CN103398773A - 抵抗同频干扰的声表面波传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种抵抗同频干扰的声表面波传感器，其创新点在于：包括压电基底和多个声表面波谐振器；所述多个声表面波谐振器并联且相互平行地设在压电基底上；所述多个声表面波谐振器的谐振频率各不相同，且多个声表面波谐振器之间的频率差控制在1KHz～1000KHz的范围内；所述多个声表面波谐振器为3个或3个以上。本发明不仅结构简单、紧凑，而且能够提高抗干扰能力。

Description

抵抗同频干扰的声表面波传感器

技术领域

本发明具体涉及一种抵抗同频干扰的声表面波传感器。

背景技术

现有的无线传感器技术在对移动物体的检测、以及在危险环境，如高温，高电磁辐射等场景中的测量应用中具有很大的应用前景。基于SAW的传感器是完全无源的（无电池），在许多应用中具有高可靠性。与无线的回波读写器配合，这些无源传感器的无线信息传输范围有可能达到5米的距离。

      由于声表面波（SAW）传感器的回波信号通常较弱，也难以采用无线通信中惯用的调制方式，因此，当周边存在干扰源且该干扰源的频率正好落在SAW传感器工作区间的谐振频率范围内，传统的检测方式就无法正确地判断出哪个频率点的信号是属于SAW传感器的回波信号。人们也尝试在进行检测之前首先对背景噪声的频谱进行记录，然后再将检测到的信号频谱与背景噪声的频谱进行比照以筛选出属于SAW传感器的回波频点，但在某些情况下，背景噪声的频谱是随时间而变化的，因而这种比照频谱的方式在这种情况下完全失效。

传统的SAW传感器使用一个谐振器，通过检测该谐振器的谐振频率来获得所感知的物理量变化信息，由于SAW谐振器的回波是未经调制的信号，因此当周边存在同频率的干扰源时读写器就无法正确地识别出SAW传感器的回波信号，这给SAW传感器的应用带来了很大的限制。

现有的人们在同一基底上实现两个特性相异的SAW谐振器，这两个谐振器的谐振频率之差会随着外界物理量（如温度、压力等）的变化而变化，这一变化关系是明确和确定的，通过这种方式所实现的所谓差分式的SAW传感器可以消除因工艺一致性或器件老化引起的谐振频率偏移的问题，但同样地，它在有外部同频干扰源时也是无法正常工作的。

发明内容

本发明的目的是：提供一种不仅结构简单、紧凑，而且能够提高抗干扰能力的抵抗同频干扰的声表面波传感器，它利用多个声表面波谐振器在谐振频率上的相关性，来提高声表面波传感器的抗干扰能力；在实际情况中可根据需要选择不同数量的谐振器，谐振器数量越多，抗干扰能力越强。以克服现有技术的不足。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是：一种抵抗同频干扰的声表面波传感器，其创新点在于：

