無(wú)線無(wú)源聲表面波傳感器研究進(jìn)展*

葉 韜， 金 浩， 董樹(shù)榮， 王德苗

(浙江大學(xué) 信息與電子工程學(xué)系，浙江 杭州 310027)

綜述與評(píng)論

無(wú)線無(wú)源聲表面波傳感器研究進(jìn)展*

葉 韜， 金 浩， 董樹(shù)榮， 王德苗

(浙江大學(xué) 信息與電子工程學(xué)系，浙江 杭州 310027)

聲表面波(SAW)傳感器是一種無(wú)線無(wú)源傳感器，在無(wú)源傳感、適應(yīng)惡劣環(huán)境等許多方面具有普通傳感器不能實(shí)現(xiàn)的優(yōu)點(diǎn)。闡述了聲表面波器件的原理和結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，并對(duì)射頻信號(hào)收發(fā)、信息處理等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)論述，綜述了近些年國(guó)內(nèi)外的相關(guān)研究現(xiàn)狀，并進(jìn)行了總結(jié)與展望。

聲表面波傳感器； 無(wú)線收發(fā)； 信號(hào)處理

0 引 言

無(wú)線傳感器可分為有源、無(wú)源兩類。有源無(wú)線傳感器常用外接電源或內(nèi)置電池等方法為傳感器供能；無(wú)源無(wú)線傳感器的工作能量則來(lái)自對(duì)電磁波信號(hào)的接收儲(chǔ)能。在原理方面，聲表面波(SAW)傳感器的傳感信號(hào)變化直觀、簡(jiǎn)單；在制作方面，聲表面波傳感器的工藝技術(shù)與半導(dǎo)體工藝兼容。因此，聲表面波傳感器在物理、化學(xué)、生物等測(cè)量領(lǐng)域中有極大的前景，也已經(jīng)取得了廣泛的應(yīng)用。

聲表面波無(wú)線無(wú)源傳感器分為射頻信號(hào)收發(fā)模塊和聲表面波器件兩部分。射頻信號(hào)收發(fā)模塊完成問(wèn)詢信號(hào)的產(chǎn)生發(fā)射和對(duì)聲表面波器件反射信號(hào)的接收處理過(guò)程。聲表面波器件完成將問(wèn)詢信號(hào)轉(zhuǎn)換為聲波信號(hào)，再將聲波信號(hào)轉(zhuǎn)換為電磁波信號(hào)的過(guò)程。

1 聲表面波傳感器結(jié)構(gòu)

1.1 基本組成

聲表面波器件在物理結(jié)構(gòu)上主要由叉指換能器(IDT)、基片和反射柵三部分組成。叉指換能器[1]用來(lái)完成電磁波和聲波之間的互換；聲波產(chǎn)生后沿壓電基片表面?zhèn)鬏敚环瓷鋿庞脕?lái)反射聲表面波。叉指換能器和反射柵的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單，制備工藝相對(duì)成熟，常由金屬氣相沉積和光刻工藝制作而成。根據(jù)聲波不同的傳輸過(guò)程，聲表面波器件分為延遲線型和諧振型；壓電基片的不同也會(huì)影響聲波傳播。聲表面波器件多樣化的發(fā)展主要體現(xiàn)在以上2個(gè)方面。

1.2 延遲線型

在延遲線型聲表面波器件中[2]，叉指換能器將接收的電磁波信號(hào)轉(zhuǎn)換為聲表面波信號(hào)，該聲波信號(hào)從叉指換能器一端向設(shè)有聲表面波反射柵的另一端傳播，經(jīng)該反射柵反射后，聲表面波回到叉指換能器端，最后由其轉(zhuǎn)換回射頻電磁波信號(hào),其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如圖1所示。

1.3 諧振型

在諧振型聲表面波器件中[3]，由叉指換能器轉(zhuǎn)換的聲表面波信號(hào)在由一對(duì)反射柵形成的諧振腔中諧振，其諧振次數(shù)和衰減時(shí)間與諧振腔的品質(zhì)因數(shù)相關(guān)。在諧振過(guò)程中，聲表面波通過(guò)安置在中間的叉指換能器轉(zhuǎn)換回射頻電磁波信號(hào),結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如圖2所示。

