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1、无源无线SAW传感器及其应用zhangting导语：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。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，人们习惯于承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开展的今天，传感器的重要性就不言而喻，由于当前理论、设计、工艺等开展的局限性，人们在现有已建立信息系统的模型、信息载体的种类的根底上的信息敏感、信息传输和信息利用各个环节上不可防止的造成信息大量失真，在理论上已为人们所认识；怎样解决这个问题呢？鉴于SAW技术
2、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、运动的外表化易于工艺处理、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，近年在应用上获得打破性进展，成为当前信息敏感的标志性技术之一。align=center图1：SAW器件原理/alignSAW技术的开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。其根底理论、应用设计、工艺技术、计算模型等方面的研究已非常充分，声外表波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，进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
3、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开展，技术弱点越来越凸显。然而，正是由于SAW技术的上述优点和缺乏。奠定了SAW技术在信息敏感领域的独特地位。1、SAW器件性能易受外界各物理因素影响，对信号处理器来讲，这是它是必须克制的弱点，而对于信息敏感器来讲，这正是它作所必须的。因此，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根底。2、SAW信号能量集中在基片的12波长范围内，其对外界量变的响应较其它信号更为敏感，因
4、此，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根底。3、SAW传播速度为103m/s量级比电磁波慢5个数目级，易于实现SAW传感器的微型化、阵列化。4、当且与半导体技术交融时，奠定了SAW传感器的综合化、智能化、低本钱大规模消费以及广泛应用的技术根底。基于上述SAW技术的自身特点以及当前信息敏感技术开展的需求，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
5、次宣起新的研究高潮，十分是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，美国国防部方案在5个财年内作为制式仪器装备美军270000部。国内SAW传感器开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展了初步研究。本文对SAW传感器的根本概念、构造、应用及开展中的问题作了一个
6、概述。二、SAW传感器的根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互相作用，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或者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
7、。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SAW无源识别器还在汽车制造、物流、高压输电设备平安监控、道路自动收费ETC、门禁控制/电子门票、动物身份标识与跟踪、图书销售与治理、航空行李处理、邮件/快运包裹处理、消费制造和装配、食品消费与销售等等方面获得应用。可以讲，SAW无源识别器将在当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DRFID，即射频无线标签，是取代目前商品流通领域内广泛使用的条型码的唯一技术，其应用范围之广，影响之宏大，无容多言，而目前各厂家开发
8、的半导体型无线无源电子标签，其作用间隔一般在1m以内，这极大地限制了RFID技术上风的充分发挥；除此之外，工作于915MHz以下的RFIDIC在有金属物体、液体、高温、强电磁干扰环境中时，其信息读取存在困难。因此，开发新一代远间隔、无源、抗干扰RFID是非常需要，而在这两个方面，SAW技术实现的RFID恰恰具有无可比较的技术上风，其原理如图3所示；可以预计，采用SAW技术实现的RFID将具有宏大的市场前景，具SAW行业专家估计，无源SAWRFID是SAW技术继在彩电、挪动通讯两次应用顶峰后的又一顶峰，其市场容量将远大于前两次应用。在智能轮胎上的应用轮胎是飞机、汽车、各类战车等交通工具的关键部件
9、。轮胎爆裂是交通事故的主要因素。西方主要汽车消费国已强令施行汽车轮胎的实时监测，实行所谓的智能轮胎；智能轮胎，实际上就是对运行中轮胎的温度、压力以及地面摩擦系数施行实时监测，这就需要相应的温度、压力、湿度、扭矩等传感器，鉴于轮胎的恶劣工作环境，置于轮胎中的传感器必须体积微小、工作稳定、工作时间长、无源抗电磁干扰，而这众多苛刻条件的要求正集中映射了SAW无源无线RFID的技术在智能轮胎中上应用的独特上风，其原理如图4所示在大型电机设备中的应用大型火力、水力、核力发电设备的发电机组的长期、稳定、平安运行，离不开现场对系统的温度、压力、剪切力等参数的实时监测，而这些设备又处于高温、高湿、强电磁干扰等
10、恶劣工作环境，实时读取、传输这些参数信息的技术目前首选SAW技术，十分是SAW无源识别器可集信息获取与传输于一体，且可工作于极高温1000、强电磁干扰等环境，图5所示。因此SAW无源识别器将成为该类重大工程大型设备系统平安运行的关键监测设备。SAW敏感技术在火车自动调度、平安运行监控系统中的应用SAW无源识别器构成的RFIDOFWID系统SOFIS已用于MunichS-Bahn火车自动调度系统中作无源电子标签，图6所示火车平安运行监控系统SAW无源识别器可构成火车轮轴温度、剪切力等参数的实时敏感器，同时实时把所监测的信息传回控制中心，施行自动，实时监测与报警系统，以利于火车的长时、高速平安运行
11、，图7所示。十分是我国目前状况，火车的高速化、信息化情况下更具有重大意义。align=center图4、5、6/align更为十分的是，SAW技术除上述的对外界信息的易感悟性和其信号的易检测性外，由于SAW器件在GHz范围内仍表现出非量子性而这种量子效应直接导致半导体电路的门限效应，即GHz范围的SAW信号的连续运动性，进而使SAW器件具有极低的门限以及大的动态线性，这极大地拓展了SAW技术在无源信息敏感方面的应用。四、SAW传感器的开展SAW传感器的开展，不单需要设计出高性能声外表波器件，而且声外表波器件的制作工艺的进步也起着关键的作用，这就需要亚微米电子工艺技术作保证；开展SAW信息敏感技
12、术包括四个关键技术：SAW信号处理转换技术；化学/SAW敏感膜技术；综合信号处理及检测技术；系统技术。1、SAW信号处理转换技术1敏感参数的选择；2SAW振荡器类型的选择；3声波种类的选择等2.化学敏感膜技术1选择性吸附膜的研制；2选择性吸附膜的制备工艺等3.综合信号处理技术声外表波微声信息敏感器是以SAW模拟信号处理器为根底的传感器，它对外界量、压力、温度、湿度、电压、负载等各类物理、化学、生物气相、液相量均要产生敏感即一个SAW敏感头所对外界量到电信号的转换经过为，而SAW传感器的最终目的是要以SAW敏感器中得到的电信号EP,T,H,V中分解出EP,ET,EH,EV，即解析出：EP,T,H
13、,V=gEP,ET,EH,EV，1解出相应的外界量的变化量P，T，H，V，。4系统设计应用技术研究SAW信息敏感器不是一个单独的信号处理的芯片。它是一个有详细实用环境的人机系统。因此，它的设计必须考虑如下因素：面对一般干扰环境因素；面对的恶意干扰环境因素；人机界面接口；参数的自己收敛性能；内、外沟通性能各类信息、能量的沟通等等，这些因素假如在该系统设计之初能充分分析、交融进设计中，那么研制的产品才有生命力，才有实用价值。五、完毕语SAW传感器技术是一门合适当前信息系统开展的技术，是SAW技术开展的又一个高潮，本文仅对当前SAW传感器概念、理论、构造、研究的方向及无源标识的应用做了一个挂一漏万的概述，其理论、设计、应用远未充分提醒，相信其在近期会有更大的开展。