a、包括压电基底和多个声表面波谐振器；

b、所述多个声表面波谐振器并联且相互平行地设在压电基底上；

c、所述多个声表面波谐振器的谐振频率各不相同，且多个声表面波谐振器之间的频率差控制在1KHz～1000KHz的范围内；

d、所述多个声表面波谐振器为3个或3个以上。

在上述技术方案中，还包括互相密封连接的壳体和壳盖，所述压电基底和多个声表面波谐振器均设在壳体内。

在上述技术方案中，所述压电基底是压电晶片，且压电晶片是石英，或者是铌酸锂，或者是钽酸锂。

在上述技术方案中，所述压电基底包括压电薄膜和衬底，且压电薄膜设在衬底的上表面，而多个声表面波谐振器设在压电薄膜上。

在上述技术方案中，所述压电基底是压电陶瓷，且压电陶瓷是锆钛酸铅，或者是钛酸钡，或者是钛酸铅。

在上述技术方案中，所述压电薄膜是氧化锌或者是氮化铝，所述衬底是石英或者是金刚石。

在上述技术方案中，所述壳体和壳盖分别是金属壳体和金属壳盖，或者分别是陶瓷壳体和金属壳盖。

在上述技术方案中，所述多个声表面波谐振器之间的频率差可以相同，或者是不同。

在上述技术方案中，所述压电薄膜的厚度控制在1000-10000埃范围内。

本发明所具有的积极效果是：由于采用了上述的传感器结构后，使用时，将读写器通过天线与本发明无线通信，并将本发明放置在被测量的位置；本发明将3个或3个以上声表面波谐振器相互平行地设在压电基底上，读写器所采集到的信号频谱中包括多个声表面波谐振器的谐振频率和外部干扰频率，可对此信号频谱进行分析，能够正确区分出谐振器的回波信号，即使有外部同频干扰源时也是能够正常工作的。本发明不仅结构简单、紧凑，而且能够提高抗干扰能力。

附图说明

图1是本发明第一种具体实施方式的结构示意图；

图2是图1的俯视图；

图3是本发明第二种具体实施方式的结构示意图；

图4是本发明第三种具体实施方式的结构示意图；

图5是本发明第四种具体实施方式的结构示意图；

图6是本发明第一种具体实施方式的使用状态图，其中，7是读写器。

具体实施方式

以下结合附图以及给出的实施例，对本发明作进一步的说明，但并不局限于此。

实施例1

如图1、2所示，一种抵抗同频干扰的声表面波传感器，包括压电基底1和多个声表面波谐振器2；所述多个声表面波谐振器2并联且相互平行地设在压电基底1上；所述多个声表面波谐振器2的谐振频率各不相同，且多个声表面波谐振器2之间的频率差控制在1KHz～1000KHz的范围内；所述多个声表面波谐振器2为3个或3个以上。

本发明所述压电基底1是压电晶片，且压电晶片是石英，或者是铌酸锂，或者是钽酸锂。当然，并不局限于此，所述压电基底1也可以是压电陶瓷，且压电陶瓷是锆钛酸铅，或者是钛酸钡，或者是钛酸铅。

本发明所述多个声表面波谐振器2之间的频率差可以相同，或者是不同。多个声表面波谐振器2之间的频率差若过小，则检测精度达不到，若过大，则会占用频带资源太多，造成频率资源浪费。

当外部条件（如温度、压力等）发生变化时，本发明的声表面波谐振器2之间的频率之差是不变的，不会受到外部条件变化而发生改变。

实施例2

如图3所示，与实施例1的不同之处在于：所述压电基底1包括压电薄膜5和衬底6，且压电薄膜5设在衬底6的上表面，而多个声表面波谐振器2设在压电薄膜5上。所述压电薄膜5是氧化锌或者是氮化铝，所述衬底6是石英或者是金刚石。实施例2的其它结构与实施例1相同。而多个声表面波谐振器2通过压电薄膜5和衬底6的共同作用，以获得某种声表面波传播特性。

本发明所述压电薄膜5的厚度控制在1000-10000埃范围内。其中，1埃=0.0000001mm。当然，所述压电薄膜5的厚度并不局限于此，可根据指标要求来设计压电薄膜的膜厚。

实施例3

如图4所示，与实施例1的不同之处在于：还包括互相密封连接的壳体3和壳盖4，所述压电基底1和多个声表面波谐振器2均设在壳体3内，且压电基底1设在壳体3内的底部。实施例3的其它结构与实施例1相同。

所述壳体3和壳盖4分别是金属壳体和金属壳盖，或者分别是陶瓷壳体和金属壳盖。所述壳体3和壳盖4可有效对声表面波谐振器2进行保护，确保声表面波谐振器2工作的稳定性和灵敏性，防止污染。

