一種聲表面波顆粒物傳感器驅(qū)動(dòng)電路

郭威

摘要：聲表面波傳感器由于其體積小、易集成的特點(diǎn)，非常適合開發(fā)成環(huán)境監(jiān)測傳感器。本文從聲表面波顆粒物傳感器的機(jī)理特性和驅(qū)動(dòng)電路兩方面介紹了其在顆粒物檢測方面的研究。

Abstract： SAW sensor is an alternative solution for environmental monitoring because of its small size and easy integration. In this paper， the mechanism and driving circuit of SAW particle detection sensor are introduced.

關(guān)鍵詞：聲表面波;環(huán)境監(jiān)測;顆粒物檢測

Key words： SAW;environmental monitoring;particle detection

中圖分類號：TP212? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）36-0271-02

0? 引言

聲表面波器件以其低成本、穩(wěn)定性高、易集成的特點(diǎn)，非常適合改造成各種傳感器。而將聲表面波傳感器在檢測方面的研究主要有兩類：一類是在聲表面波器件表面（聲表面波行走路徑上）涂敷吸附膜，當(dāng)吸附膜與空氣中物質(zhì)發(fā)生反應(yīng)后發(fā)生性能變化，致使聲表面波傳輸路徑發(fā)生變化，使聲表面波器件的固有頻率發(fā)生改變[1][2]。此方案缺點(diǎn)是吸附膜吸附顆粒物后無法釋放，只能累計(jì)測量，傳感器僅能一次性使用，重復(fù)性差。另一類是在聲表面波器件的敏感區(qū)內(nèi)加入高壓電極，用靜電吸附的方式，將顆粒物吸附到聲表面波行走路徑上，然后根據(jù)傳感器輸出的頻率變化來推算吸附顆粒物的量，采集結(jié)束后，反轉(zhuǎn)靜電電極電壓極性，將顆粒物吹離敏感區(qū)，從而實(shí)現(xiàn)重復(fù)采集。此方案缺點(diǎn)是靜電吸附對顆粒物無選擇性，需配合顆粒物切割器來使用。

1? 聲表面波傳感器的原理與結(jié)構(gòu)

聲表面波傳感器在檢測顆粒物時(shí)，需將顆粒物吸附于其敏感區(qū)域，也就是聲表面波在器件表面行進(jìn)的區(qū)域，此時(shí)由于顆粒物的聚集，造成聲表面波的傳輸路徑發(fā)生變化，進(jìn)而引起聲表面波器件的固有頻率發(fā)生變化，通過對頻率變化量的檢測，能反算出顆粒物的量，最終得到空氣中顆粒物的濃度值。

不同粒徑的顆粒物由顆粒物切割器進(jìn)行選擇，檢測顆粒物的聲表面波傳感器放置于顆粒物切割器后端的氣體緩沖器中，通過靜電吸附方式將特定粒徑的顆粒物聚集到延遲線聲表面波器件的中央敏感區(qū)。空氣通過顆粒物切割器時(shí)，只有低于粒徑閾值的顆粒物不會(huì)被切割器滯留，繼而進(jìn)入氣體緩沖器，降低氣體流速，使得顆粒物能夠被靜電吸附。

圖1為聲表面波顆粒物傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖，該傳感器采用延遲線結(jié)構(gòu)，輸入和輸出叉指電極之間是高壓電極，外接直流高壓。圖2為聲表面波傳感器幅頻響應(yīng)曲線，其中心頻率為140MHz，損耗55dB，3dB帶寬為0.21MHz。

實(shí)際應(yīng)用中，采用雙通道差分結(jié)構(gòu)的聲表面波傳感器來盡可能的減小環(huán)境因素的影響，其中一個(gè)通道帶有高壓電極，作為采樣測試通道;另一通道沒有高壓電極，不采集顆粒物，作為參考通道，用于對環(huán)境因素的補(bǔ)償。

2? 聲表面波顆粒物傳感器驅(qū)動(dòng)電路

圖3為聲表面波傳感器的等效電路。其輸入端需要加入激勵(lì)信號，使得聲表面波傳感器與激勵(lì)信號達(dá)到共振，其共振頻率即為聲表面波傳感器的本征中心頻率。而顆粒物沉積在高壓電極上時(shí)，會(huì)影響到聲表面波的傳輸，使其等效電路中的R值、L值或者C值發(fā)生變化，使其本征中心頻率發(fā)生偏移，進(jìn)而輸出端叉指電極將采集頻率變化的聲表面波。其頻率變化值即能反映顆粒物的量，進(jìn)而可以推測出空氣中顆粒物的濃度。

實(shí)際使用的聲表面波傳感是無源器件，需要外部驅(qū)動(dòng)電路使其發(fā)生自激振蕩，工作在其本征中心頻率上。圖4為常用的聲表面波傳感器驅(qū)動(dòng)電路框架圖。其中，聲表面波傳感器在電路中充當(dāng)正反饋，而放大器使反饋回路的放大倍數(shù)始終大于1，最終當(dāng)反饋回路的附加相位是2Π的整數(shù)倍時(shí)，電路發(fā)生自激振蕩，此時(shí)輸出的振蕩波幅值最大、頻率穩(wěn)定且為聲表面波傳感器的本征中心頻率。

圖5為本項(xiàng)目中實(shí)際使用的聲表面波顆粒物傳感器的驅(qū)動(dòng)電路。其中，使用NPN三極管為放大器、阻容網(wǎng)絡(luò)來完成相移即輸出濾波器。本設(shè)計(jì)中采用2SC3356作為高頻放大三極管，其截止頻率高達(dá)7GHz，頻率穩(wěn)定性高，且噪聲很小。

3? 一種聲表面波傳感器檢測顆粒物的方式

圖6為雙通道聲表面波顆粒物傳感器信號處理框圖。采樣測試通道的頻率與參比通道的頻率信號通過混頻模塊，得到兩個(gè)通道頻率信號的頻率差值，再經(jīng)過FVC模塊后轉(zhuǎn)成電壓信號，方便單片機(jī)直接采集和處理[3]。

4? 結(jié)論

實(shí)際測試中，聲表面波傳感器在檢測顆粒物時(shí)反應(yīng)靈敏，但不同粒徑的顆粒物在傳感器上沉積效率不一樣，使得聲表面波傳感器在顆粒物檢測方面還有一定局限，還需進(jìn)一步研究。

參考文獻(xiàn)：

[1]何世堂，王文，劉久玲，劉明華，李順洲.聲表面波氣體傳感器研究進(jìn)展[J].應(yīng)用聲學(xué)，2013：252-262.

[2]李晶晶，李冬梅，趙以貴，柯導(dǎo)明，陳軍寧，賈銳.常見氣體聲表面波傳感器研究進(jìn)展[J].傳感器世界，2009：6-10.

[3]吳朋林.氣相色譜、富集器和聲表面波傳感器的集成技術(shù)研究[D].成都：電子科技大學(xué)，2016-06.