無源無線SAW傳感器及其應用

摘  要:聲表面波(SAW)器件作為信號處理器在現(xiàn)代擴頻技術中已獲得廣泛的應用，推動了信號保密、抗干擾技術在通信、雷達、電子對抗等軍用電子系統(tǒng)中的應用。然而，隨著信息技術的深入發(fā)展，作為模擬技術的SAW技術，在信號處理領域依然展示著其實時強大的信號處理能力，同時在信息敏感方面也展現(xiàn)出卓越的優(yōu)勢，如其靈敏度高、直接頻率和相位輸出、多參量綜合信號轉換能力、性能穩(wěn)定、無源低功耗、工藝簡單且與半導體工藝兼容易于實現(xiàn)片上集成等特點，在多種物理、化學、生物傳感器系統(tǒng)獲得應用，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處理、信號傳輸于一體的單芯片SAW無源標識器(SAW IDT)技術在多種SAW傳感器系統(tǒng)獲得廣泛的應用，成為當今SAW和傳感器兩個技術領域的一個新發(fā)展亮點。本文基于信息敏感的角度對SAW傳感器的理論、設計、結構、系統(tǒng)研究方向、在無源標識器(IDT)應用軍方面進行了探討，對進一步發(fā)展以SAW綜合信息敏感技術為基礎的新的系統(tǒng)設計有一意義。

關鍵詞: SAW傳感器、無源標識器(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換出來，出于人類自身認識和思維的促限性等原因，人們習貫于接受和處理電磁信號攜帶的信息；因此，在以電磁信號為載體的信息社會迅速發(fā)展的今天，傳感器的重要性就不言而喻，由于當前理論、設計、工藝等發(fā)展的局限性，人們在現(xiàn)有已建立信息系統(tǒng)的模型、信息載體的種類的基礎上的信息敏感、信息傳輸和信息利用各個環(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識；如何解決這個問題呢？鑒于SAW技術自身的技術特點：工作頻率高(GHz量級)、信息載體信號(電磁—機械運動)能量集中、運動的表面化(易于工藝處理)、微細線條加工工藝成熟等原因，使得SAW成為各類傳感器當前研究的熱門，近年在應用上取得突破性進展，成為當前信息敏感的標志性技術之一。

圖1：SAW器件原理 

SAW技術的發(fā)展起源于二十世紀六十年代初期，至今已有四、五十年的歷史。其基礎理論、應用設計、工藝技術、計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械波，如圖1所示，鑒于SAW技術特點，推動一類新型、功能強大的SAW信號處理中的實現(xiàn)，從而在二十世紀七十年代后期推動了國內(nèi)外寬帶擴頻技術在各類電子系統(tǒng)中的廣泛應用。但它具有不可回避的缺點。如：器件性能如器件工作頻率、插入損耗、時間延遲、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處理器，隨著當前信息傳輸特點和需求的迅速發(fā)展，技術弱點越來越凸顯。然而，正是由于SAW技術的上述優(yōu)點和不足。奠定了SAW技術在信息敏感領域的獨特地位。

<1>、SAW器件性能易受外界各物理因素影響，對信號處理器來說，這是它是必需克服的弱點，而對于信息敏感器來說，這正是它作所必需的。因而，SAW器件的信號模擬處理特點為其成為信息敏感器奠定了物理基礎。

<2>、SAW信號能量集中在基片的1～2波長范圍內(nèi)，其對外界量變的響應較其它信號更為敏感，因而，SAW信息敏感技術不但可以實現(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、生物等微量物質的敏感奠定了技術基礎。

<3>、SAW傳播速度為103m/s量級(比電磁波慢5個數(shù)量級)，易于實現(xiàn)SAW傳感器的微型化、陣列化。

<4>、當且與半導體技術融合時，奠定了SAW傳感器的綜合化、智能化、低成本大規(guī)模生產(chǎn)以及廣泛應用的技術基礎。

基于上述SAW技術的自身特點以及當前信息敏感技術發(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化學氣體傳感器、SAW液相傳感器等，國際上早在二十世紀七十年代以后就有研究報告出現(xiàn)。近年來，隨著環(huán)境保護及反恐的需要，SAW傳感器再次宣起新的研究高潮，特別是SAW化學、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認證；美國微傳感系統(tǒng)公司2002年推出了HAZMATCADTH型系列SAW化學戰(zhàn)劑檢測器；JCAD SAW綜合化學戰(zhàn)劑傳感器已于2000年后批量裝備部隊，美國國防部計劃在5個財年內(nèi)作為制式儀器裝備美軍270000部。國內(nèi)SAW傳感器發(fā)展始于二十世紀八十年代，對機載SAW壓力傳感器、SAW溫度傳感器、SAW CO化學氣相傳感器、SAW生物基因傳感器等進行了初步研究。本文對SAW傳感器的基本概念、結構、應用及發(fā)展中的問題作了一個概述。

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(相對應于SAW信號幅度)都要減小，其輸出的RF信號電壓幅度相應減小。

