CN103066945B - 用于气体传感器的saw谐振型振荡器系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于气体传感器的SAW谐振型振荡器系统，包括SAW振荡器和混频电路；所述的SAW振荡器为两组，且该两组采用铝/金电极的具有单一谐振模式和高Q值的两端对SAW谐振器制作在同一压电基片上；所述的SAW振荡器包括：SAW谐振器、运算放大器、匹配网络和移相网络；所述的SAW谐振器的输出端通过匹配网络直接接到运算放大器的输入端；所述的运算放大器的输出端接到移相网络；所述的移相网络的输出端通过匹配网络接入SAW谐振器的输入端，从而使运算放大器的输出信号反馈回SAW谐振器；所述的两组SAW振荡器的输出端接入混频器，该混频器的输出经过一个低通滤波器过滤高频信号的干扰后，再通过低频放大器放大后输出两组振荡器的差频信号。

Description

用于气体传感器的SAW谐振型振荡器系统

技术领域

本发明涉及一种振荡器，特别是涉及一种用于气体传感器的谐振型声表面波（SAW）振荡器系统。

背景技术

通常对于高性能SAW气体传感器而言，其核心构件是具有高频率稳定度的振荡器。现有技术中一般采用两种器件结构，一种是采用延迟线型，这种器件结构能提供换能器之间足够的敏感膜镀膜区域，但它Q值较低、损耗高，从而影响到了振荡器的频率稳定性的进一步改善；另外一种则是由两个反射器及与之相邻的两个叉指换能器（IDT）构成的两端对SAW谐振器（以下均称为SAW谐振器）结构，这种器件结构具有设计简单、低损耗和高Q值的特点，从而有利于获得理想的频率稳定性能。因而，这种振荡器更适合于气体传感器的使用。

但是，现有气体传感器技术中所采用的谐振式振荡器一般采用同步型两端对SAW谐振器（S.J.Martin,K.S.Schaeizer,S.S.Schuartz,Vapor Sensing by means of aEro-on-Si SAW Resonator,IEEE Ultrasonic Symp.Proc,1984,pp207-212；Tomislav M.，Marija F.Zoran ，Detection of Chemical Vapors UsingOscillator with Surface Acoustic Wave Sensor，FME Transactions（2011）39,87-92；G.Fischerauer,F.Dickert,P.Forth,U.Knaueir，Chemical Sensors Based on SAWResonators Working at up to 1GHz，Proc.IEEE Ultrason.Symp.,1996,439-442；谢晓，王文，刘明华，何世堂，“一种用于SAW气体传感器的两端对谐振器型振荡器”，声学技术，第29卷第4期，2010，457-459）。由于气体传感器中需要提供有较大面积的镀膜区域，需要谐振器具有较宽的谐振腔，这就使得谐振器频响出现多模式特点，且每个模式间损耗接近，这就有可能在多个频率点满足振荡条件，从而影响到了振荡器的频率稳定性；此外，现有技术中的谐振器多采用铝电极结构，在某些有毒气体检测环境中易于受到腐蚀等，从而影响到振荡器的稳定性与使用寿命。为改善这种待测气体环境中的腐蚀问题，部分文献提出采用金电极的谐振器结构（Avramov I D,Voigt A,Rapp M.Rayleigh SAW resonators using gold electrode structure for gas sensorapplications in chemically reactive environments.Electronics Letters;2005;41（7）:450-452.），但是这种金电极一则增加了器件的制作成本，另外，金材料的高密度特点使其膜厚对器件的影响非常明显，这就增加了器件的制作工艺难度。

发明内容

本发明的目的在于：克服上述传统的谐振型SAW气体传感器中所存在的不足，从而提供一种具有低损耗、单一谐振模式、良好的温度特性以及理想的使用寿命的应用于SAW气体传感器的谐振器型SAW振荡器系统；以使该SAW振荡器系统使用元件量少、电路简单、功耗低以及操作方便，并且具有优良的频率稳定度。

为实现上述发明目的，本申请提出了一种用于气体传感器的SAW谐振型振荡器系统，其特征在于：所述的SAW谐振型振荡器系统包括SAW振荡器和混频电路；所述的SAW振荡器为两组，且该两组两端对SAW谐振器1制作在同一压电基片12上；所述的混频电路包括混频器5、低频放大器6和低通滤波器4；