实施例4 

如图5所示，与实施例1的不同之处在于：还包括互相密封连接的壳体3和壳盖4，所述压电基底1包括压电薄膜5和衬底6，且压电薄膜5设在衬底6的上表面，而多个声表面波谐振器2设在压电薄膜5上，所述压电薄膜5、衬底6和多个声表面波谐振器2均设在壳体3内，且衬底6设在壳体3内的底部。

所述壳体3和壳盖4分别是金属壳体和金属壳盖，或者分别是陶瓷壳体和金属壳盖。所述压电薄膜5是氧化锌或者是氮化铝，所述衬底6是石英或者是金刚石。而多个声表面波谐振器2通过压电薄膜5和衬底6的共同作用，以获得某种声表面波传播特性。所述壳体3和壳盖4可有效对声表面波谐振器2进行保护，确保声表面波谐振器2工作的稳定性和灵敏性，防止污染。

如图6所示，本发明使用时，与读写器7通过天线无线通信，本发明被放置在被测量的位置，而读写器7以产生特定频率范围的电磁波以激励传感器中的声表面波谐振器2，接收声表面波谐振器2的回波并对该回波的频率进行解析和分析。

如图6所示，读写器7可以有两种方式来激励本发明的声表面波传感器并检测其回波信号。

第一种方式是采用单频点扫频，即在声表面波传感器测量量程所对应的频段内，从一端到另一端按照一定的频率步长每次发出一个频点的激励电磁波信号并接收和检测回波信号，正常情况下，当读写器完成了一轮扫频动作后，它所接收到的信号频谱中应该包含了与传感器中的声表面波谐振器数量相同的频率点和数量不等的干扰源，由于属于声表面波谐振器的回波在频率上是相关的，即它们之间有着固定的频率差，因此我们很容易把它们与干扰信号区分出来。传感器中所包含的谐振器数量越多，其抗干扰能力则越强。 

第二种方式是采用多频点扫频，即在声表面波传感器测量量程所对应的频段内，从一端到另一端按照一定的频率步长每次发出由多个频点合成的激励电磁波信号并接收和检测回波信号。所合成的多个频点的信号，其频点数量和频点之间的关系并没有约束，但一种较为有效的方式是将此合成信号的频点的数量以及各频点之间的频率差异与声表面波传感器中谐振器的数量及各谐振器谐振频率的差异对应起来，这样我们有可能在同一时刻同时获得传感器中所有声表面波谐振器的回波信号，而不需要将整个工作频段都进行一轮扫频。另一个好处是，与第一种方式（即单频点扫频）相比，读写器不需要将扫频过程中不同时刻所检测到的信号频谱进行叠加，大大降低了由于频谱叠加而引起的干扰信号的伪相关性，从而提高了抗干扰能力。

以下对本发明的抗同频干扰机理进行说明：假定同个压电基底1上的声表面波谐振器2的谐振频率为fi（i = 1～n），外部噪声频率为fnoise，各个声表面波谐振器2之间的频率差为Δi（i = 1～n-1），频率差各不相同，即Δi≠Δj （i , j = 1～n,  i ≠ j）。