圖1 延遲線型聲表面波器件Fig 1 Delay-line type SAW devices

圖2 諧振型聲表面波器件Fig 2 Resonance type SAW devices

與延遲線型聲表面波傳感器相比，諧振型聲表面波傳感器具有較高的Q值，而且在同樣的精度要求下，尺寸可以做得更小[4]。

1.4 壓電基片

聲表面波器件中有較多變化和選擇的是其壓電基片的材料和工藝實(shí)現(xiàn)。在一些測(cè)量目標(biāo)下，壓電基片的特性直接受到被測(cè)量參數(shù)的影響,如在聲表面波溫度傳感器中，一般采用具有溫度延遲系數(shù)(TCD)不為零的壓電材料[5]，這些壓電材料會(huì)因?yàn)闇囟鹊挠绊懚淖兟暠砻娌ǖ膫鬏斕匦裕瑥亩_(dá)到測(cè)量目的。在溫度測(cè)量方面常用的壓電材料有溫度延遲系數(shù)為84×10-6/K的LiNbO3[6,7](Y/X切向)和溫度延遲系數(shù)為30×10-6/K的ZnO[8,9]等。在工藝實(shí)現(xiàn)上，聲表面波器件的壓電基片可以由一整塊壓電材料構(gòu)成，如LiNbO3壓電晶體；也可以在硬性襯底上附上壓電薄膜層，如在硅襯底上附著ZnO薄膜層。直接采用壓電晶體作為基片可以簡(jiǎn)化聲表面波器件的設(shè)計(jì)制備，所以,目前普通的聲表面波溫度傳感器主要采用LiNbO3作為壓電材料；而采用薄膜層作為壓電材料雖然使制備過(guò)程復(fù)雜化，但是擴(kuò)大了聲表面波傳感器的應(yīng)用范圍，如更高的工作頻率和更廣泛的襯底材料選擇[10]。壓電薄膜層的制備可以通過(guò)金屬有機(jī)化學(xué)氣相沉積[11]或磁控濺射[12]等方法實(shí)現(xiàn)。對(duì)比普通的化學(xué)氣相沉積方法，磁控濺射方法有著沉積速度快、膜層致密性好、壓電性能好等優(yōu)點(diǎn)。

除了被測(cè)參數(shù)直接影響壓電基片外，在原本不敏感的壓電基片上附上一層對(duì)被測(cè)量參數(shù)敏感的薄膜層，也可以間接影響壓電基片，從而測(cè)量到被測(cè)參數(shù)。Huang Fuchun等人研發(fā)了一種用ZnO和Pt薄膜層作為敏感層的氫氣傳感器[13]，其制備方法是先在128°YX-LiNbO3襯底上附上一層ZnO薄膜，然后在ZnO薄膜上附上厚約2 nm的Pt層作為催化劑。該傳感器在響應(yīng)時(shí)間15 s內(nèi)可以測(cè)到實(shí)際值的90 %，恢復(fù)時(shí)間為2～3 min，具有精度高，響應(yīng)時(shí)間快等優(yōu)點(diǎn)。Du Xiaosong等人研發(fā)了一種用聚甲基硅氧烷材料(PMPS)作為敏感層的甲基膦酸二甲酯(DMMP)傳感器[14]，其制備方法是在壓電襯底上附上200 μm的聚甲基硅氧烷薄膜層。該傳感器的響應(yīng)時(shí)間是30 s，精度是石英晶體微天平(QCM)傳感器的300倍。周文等人研發(fā)了一種用聚苯胺—多壁碳納米管薄膜層作為敏感層的NO2傳感器[15]，其制備方法是在石英基片上用磁控濺射和光刻技術(shù)制作延遲線型器件，之后將溶有聚苯胺和多壁碳納米管的三氯甲烷作為溶劑涂在器件表面制成敏感層，該傳感器的響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間分別為600，400 s左右。除此之外，金浩等人在柔性襯底上也實(shí)現(xiàn)了聲表面波溫度傳感器的研究[16]，其制備方法是在聚酰亞胺柔性襯底上利用直流磁控濺射的方法沉積一層ZnO薄膜，該傳感器能夠在25～90 ℃的溫度范圍內(nèi)測(cè)量溫度，并且整個(gè)聲表面波器件可以彎曲工作，以適應(yīng)復(fù)雜的測(cè)量表面。