所述的SAW振荡器包括：SAW谐振器1、运算放大器3、匹配网络19和移相网络2；

所述的SAW谐振器1的输出端N2通过匹配网络19直接接到运算放大器3的输入端；所述的运算放大器3的输出端接到移相网络2，所述的移相网络2，用于对运算放大器3的输出信号进行起振点相位调节，以使起振点对应于SAW谐振器1的最小损耗处；所述的移相网络2的输出端通过匹配网络19接入SAW谐振器1的输入端N1，从而使运算放大器3的输出信号反馈回SAW谐振器1；

所述的两组SAW振荡器的输出端接入混频器5，该混频器5的输出经过一个低通滤波器4过滤高频信号的干扰后，再通过低频放大器6放大后输出两组振荡器的差频信号。

作为上述技术方案的一种选择，所述的匹配网络19包括分别串联设置在SAW谐振器1的输出端N2和输入端N1上的串联电感13，该串联电感13的另一端设有并联电感14接地。

实际使用中，所述的匹配网络19包括SAW谐振器1的输出端N2与运算放大器3的输入端K3之间的串联电感13和并联电感14；SAW谐振器1的输入端N1与移相网络2的输出端K1之间的串联电感13和并联电感14，通过该匹配网络19使得该SAW谐振器达到最佳匹配状态，进而实现最小增益和最有相位状态。

作为上述技术方案的又一种选择，所述的移相网络2包括：在移相网络的输入端K2和输出端K1之间的电路上串联一电容15和一可调电感18，所述的可调电感18的两端分别通过并联电容16、17接地。通过调节可调电感19，可以灵活的改变起振点相位，使起振点相位对应于谐振器的最低损耗对应频点处，使振荡器在该频点起振以提高振荡器的频率稳定度。

作为上述技术方案的一种选择，所述的运算放大器噪声系数NF约为3.50，最大增益G约为20。

作为上述技术方案的一种改进，所述的SAW谐振器1包括左右分布的第一叉指换能器8与第二叉指换能器10，该两个叉指换能器之间还设有一金属膜9作为气体传感器敏感膜的载体；所述的第一叉指换能器8与第二叉指换能器10的外侧分别设有与之相邻的第一短路栅反射器7和第二短路栅反射器11。

作为上述技术方案的再一种改进，所述的SAW谐振器1中的第一叉指换能器8、第二叉指换能器10、第一反射器7、第二反射器11以及两叉指换能器之间的金属膜9均采用厚铝薄金的双层电极结构，其中，铝的厚度为1%～1.3%λ，λ为声波波长，金的厚度为0.15%～0.25%λ。所述的金属膜9面积为2~4mm2。

作为上述技术方案的另一种改进，所述的第一短路栅反射器7和第一叉指换能器8之间的边缘间距为0.75λ；所述的第二短路栅反射器11和第二叉指换能器10之间的边缘间距为0.5λ；所述的第一叉指换能器8、第二叉指换能器10与金属膜9之间的边缘间距均为3λ～10λ。

作为上述技术方案的另一种改进，所述金属膜9的宽度为N×λ+0.3λ，N为大于10的整数。

作为上述技术方案的一种改进，所述的第一叉指换能器8、第二叉指换能器10、第一短路栅反射器7和第二短路栅反射器11的电极均为1/4λ。

作为上述技术方案的一种改进，所述的压电基片12为旋转42.75°Y切割，X方向传播石英。

本发明的优点在于，本发明涉及一种用于气体传感器的SAW谐振型振荡器系统，包括两组由两端对SAW谐振器、运算放大器、移相网络组成的SAW振荡器和一组由混频器、低频放大器以及低通滤波器组成的混频电路；一组SAW谐振器、放大器和移相网络组成一组振荡器，两组振荡器的输出接入混频器，混频器的输出经过低通滤波器、低频放大器后输出两组振荡器的差频信号。两组谐振器制作在同一基片上；SAW延迟线采用厚铝薄金的双层电极结构以改善传感器的稳定性以及使用寿命，同时通过调整换能器与反射器边缘间距以及换能器与中间金属膜之间的边缘间距来获得谐振器的单一谐振模式以及高Q值，使得SAW振荡器工作在单一模式状态，大大提高了振荡器的频率稳定度，达到0.08ppm。