假定在声表面波谐振器的工作范围内，声表面波谐振器的谐振频率fi的变化范围从Fstart 到Fend，同时在这一频率区间存在一个干扰源，

当声表面波谐振器数量为1时，读写器所采集到的信号频谱中有fnoise和f1 两个点，其中：

Fstart  ≤ fnoise  ≤ Fend

Fstart  ≤ f1  ≤ Fend

因此，读写器无法将f1与fnoise区分出来。

当声表面波谐振器的数量为2时，读写器所采集到的信号频谱中有fnoise、f1和f2 三个点，其中：

Fstart  ≤ fnoise  ≤ Fend

Fstart  ≤ f1  ≤ Fend

Fstart  ≤ f2  ≤ Fend

f2 - f1 = Δ1

当fnoise  与f1  或f2  之差也等于Δ1 时，读写器无法区分出噪声信号与谐振器的回波信号。

当声表面波谐振器的数量为3时，读写器所采集到的信号频谱中有fnoise、f1、f2和f3 四个点，其中：

Fstart  ≤ fnoise  ≤ Fend

Fstart  ≤ f1  ≤ Fend

Fstart  ≤ f2  ≤ Fend

Fstart  ≤ f3  ≤ Fend

f3 - f2 = Δ2 （1）

f2 - f1 = Δ1 （2）

Δ2 ≠Δ1 （3）

无论fnoise  如何变化，读写器根据上述（1）、（2）、（3）三式的关系都能够正确区分出声表面波谐振器的回波信号。

如果在上述Fstart ～ Fend 的频段内存在两个干扰源，只有当这两个干扰源的频率之差正好等于Δ1或Δ2时，读写器才有可能出现误判，但这种情况在实际应用中出现的概率较低。假定工作频段的带宽为1MHz，读写器的频率分辨率为1KHz，我们可以简单地计算出出现误判的概率为0.2%。

将声表面波谐振器的数量增加到4个，则可以大大降低多干扰源情况下的误判概率，基于同样的假设和计算，我们可以估算出误判的概率小于十万分之一，且当干扰源的个数增加时其误判的概率仅呈线性增加。

由于增加声表面波谐振器的数量对制造成本的影响很小，因此我们可以很方便地在压电基底上实现4个、5个甚至更多的声表面波谐振器，以获得更强的抗同频干扰能力。本发明可根据实际情况和技术要求，选择声表面波谐振器的个数，而声表面波谐振器的个数为3个或3个以上。

本发明不仅结构简单、紧凑，而且能够提高抗干扰能力。

Claims (9)

1.一种抵抗同频干扰的声表面波传感器，其特征在于：

a、包括压电基底（1）和多个声表面波谐振器（2）；

b、所述多个声表面波谐振器（2）并联且相互平行地设在压电基底（1）上；

c、所述多个声表面波谐振器（2）的谐振频率各不相同，且多个声表面波谐振器（2）之间的频率差控制在1KHz～1000KHz的范围内；

d、所述多个声表面波谐振器（2）为3个或3个以上。

2.根据权利要求1所述的抵抗同频干扰的声表面波传感器，其特征在于：还包括互相密封连接的壳体（3）和壳盖（4），所述压电基底（1）和多个声表面波谐振器（2）均设在壳体（3）内。

3.根据权利要求1或2所述的抵抗同频干扰的声表面波传感器，其特征在于：所述压电基底（1）是压电晶片，且压电晶片是石英，或者是铌酸锂，或者是钽酸锂。

4.根据权利要求1或2所述的抵抗同频干扰的声表面波传感器，其特征在于：所述压电基底（1）包括压电薄膜（5）和衬底（6），且压电薄膜（5）设在衬底（6）的上表面，而多个声表面波谐振器（2）设在压电薄膜（5）上。

5.根据权利要求1或2所述的抵抗同频干扰的声表面波传感器，其特征在于：所述压电基底（1）是压电陶瓷，且压电陶瓷是锆钛酸铅，或者是钛酸钡，或者是钛酸铅。

6.根据权利要求4所述的抵抗同频干扰的声表面波传感器，其特征在于：所述压电薄膜（5）是氧化锌或者是氮化铝，所述衬底（6）是石英或者是金刚石。

7.根据权利要求2所述的抵抗同频干扰的声表面波传感器，其特征在于：所述壳体（3）和壳盖（4）分别是金属壳体和金属壳盖，或者分别是陶瓷壳体和金属壳盖。

8.根据权利要求1所述的抵抗同频干扰的声表面波传感器，其特征在于：所述多个声表面波谐振器（2）之间的频率差可以相同，或者是不同。

9.根据权利要求4所述的抵抗同频干扰的声表面波传感器，其特征在于：所述压电薄膜（5）的厚度控制在1000-10000埃范围内。

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