2、SAW速度(頻率)干擾 

               
是涂覆單位面積質量，h或ρ的微小變化也將引起振蕩器振蕩頻率的變化。由單位質量負載變化引起的頻率變化幅度與工作頻率f成平方關系，k1,k2是與材料有關的常量。

3、SAW傳感器的兩種信號檢測方式
SAW傳感器的兩種信號檢測方式：頻率檢測方式和相位檢測方式如圖2所示

三、SAW傳感器在無源標識器中的應用

3、SAW無源標識器（IDT）及其應用。

SAW無源識別器還在汽車制造、物流、高壓輸電設備安全監(jiān)控、道路自動收費(ETC)、門禁控制/電子門票、動物身份標識與跟蹤、圖書銷售與管理、航空行李處理、郵件/快運包裹處理、生產(chǎn)制造和裝配、食品生產(chǎn)與銷售等等方面獲得應用?？梢哉f，SAW無源識別器將在現(xiàn)代信息網(wǎng)絡中占據(jù)一席之地，將成為SAW技術應用的又一高潮。

<1>在RFID系統(tǒng)上的應用

DRFID，即射頻無線標簽，是取代目前商品流通領域內(nèi)廣泛使用的條型碼的唯一技術，其應用范圍之廣，影響之巨大，無容多言，而目前各廠家開發(fā)的半導體型無線無源電子標簽，其作用距離一般在1m以內(nèi)，這極大地限制了RFID技術優(yōu)勢的充分發(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、強電磁干擾環(huán)境中時，其信息讀取存在困難。因此，開發(fā)新一代遠距離、無源、抗干擾RFID是非常需要，而在這兩個方面，SAW技術實現(xiàn)的RFID恰恰具有無可比擬的技術優(yōu)勢，其原理如圖3所示；可以預計，采用SAW技術實現(xiàn)的RFID將具有巨大的市場前景，具SAW行業(yè)專家估計，無源SAW RFID是SAW技術繼在彩電、移動通信兩次應用高峰后的又一高峰，其市場容量將遠大于前兩次應用。

<2>在智能輪胎上的應用

輪胎是飛機、汽車、各類戰(zhàn)車等交通工具的關鍵部件。輪胎爆裂是交通事故的主要因素。西方主要汽車生產(chǎn)國已強令實施汽車輪胎的實時監(jiān)測，實行所謂的智能輪胎；智能輪胎，實際上就是對運行中輪胎的溫度、壓力以及地面摩擦系數(shù)實施實時監(jiān)測，這就需要相應的溫度、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的技術在智能輪胎中上應用的獨特優(yōu)勢，其原理如圖4所示

<3>在大型電機設備中的應用

   大型火力、水力、核力發(fā)電設備的發(fā)電機組的長期、穩(wěn)定、安全運行，離不開現(xiàn)場對系統(tǒng)的溫度、壓力、剪切力等參數(shù)的實時監(jiān)測，而這些設備又處于高溫、高濕、強電磁干擾等惡劣工作環(huán)境，實時讀取、傳輸這些參數(shù)信息的技術目前首選SAW技術，特別是SAW無源識別器可集信息獲取與傳輸于一體，且可工作于極高溫(＞1000℃)、強電磁干擾等環(huán)境，圖5所示。因而SAW無源識別器將成為該類重大工程大型設備系統(tǒng)安全運行的關鍵監(jiān)測設備。

<4> SAW敏感技術在火車自動調度、安全運行監(jiān)控系統(tǒng)中的應用 

SAW無源識別器構成的RFID --OFW ID 系統(tǒng)SOFIS已用于Munich S-Bahn火車自動調度系統(tǒng)中作無源電子標簽，圖6所示。

<5>火車安全運行監(jiān)控系統(tǒng)

SAW無源識別器可構成火車輪軸溫度、剪切力等參數(shù)的實時敏感器，同時實時把所監(jiān)測的信息傳回控制中心，實施自動，實時監(jiān)測與報警系統(tǒng)，以利于火車的長時、高速安全運行，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技術除上述的對外界信息的易感知性和其信號的易檢測性外，由于SAW器件在GHz范圍內(nèi)仍表現(xiàn)出非量子性(而這種量子效應直接導致半導體電路的門限效應)，即GHz范圍的SAW信號的連續(xù)運動性，從而使SAW器件具有極低的門限以及大的動態(tài)線性，這極大地拓展了SAW技術在無源信息敏感方面的應用。

四、SAW傳感器的發(fā)展

SAW傳感器的發(fā)展，不單需要設計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鍵的作用，這就需要亞微米電子工藝技術作保證；發(fā)展SAW信息敏感技術包括四個關鍵技術：<1>SAW信號處理轉換技術；<2>化學/SAW敏感（膜）技術；<3>綜合信號處理及檢測技術；<4>系統(tǒng)技術。

1、SAW信號處理轉換技術
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.化學敏感膜技術
(1)選擇性吸附膜的研制；(2) 選擇性吸附膜的制備工藝等

3 綜合信號處理技術
聲表面波微聲信息敏感器是以SAW模擬信號處理器為基礎的傳感器，它對外界量、壓力、溫度、濕度、電壓、負載等各類物理、化學、生物氣相、液相量均要產(chǎn)生敏感即一個SAW敏感頭所對外界量到電信號的轉換過程為，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)
解出相應的外界量的變化量P，T，H，V，……。

4．系統(tǒng)設計應用技術研究

SAW信息敏感器不是一個單獨的信號處理的芯片。它是一個有具體實用環(huán)境的人機系統(tǒng)。因此，它的設計必須考慮如下因素：<1>面對一般干擾環(huán)境因素；<2>面對的惡意干擾環(huán)境因素；<3>人機界面接口；<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)設計之初能充分分析、融合進設計中，那么研制的產(chǎn)品才有生命力，才有實用價值。

五、結束語

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、結構、研究的方向及無源標識的應用做了一個掛一漏萬的概述，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，感謝老師、領導、同事、同學提供幫助。