2 無(wú)線收發(fā)與信號(hào)處理

聲表面波器件需要將問(wèn)詢信號(hào)有效接收，完成電磁波—聲波轉(zhuǎn)換，然后聲波經(jīng)由傳輸、反射再通過(guò)聲波—電磁波轉(zhuǎn)換后重新將電磁波輻射出去。經(jīng)聲表面波器件接收后重新反射回來(lái)的信號(hào)是個(gè)線性失真信號(hào)，通過(guò)對(duì)該線性失真信號(hào)的分析處理可以得出最后所需的參數(shù)，也即傳感器的被測(cè)參數(shù)。當(dāng)被測(cè)參數(shù)y0變化Δy時(shí)，聲表面波器件上的聲表面波信號(hào)的延遲時(shí)間τ或中心頻率f也將產(chǎn)生變化。

2.1 識(shí)別標(biāo)簽和測(cè)量傳感器

在一個(gè)延遲線型聲表面波器件中，為了使反射損耗最小，常設(shè)有多列聲反射柵。根據(jù)聲表面波傳播的特性，每個(gè)反射柵會(huì)反射換能器一側(cè)傳播過(guò)來(lái)的聲表面波。基于反射柵前后位置的不同和相互之間的空間位移差，不同反射柵反射的聲表面波信號(hào)之間有時(shí)間差，通過(guò)對(duì)該時(shí)間差的分析可以得到最后的目標(biāo)參數(shù)。

當(dāng)反射柵個(gè)數(shù)較多時(shí)，該聲表面波器件可以用來(lái)當(dāng)標(biāo)簽(ID-tags)傳感器使用[4]，聲表面波器件上的反射柵組(標(biāo)簽)可以看作是類似條形碼的編碼裝置。相對(duì)簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)是類似BPSK的編碼，即每個(gè)反射柵有2個(gè)狀態(tài)，其有無(wú)分別代表1和0；較為復(fù)雜的反射柵設(shè)置可以是實(shí)現(xiàn)類似4PSK的編碼，即每個(gè)反射柵有4個(gè)狀態(tài)， 由4個(gè)不同相位(-90°，0°,90°和180°)決定。

當(dāng)反射柵個(gè)數(shù)較少時(shí)，聲表面波器件常用來(lái)作測(cè)量傳感器。在延遲線型聲表面波傳感器中，2個(gè)反射柵反射聲表面波的時(shí)間差為τ2-1，當(dāng)被測(cè)參數(shù)改變?chǔ)時(shí)，該時(shí)間差改變?chǔ)う?-1；在諧振型聲表面波傳感器中，聲表面波在2個(gè)反射柵中的諧振頻率是f0，當(dāng)被測(cè)參數(shù)改變?chǔ)時(shí)，該頻率改變?chǔ)。

2.2 射頻信號(hào)收發(fā)模塊

射頻信號(hào)收發(fā)模塊分為接收機(jī)、發(fā)射機(jī)兩部分。隨著無(wú)線電技術(shù)的發(fā)展，接收機(jī)和發(fā)射機(jī)通常為一個(gè)系統(tǒng)，由一個(gè)天線收發(fā)開(kāi)關(guān)隔開(kāi)，其結(jié)構(gòu)如圖3所示。

發(fā)射機(jī)用來(lái)發(fā)射特定頻率的脈沖問(wèn)詢信號(hào)、常用的問(wèn)詢信號(hào)類型有脈沖信號(hào)，脈沖壓縮信號(hào)等[4]。問(wèn)詢信號(hào)的頻率可分為固定頻率和可調(diào)頻率。固定頻率常由晶振產(chǎn)生，可調(diào)頻率可由FPGA/DSP控制的頻率產(chǎn)生器實(shí)現(xiàn)，常見(jiàn)的有鎖相環(huán)(PLL)，頻率直接數(shù)字合成器(DDS)等。相對(duì)于晶振產(chǎn)生的固定頻率，采用可調(diào)頻率方法可以增強(qiáng)發(fā)射機(jī)的兼容性，也方便整個(gè)系統(tǒng)的調(diào)試和檢測(cè)。

脈沖問(wèn)詢信號(hào)持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)短與接收機(jī)的采樣方式有關(guān)[17]，時(shí)域采樣(TDS)的脈沖時(shí)間較短，頻域采樣(FDS)的脈沖時(shí)間較長(zhǎng)。在實(shí)際問(wèn)詢信號(hào)發(fā)射過(guò)程中，對(duì)脈沖信號(hào)進(jìn)行相參積累(coherent integration)[18]可以提高射頻問(wèn)詢信號(hào)的傳輸距離。

