无源无线SAW传感器及其应用

一、前言 

传感器是把客观世界中包含的各种信息通过各种载体尽量多的转换出来，出于人类自身认识和思维的促限性等原因，人们习惯于接受和处理电磁信号携带的信息；因此，在以电磁信号为载体的信息社会迅速发展的今天，传感器的重要性就不言而喻，由于当前理论、设计、工艺等发展的局限性，人们在现有已建立信息系统的模型、信息载体的种类的基础上的信息敏感、信息传输和信息利用各个环节上不可避免的造成信息大量失真，在理论上已为人们所认识；如何解决这个问题呢？鉴于SAW技术自身的技术特点：工作频率高(GHz量级)、信息载体信号(电磁—机械运动)能量集中、运动的表面化(易于工艺处理)、微细线条加工工艺成熟等原因，使得SAW成为各类传感器当前研究的热门，近年在应用上取得突破性进展，成为当前信息敏感的标志性技术之一。 





图1：SAW器件原理 

SAW技术的发展起源于二十世纪六十年代初期，至今已有四、五十年的历史。其基础理论、应用设计、工艺技术、计算模型等方面的研究已非常充分，声表面波(SAW)是一种传播于基片界面的机械波，如图1所示，鉴于SAW技术特点，推动一类新型、功能强大的SAW信号处理中的实现，从而在二十世纪七十年代后期推动了国内外宽带扩频技术在各类电子系统中的广泛应用。但它具有不可回避的缺点。如：器件性能如器件工作频率、插入损耗、时间延迟、相位延迟等受温度、压力、湿度等外界物理因素影响较大；因此，作为信息传输用的信号处理器，随着当前信息传输特点和需求的迅速发展，技术弱点越来越凸显。然而，正是由于SAW技术的上述优点和不足。奠定了SAW技术在信息敏感领域的独特地位。 

、SAW器件性能易受外界各物理因素影响，对信号处理器来说，这是它是必需克服的弱点，而对于信息敏感器来说，这正是它作所必需的。因而，SAW器件的信号模拟处理特点为其成为信息敏感器奠定了物理基础。 

、SAW信号能量集中在基片的1～2波长范围内，其对外界量变的响应较其它信号更为敏感，因而，SAW信息敏感技术不但可以实现多种物理量(如温度T、压力P、湿度H等)的高精度敏感，还为化学、生物等微量物质的敏感奠定了技术基础。 

、SAW传播速度为103m/s量级(比电磁波慢5个数量级)，易于实现SAW传感器的微型化、阵列化。 

、当且与半导体技术融合时，奠定了SAW传感器的综合化、智能化、低成本大规模生产以及广泛应用的技术基础。 

基于上述SAW技术的自身特点以及当前信息敏感技术发展的需求，SAW传感器，包括SAW温度传感器，SAW压力传感器、SAW湿度传感器、SAW化学气体传感器、SAW液相传感器等，国际上早在二十世纪七十年代以后就有研究报告出现。近年来，随着环境保护及反恐的需要，SAW传感器再次宣起新的研究高潮，特别是SAW化学、生物传感器，更是受到各国高度重视，如美国电子传感器技术公司推出了用于环境监测的4100型手持式SAW气体传感器，于1998年通过美国EPA认证；美国微传感系统公司2002年推出了HAZMATCADTH型系列SAW化学战剂检测器；JCADSAW综合化学战剂传感器已于2000年后批量装备部队，美国国防部计划在5个财年内作为制式仪器装备美军270000部。国内SAW传感器发展始于二十世纪八十年代，对机载SAW压力传感器、SAW温度传感器、SAWCO化学气相传感器、SAW生物基因传感器等进行了初步研究。本文对SAW传感器的基本概念、结构、应用及发展中的问题作了一个概述。 

二、SAW传感器的基本工作原理 

外界物理量的变化将引起SAW器件输出信号幅度和频率（相位）的变化。 

1、SAW幅度影响

SAW在压电基片上传播，将有几种类型的与外界的相互作用，这些作用都将造成SAW能量的改变，它们包括：a、对SAW能量吸收千万的直接能量损耗；b、由于SAW传播偏离接收换能器而造成的间接能量损耗。在这两种情况下，SAW接收换能器所接收的SAW能量(相对应于SAW信号幅度)都要减小，其输出的RF信号电压幅度相应减小。 

2、SAW速度(频率)干扰 

涂覆单位面积质量，h或ρ的微小变化也将引起振荡器振荡频率的变化。由单位质量负载变化引起的频率变化幅度与工作频率f成平方关系，k1,k2是与材料有关的常量。 

3、SAW传感器的两种信号检测方式 

SAW传感器的两种信号检测方式：频率检测方式和相位检测方式如图2所示 

三、SAW传感器在无源标识器中的应用 

3、SAW无源标识器（IDT）及其应用。

SAW无源识别器还在汽车制造、物流、高压输电设备安全监控、道路自动收费(ETC)、门禁控制/电子门票、动物身份标识与跟踪、图书销售与管理、航空行李处理、邮件/快运包裹处理、生产制造和装配、食品生产与销售等等方面获得应用。可以说，SAW无源识别器将在现代信息网络中占据一席之地，将成为SAW技术应用的又一高潮。 

在RFID系统上的应用