无源无线SAW传感器及其应用

摘  要:声表面波(SAW)器件作为信号处理器在现代扩频技术中已获得广泛的应用，推动了信号保密、抗干扰技术在通信、雷达、电子对抗等军用电子系统中的应用。然而，随着信息技术的深入发展，作为模拟技术的SAW技术，在信号处理领域依然展示着其实时强大的信号处理能力，同时在信息敏感方面也展现出卓越的优势，如其灵敏度高、直接频率和相位输出、多参量综合信号转换能力、性能稳定、无源低功耗、工艺简单且与半导体工艺兼容易于实现片上集成等特点，在多种物理、化学、生物传感器系统获得应用，广受重视。近年来，随着SAW器件工作频率提高到GHz以上，使得集信息敏感与信号处理、信号传输于一体的单芯片SAW无源标识器(SAW IDT)技术在多种SAW传感器系统获得广泛的应用，成为当今SAW和传感器两个技术领域的一个新发展亮点。本文基于信息敏感的角度对SAW传感器的理论、设计、结构、系统研究方向、在无源标识器(IDT)应用军方面进行了探讨，对进一步发展以SAW综合信息敏感技术为基础的新的系统设计有一意义。

关键词: SAW传感器、无源标识器(IDT)、信息敏感

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，人们习贯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。

<1>、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。

<2>、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。

<3>、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。

<4>、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；JCAD SAW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、SAW CO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 

               
是涂覆单位面积质量，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。

<1>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，影响之巨大，无容多言，而目前各厂家开发的半导体型无线无源电子标签，其作用距离一般在1m以内，这极大地限制了RFID技术优势的充分发挥；除此之外，工作于915MHz以下的RFID IC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，开发新一代远距离、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恰恰具有无可比拟的技术优势，其原理如图3所示；可以预计，采用SAW技术实现的RFID将具有巨大的市场前景，具SAW行业专家估计，无源SAW RFID是SAW技术继在彩电、移动通信两次应用高峰后的又一高峰，其市场容量将远大于前两次应用。

<2>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。轮胎爆裂是交通事故的主要因素。西方主要汽车生产国已强令实施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实施实时监测，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需体积微小、工作稳定、工作时间长、无源抗电磁干扰，而这诸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优势，其原理如图4所示

<3>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、安全运行，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，特别是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。因而SAW无源识别器将成为该类重大工程大型设备系统安全运行的关键监测设备。

<4> SAW敏感技术在火车自动调度、安全运行监控系统中的应用 

SAW无源识别器构成的RFID --OFW ID 系统SOFIS已用于Munich S-Bahn火车自动调度系统中作无源电子标签，图6所示。

<5>火车安全运行监控系统

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，实施自动，实时监测与报警系统，以利于火车的长时、高速安全运行，图7所示。特别是我国目前状况，火车的高速化、信息化情况下更具有重大意义。

 

更为特别的是，SAW技术除上述的对外界信息的易感知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，从而使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传感器的发展

SAW传感器的发展，不单需要设计出高性能声表面波器件，而且声表面波器件的制作工艺的提高也起着关键的作用，这就需要亚微米电子工艺技术作保证；发展SAW信息敏感技术包括四个关键技术：<1>SAW信号处理转换技术；<2>化学/SAW敏感（膜）技术；<3>综合信号处理及检测技术；<4>系统技术。

1、SAW信号处理转换技术
敏感参数的选择； (2) SAW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
声表面波微声信息敏感器是以SAW模拟信号处理器为基础的传感器，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过程为，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。它是一个有具体实用环境的人机系统。因此，它的设计必须考虑如下因素：<1>面对一般干扰环境因素；<2>面对的恶意干扰环境因素；<3>人机界面接口；<4>参数的自我收敛性能；<5>内、外交流性能(各类信息、能量的交流)等等，这些因素如果在该系统设计之初能充分分析、融合进设计中，那么研制的产品才有生命力，才有实用价值。

五、结束语

SAW传感器技术是一门适合当前信息系统发展的技术，是SAW技术发展的又一个高潮，本文仅对当前SAW传感器概念、理论、结构、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、应用远未充分揭示，相信其在近期会有更大的发展，感谢老师、领导、同事、同学提供帮助。