)延或相位上的變化進(jìn)行測(cè)量的。當(dāng)外界被檢測(cè)量發(fā)生變化時(shí)，將影響時(shí)延或相位。檢測(cè)出該時(shí)延，就可感知被測(cè)量的大小。編碼延遲線利用激勵(lì)信號(hào)到達(dá)各個(gè)延遲抽頭的相位是否同相或反相實(shí)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(shí)信號(hào)構(gòu)成不同的編碼，便于對(duì)多個(gè)傳感器或標(biāo)識(shí)器進(jìn)行識(shí)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(gè)反射體組成，作為帶有特征碼的反射目標(biāo)。當(dāng)讀寫(xiě)器發(fā)出的射頻詢問(wèn)脈沖被應(yīng)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?yàn)榫下暡ǚ瓷淦鳡顟B(tài)與外界環(huán)境應(yīng)力有關(guān)，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(xiě)器接收到回波脈沖串后，放大和解碼，輸入計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)庫(kù)，達(dá)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(kāi)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(shí)來(lái)自閱讀器本身的串?dāng)_和周?chē)鷶?shù)百米內(nèi)物體的反射電磁波都已衰減，對(duì)回波信號(hào)的干擾很小，這是延遲型無(wú)線傳感器的獨(dú)特優(yōu)越處。

3 應(yīng)用

由于SAW傳感器具有非接觸、快速、無(wú)電源、抗干擾、易編碼、保密性好、成本低等優(yōu)點(diǎn)，目前，已廣泛應(yīng)用于許多領(lǐng)域。由它構(gòu)成的傳感器陣列，傳感單元之間可無(wú)信號(hào)線連接，陣列輸出也無(wú)需引線連接，分布更容易，應(yīng)用不受限制，特別適合一些應(yīng)用環(huán)境復(fù)雜，不宜接觸的工程結(jié)構(gòu)和環(huán)境的遙測(cè)、傳感和目標(biāo)識(shí)別。因此，對(duì)SAW傳感器的研究，尤其是對(duì)更遠(yuǎn)距離SAW傳感器研究，有更廣泛的應(yīng)用前景。

3.1 輪胎胎壓檢測(cè)系統(tǒng)

采用聲表面波技術(shù)的TPMS檢測(cè)單元，僅由多個(gè)對(duì)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(jiǎn)單。由于沒(méi)有有源器件，不需要直流供電，而且體小量輕，對(duì)輪胎的動(dòng)平衡不產(chǎn)生影響，安裝簡(jiǎn)便。圖2為氣體壓強(qiáng)測(cè)試用SAW傳感器結(jié)構(gòu)示意，SAW元件密封在有參考?xì)鈮簭?qiáng)的腔內(nèi)，密封腔置于車(chē)胎內(nèi)，感受車(chē)胎內(nèi)實(shí)際氣壓的狀態(tài)。由于車(chē)胎壓與參考?xì)鈮旱牟钪?，確定了密封腔薄膜壁的彎曲形變，也導(dǎo)致SAW元件性能變化，實(shí)時(shí)測(cè)量了胎壓值。

3.2 射頻MEMS

微傳感器、微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS，Micro-Electro-Mechanical Systems）正在對(duì)半導(dǎo)體工業(yè)產(chǎn)生革命性的作用。SAW技術(shù)進(jìn)入MEMS領(lǐng)域，成為研究前沿。

圖3為MEMS-IDT加速率計(jì)的截面示意圖，采用了三維導(dǎo)電反射陣作為應(yīng)力敏感元件，完成無(wú)源無(wú)線遙測(cè)功能。

3.3 電力設(shè)備管理標(biāo)簽

電力系統(tǒng)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的動(dòng)脈，2007年底南方電力系統(tǒng)遭受冰災(zāi)造成了巨大損失，由此，電力設(shè)備管理標(biāo)簽的研發(fā)有巨大社會(huì)價(jià)值。

電力設(shè)備管理標(biāo)簽的主要功能要求為：一、設(shè)備識(shí)別號(hào);二、設(shè)備環(huán)境溫度檢測(cè);三、強(qiáng)電磁干擾和南北方戶外環(huán)境下工作；四、2～4位存儲(chǔ)功能。

鑒于半導(dǎo)體技術(shù)的標(biāo)簽，不能在強(qiáng)電磁干擾條件下可靠工作，采用延時(shí)反射型聲表面波標(biāo)簽是唯一選擇。

3.4 土壤含水量測(cè)定

草地花圃等的土壤中，所含水分對(duì)植物生長(zhǎng)十分重要，適當(dāng)澆水對(duì)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(cè)量裝置，可清楚地看到無(wú)源無(wú)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(cè)土壤的金屬電極間電阻變化來(lái)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(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)及應(yīng)用做了一個(gè)舉一廢百的概述，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。同時(shí)感謝領(lǐng)導(dǎo)、同事提供的幫助。

[1] 李源等.聲表面波無(wú)源傳感器及其遙測(cè)系統(tǒng)的研究[J].電子學(xué)報(bào),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(yáng)人、大學(xué)本科、工程師，從事SAW器件封裝工藝技術(shù)研究工作。