附图说明

图1是本发明的用于气体传感器的SAW谐振型振荡器的结构示意图；

图2是本发明的两端对SAW谐振器的结构示意图；

图3是本发明的两端对SAW谐振器的匹配网络示意图；

图4是本发明的移相网络与放大器电路示意图；

图5（a）是本发明所采用的铝/金电极的两端对SAW谐振器的典型的频率响应曲线图；

图5（b）是本发明所采用的铝/金电极的两端对SAW谐振器的典型的相位响应曲线图；

图6是本发明实施例的SAW谐振型振荡器的中期频率稳定性的典型曲线。

附图标示：

1.SAW谐振器          2.移相网络              3.运算放大器

4.低通滤波器         5.混频器                6.低频放大器

7.第一短路栅反射器   8.第一叉指换能器        9.金属膜

10.第二叉指换能器    11.第二短路栅反射器     12.压电基片

13.串联匹配电感L1    14.并联匹配电感L3       15.串联电容C3

16.并联电容C1        17.并联电容C2           18.可调电感L5

19.匹配网络

N1.SAW谐振器的输入端     N2.SAW谐振器的输出端

N3.金属膜的接地点

K1.移相网络的输出端      K2.移相网络的输入端

K3.运算放大器的输入端    K4.运算放大器的输出端

K5.运算放大器的电源端    K6.运算放大器的接地点

具体实施方式

为了更全面的理解本发明，并为了解本发明另外的目的和优点，现在可以结合相应附图参阅下述本发明的详细说明。

本发明提供的用于气体传感器的谐振型SAW振荡器系统，包括：两组由SAW谐振器1、移相网络2和运算放大器3组成的SAW振荡器，以及由一混频器5、低通滤波器4和低频放大器6组成的混频电路，具体结构如图1所示。在该系统中对于每一组SAW振荡器，SAW谐振器作为振荡器的反馈元件。

所述的两组SAW谐振器1制作在同一压电基片12上，以最大程度的消除外围环境的影响。

参考图1，制作一个应用于气体传感器的SAW谐振型振荡器系统，如图1所示，该振荡器系统由两组SAW谐振型振荡器以及一组常规混频器5、一个常规低频放大器6以及通用低通滤波器4组成，每一组SAW振荡器则由一组两端对SAW谐振器1、运算放大器3和移相网络2构成。SAW谐振器1作为整个振荡器的反馈元件。两组谐振器制作在同一ST石英基片上。由图1中可以看出本发明方案的应用于气体传感器的SAW振荡器的工作流程。对于每一组振荡器，SAW谐振器1的输出端N2通过匹配网络19与运算放大器3的输入端K3相连，运算放大器3的输出端K4与移相网络2的输入端K3相连，然后通过移相网络2与匹配网络19反馈回SAW谐振器1的输入端N1。通过移相网络2来调节振荡器起振点相位，使起振点对应于SAW谐振器1最小损耗对应频点处，以改善振荡器的频率稳定性。运算放大器3必须满足SAW振荡器的增益要求，也就是说运算放大器的增益必须能补偿SAW谐振器1的插入损耗以及相关电路损耗，这样就实现了这一组振荡器的工作。两路振荡器的输出接至混频器5，混频后通过一个低通滤波器4，滤掉高频信号的干扰后再通过一个低频放大器6进行放大输出而得到最终所需要的两路振荡器的差频信号。

参见附图2，该图表示出根据本实施例的SAW谐振器1结构，该SAW谐振器1由第一换能器8和第二换能器10及与之相邻的第一短路栅反射器7和第二短路栅反射器11以及上述两个换能器之间的用于气体传感器敏感膜载体的金属膜9（面积在2～4mm²）组成。所述的SAW谐振器1是采用铝/金电极，其中，铝/金金属膜9面积一般在2～4mm²，优选为3mm²左右。