接收機(jī)的結(jié)構(gòu)主要分為射頻電路和數(shù)字電路2個(gè)部分：前者主要包含一個(gè)外差式接收機(jī)，實(shí)現(xiàn)對(duì)回波信號(hào)的接收、濾波、放大和解調(diào)；后者對(duì)模擬信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，最后通過(guò)數(shù)字信號(hào)處理等技術(shù)完成對(duì)目標(biāo)參數(shù)的提取。

接收機(jī)的信號(hào)處理主要是對(duì)的延遲時(shí)間差Δτ2-1測(cè)量，對(duì)Δτ2-1的測(cè)量可以等效到對(duì)Δφ2-1或Δf2-1的測(cè)量。測(cè)量這些參數(shù)通常有相位檢測(cè)或幅度檢測(cè)[19]等。

相位檢測(cè)的關(guān)鍵技術(shù)就是求解反三角函數(shù)arctan(Q(t)/I(t))，其中,Q(t)和I(t)兩路信號(hào)可由正交解調(diào)電路解調(diào)后得到。arctan(Q(t)/I(t))的解算由相關(guān)數(shù)字信號(hào)處理芯片與數(shù)學(xué)算法完成。王琦等人[20]分別在DSP和FPGA上用CORDIC算法進(jìn)行相位檢測(cè)，并分析了兩者的優(yōu)缺點(diǎn)，發(fā)現(xiàn)DSP擁有更高的數(shù)值精度和靈活性，而FPGA的優(yōu)勢(shì)是速度更快，消耗的硬件資源更少。除此之外，周美蘭等人[21]在FPGA上用定點(diǎn)小數(shù)除法來(lái)檢測(cè)相位，發(fā)現(xiàn)該算法能克服DSP串行處理信號(hào)速度慢、精度低的缺點(diǎn)。除了如FPGA和DSP等相關(guān)處理芯片外，李天利等人[22]采用專門的射頻信號(hào)處理芯片(ASIC)來(lái)檢測(cè)相位，降低了信號(hào)處理模塊的設(shè)計(jì)難度。

幅度檢測(cè)即對(duì)反射信號(hào)降頻后直接采樣，觀察一段時(shí)間內(nèi)信號(hào)的重復(fù)次數(shù)，從而得到信號(hào)頻率[23]。幅度檢測(cè)盡管有簡(jiǎn)單易操作等優(yōu)點(diǎn)，但相比于相位檢測(cè)有較大的局限性，其中最主要的就是容易受到外接環(huán)境的干擾。所以，目前接收機(jī)的實(shí)際信號(hào)處理過(guò)程通常采用相位測(cè)量的方法。

圖3 無(wú)線收發(fā)結(jié)構(gòu)Fig 3 Wireless transceiver architecture

信號(hào)傳輸處理的最終目的是得出被測(cè)量的參數(shù)。接收機(jī)產(chǎn)生的直接結(jié)果是信號(hào)頻率或相位的變化值。這需要處理單元最后完成相位變化到被測(cè)量參數(shù)的變化。該處理可以在硬件端或軟件端完成,在硬件端可以建立一個(gè)一對(duì)一的查表模塊完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換，在軟件端可以通過(guò)查詢數(shù)據(jù)庫(kù)等方式完成數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。

3 聲表面波傳感器的應(yīng)用

從功能上來(lái)看，聲表面波器件主要分為識(shí)別標(biāo)簽和測(cè)量傳感器。識(shí)別標(biāo)簽用來(lái)對(duì)身份(ID)進(jìn)行確認(rèn)和辨別，常見(jiàn)應(yīng)用有列車的定位與跟蹤[24]，設(shè)備器件的管理和維護(hù)[25]等。相對(duì)于識(shí)別標(biāo)簽，測(cè)量傳感器的應(yīng)用更為豐富和廣泛。目前，聲表面波傳感器已經(jīng)在如溫度、壓力[26]、扭矩[27]檢測(cè)等領(lǐng)域都有了廣泛的應(yīng)用。在傳統(tǒng)傳感器無(wú)法應(yīng)用的苛刻領(lǐng)域，聲表面波傳感器更有廣大的發(fā)展空間。

高溫環(huán)境是苛刻領(lǐng)域的一個(gè)典型代表，在高溫環(huán)境下測(cè)量是聲表面波傳感器的一個(gè)主要發(fā)展方向。常見(jiàn)耐高溫的壓電基片有最高工作溫度為580 ℃左右的AlPO4，最高工作溫度為933 ℃左右的GaPO4，最高工作溫度大于1 000 ℃的AlN,GaN[6]和最高工作溫度為1 470 ℃左右的La3Ga5SiO14等。目前，已研發(fā)了能在500℃條件下工作的壓力傳感器[28]和能在750 ℃條件下工作的氣體傳感器[29]等。