这种SAW谐振器与常规同步型谐振器所不同之处在于两点，一是换能器与反射器之间的边缘间距，另外一个是谐振器的电极材料。首先，第一换能器8和第二换能器10分别为41λ，第一短路栅反射器9和第二短路栅11分别为150λ。第一短路栅反射器9与第一换能器8之间的边缘间距l1为0.75λ（不同于常规同步型两端对SAW谐振器（Waldemar S,“Design of SAW gynchronous resonators on ST sut quartz”,IEEE Trans.Ultrason.Ferroelect.Freq.Cont.,Vol.46,No.5,1999,pp:1324-26）），第二短路栅反射器9和第二换能器10之间的边缘间距l5为0.5λ。第一换能器8与金属膜9之间的边缘间隔l2为10λ，第二换能器10与金属膜9之间的边缘间距l4也为10λ，金属膜9的长度l3为125.3λ。SAW谐振器1的声孔径为200λ。此外，SAW谐振器1的电极均采用厚铝薄金的双层材料，其中铝膜为1%～1.3%λ，在铝膜之上淀积0.15%～0.25%λ的金膜。上述结构通过调整反射器与换能器的间距以实现谐振器的单一谐振模式，获得了SAW谐振器的单一谐振模式，低损耗（～5dB）与较高的品质因子（Q值为～2000），这就有利于振荡器的频率稳定性的改善。此外，铝/金电极模式有利于最大程度的消除待测气体环境对电极的腐蚀，以改善传感器的稳定性及使用寿命。且在比较厚（1%～1.3%λ）的铝膜表面覆盖一层较薄（一般为0.15%～0.25%λ）的金膜，以更好的适用于气体传感器应用。

本发明实施例的SAW谐振器1采用ST石英压电基片，两组SAW谐振器1做在一块ST石英基片12上，采用该基片材料保证了振荡器良好的温度特性。N1和N2分别表示SAW谐振器的输入端和输出端，N3为金属膜9的接地点。

图3为该SAW谐振器的匹配网络19。该匹配网络19由SAW谐振器的输入端N1与移相网络2的输出端K1电路中串联电感13，和并联电感14；SAW谐振器的输出端N2与运算放大器3的输入端K3电路中串联电感13，和并联电感14。通过该匹配网络使得该SAW谐振器达到最佳匹配状态，进而实现最小增益和最优相位状态。

图4示出了根据本发明方案的移相网络2和运算放大器3电路图。该电路包括一个移相网络2和一个运算放大器3。由图1可见，运算放大器3的输入端通过匹配网络19与SAW谐振器的输出端N2相连，运算放大器3的输出端K4与移相网络2的输入端K2相连，而移相网络的输出端K1通过匹配网络19与SAW谐振器1的输入端N1相连，使得运算放大器3的输出端反馈回SAW谐振器1的输入端N1。由于SAW谐振器的低损耗，因此可以使用低增益的运算放大器，进而提高SAW振荡器的频率稳定度，降低功耗，简化电路。

如图4中所标虚框3的部分所示，如图4本发明所采用的运算放大器3是一款超高速电流反馈型放大器，包括输入端K3，输出端K4，电源端K5和接地端K6，具有较低的噪声系数，其增益约G为20。另外，对于SAW振荡器而言，一般采用相控方式，采用移相网络控制起振点相位。运算放大器3必须满足增益要求，即放大器的增益必须能够补偿SAW谐振器的插入损耗以及电路损耗，同时为了保证振荡器具有良好的频率稳定度，运算放大器应该具有较低的噪声系数（用NF表示）。该运算放大器噪声系数NF约为3.50，最大增益G约为20。

参考图4中所标虚框2的部分，如图4中所述的移相网络2由并联电容16，17和串联电容15以及串联可调电感18组成。网络所使用元件简单。采用可调电感18可以灵活的获得超前或者滞后的移相，根据SAW谐振器的匹配后状态控制起振点相位，降低外围环境对于振荡器系统相位的影响特别是SAW谐振器的相位的影响，以保证振荡器在SAW谐振器的最低损耗对应频率点稳定起振。总之，通过调节可调电感18，可以灵活的改变起振点相位，使起振点相位对应于谐振器的最低损耗对应频点处，使振荡器在该频点起振以提高振荡器的频率稳定度。

图5（a）和（b）分别示出了从网络分析仪中观测到的本发明实施例中的SAW谐振器1的典型幅频和相位响应，从图中可以看出本发明实施例的谐振器具有单一的谐振峰，且具有低损耗（～5dB）与高Q值（～2000）的特点。

图6示出了利用频率计观测得到的本发明实施例中的SAW振荡器的典型中期频率稳定度，从图中可以看出，常温条件下，针对设计工作频率为300MHz的SAW谐振型振荡器的中期频率稳定度约为0.08ppm，即频率漂移在26Hz/小时。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种用于气体传感器的SAW谐振型振荡器系统，其特征在于：所述的SAW谐振型振荡器系统包括SAW振荡器和混频电路；所述的SAW振荡器为两组，且该两组两端对SAW谐振器(1)制作在同一压电基片(12)上；所述的混频电路包括混频器(5)、低频放大器(6)和低通滤波器(4)；

所述的SAW振荡器包括：SAW谐振器(1)、运算放大器(3)、匹配网络(19)和移相网络(2)；

所述的SAW谐振器(1)的输出端(N2)通过匹配网络(19)直接接到运算放大器(3)的输入端；所述的运算放大器(3)的输出端接到移相网络(2)，所述的移相网络(2)，用于对运算放大器(3)的输出信号进行起振点相位调节，以使起振点对应于SAW谐振器(1)的最小损耗处；所述的移相网络(2)的输出端通过匹配网络(19)接入SAW谐振器(1)的输入端(N1)，从而使运算放大器(3)的输出信号反馈回SAW谐振器(1)；

所述的两组SAW振荡器的输出端接入混频器(5)，该混频器(5)的输出经过一个低通滤波器(4)过滤高频信号的干扰后，再通过低频放大器(6)放大后输出两组振荡器的差频信号；

所述的SAW谐振器(1)包括左右分布的第一叉指换能器(8)与第二叉指换能器(10)，该两个叉指换能器之间还设有一金属膜(9)作为气体传感器敏感膜的载体；所述的第一叉指换能器(8)与第二叉指换能器(10)的外侧分别设有与之相邻的第一短路栅反射器(7)和第二短路栅反射器(11)；

所述的SAW谐振器(1)中的第一叉指换能器(8)、第二叉指换能器(10)、第一反射器(7)、第二反射器(11)以及金属膜(9)均采用厚铝薄金的双层电极结构，其中，铝的厚度为1％～1.3％λ，金的厚度为0.15％～0.25％λ，λ为声波波长；

所述的金属膜(9)面积为2～4mm²。

2.根据权利要求1所述的用于气体传感器的SAW谐振型振荡器系统，其特征在于：所述的匹配网络(19)包括分别串联设置在SAW谐振器(1)的输出端(N2)和输入端(N1)上的串联电感(13)，该串联电感(13)的另一端设有并联电感(14)接地。

3.根据权利要求1或2所述的用于气体传感器的SAW谐振型振荡器系统，其特征在于：所述的移相网络(2)包括：在移相网络的输入端K2和输出端K1之间的电路上串联一电容(15)和一可调电感(18)，所述的可调电感(18)的两端分别通过并联电容(16、17)接地。

4.根据权利要求1所述的用于气体传感器的SAW谐振型振荡器系统，其特征在于：所述的运算放大器噪声系数NF约为3.50，最大增益G约为20。

5.根据权利要求1所述的用于气体传感器的SAW谐振型振荡器系统，其特征在于：所述的第一短路栅反射器(7)和第一叉指换能器(8)之间的边缘间距为0.75λ；所述的第二短路栅反射器(11)和第二叉指换能器(10)之间的边缘间距为0.5λ；所述的第一叉指换能器(8)、第二叉指换能器(10)与金属膜(9)之间的边缘间距均为3λ～10λ。

6.根据权利要求1所述的用于气体传感器的SAW谐振型振荡器系统，其特征在于：所述的金属膜(9)的宽度为N×λ+0.3λ，N为大于10的整数。

7.根据权利要求1或5所述的用于气体传感器的SAW谐振型振荡器系统，其特征在于：所述的第一叉指换能器(8)和第二叉指换能器(10)均采用由1/4λ电极宽度的双向换能器结构。

8.根据权利要求1所述的用于气体传感器的SAW谐振型振荡器系统，其特征在于：所述的压电基片(12)为旋转42.75°Y切割，X方向传播石英。