目前，國(guó)內(nèi)外相關(guān)人員也研發(fā)了能在其它苛刻領(lǐng)域工作的聲表面波傳感器,如電網(wǎng)避雷器等高電壓、大電流環(huán)境下，郭鳳儀等人研發(fā)了一種溫度傳感器[30]，該傳感器能在仿真雷電電流、殘壓的環(huán)境下工作。在易腐蝕環(huán)境下，童筱鈞等人研發(fā)了一種濕度傳感器[31]，該傳感器能分別在由1 %NaOH溶液提供的堿性氣體環(huán)境和由1 %HCl溶液提供的酸性氣體環(huán)境下工作。在如發(fā)動(dòng)機(jī)等高轉(zhuǎn)速的環(huán)境下，Binder A等人研發(fā)了一種溫度傳感器[32]，該傳感器能在轉(zhuǎn)速為15 500 r/min的條件下工作。

現(xiàn)階段，聲表面波傳感器的發(fā)展還出現(xiàn)了傳感器組網(wǎng)和多目標(biāo)測(cè)量的趨勢(shì)。傳感器組網(wǎng)是指針對(duì)一個(gè)無(wú)線收發(fā)系統(tǒng)，其對(duì)應(yīng)的傳感器有許多個(gè)。這些器件可以分布在被測(cè)量環(huán)境的不同位置，完善對(duì)整個(gè)環(huán)境的測(cè)量。節(jié)點(diǎn)化需要對(duì)每個(gè)傳感器件進(jìn)行標(biāo)識(shí)和鑒別，其方法一般有2種，一種是對(duì)不同的傳感器采用不同中心頻率的問(wèn)詢信號(hào)，接收機(jī)可針對(duì)回波的不同中心頻率而判斷出該信號(hào)所對(duì)應(yīng)的某個(gè)傳感器，Canabal A等人研發(fā)的傳感器[33]能在175～215 MHz的頻率區(qū)間內(nèi)測(cè)量6個(gè)不同的目標(biāo)。另一種方法是在器件上增加標(biāo)簽?zāi)K，用來(lái)標(biāo)識(shí)不同的傳感器，Lee Keekeun等人研發(fā)的傳感器[34]能夠測(cè)量28個(gè)不同目標(biāo)。Binder A等人研發(fā)的傳感器[35]能夠同時(shí)測(cè)量溫度和壓力，溫度測(cè)量范圍為20～200 ℃，壓力測(cè)量范圍為0～5 bar。

4 結(jié) 論

聲表面波無(wú)線無(wú)源傳感器在傳感器領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用和發(fā)展前景，整個(gè)傳感器系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)需要多學(xué)科技術(shù)的交叉應(yīng)用，材料技術(shù)、薄膜技術(shù)和微電子工藝的發(fā)展促進(jìn)了器件性能的提高和應(yīng)用的多樣化。優(yōu)化天線設(shè)計(jì)、射頻電路設(shè)計(jì)和信號(hào)處理算法可以提高無(wú)線收發(fā)模塊的整體效能。在未來(lái)發(fā)展方向上，一方面是要提高無(wú)線傳輸距離，增強(qiáng)傳感器在更惡劣環(huán)境下的適應(yīng)力；另一方面，在一個(gè)器件上集成能測(cè)量多種目標(biāo)類型的傳感器。

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Research progress of wireless passive surface acoustic wave sensor*

YE Tao, JIN Hao, DONG Shu-rong, WANG De-miao

(Department of Information Science & Electronics Engineering,Zhejiang University,Hangzhou 310027,China)

Surface acoustic wave(SAW)sensor is a kind of wireless passive sensor,which has advantages of passive sensing and suitable for harsh environments that common sensors cannot realize.Structure characteristics and principle of SAW device are reviewed,and key technologies such as RF signal transceiver and signal processing are mainly focused on,as well as related research stutus in recent years home and abroad is reviewed and summary and prospect are carried out.

surface acoustic wave(SAW)sensor; wireless transceiver; signal processing

10.13873/J.1000—9787(2014)12—0001—04

2014—03—10

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61204124)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目

TN 98

A

1000—9787(2014)12—0001—04

葉 韜(1990-)，男，浙江紹興人，碩士研究生，主要研究方向?yàn)闊o(wú)線無(wú)源聲表面波傳感器。