CN1677853A - 用于气体传感器的声表面波振荡器系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于气体传感器的声表面波振荡器系统，包括两组由声表面波延迟线、射频放大器、移相网络组成的声表面波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；一组声表面波延迟线、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。两组延迟线制作在同一基片上；声表面波延迟线采用单相单向换能器(SPUDT)结构，降低了插入损耗；两换能器长度差距较大，长换能器的长度等于两换能器之间的中心距离，且采用梳状结构，梳齿之间距离等于短换能器长度以抑制多余振荡模式，使得声表面波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0.07ppm)。

Description

用于气体传感器的声表面波振荡器系统

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声表面波(“SAW”)振荡器系统。

背景技术

众所周知，对气体传感器而言核心构件是高频高稳定度的振荡器。通常在实际应用中这样的高稳定性振荡器大致有两种，一种是晶体振荡器，但是研究表明，传感器的灵敏度与振荡频率的平方近于成正比，而晶体振荡器的振荡频率一般不大于30MHz，因此，晶体振荡器不能适用于更高灵敏度要求的气体传感器。另外一种是声表面波振荡器，这种振荡器具有较高的频率稳定度，工作频率上这种SAW器件比晶体振荡器高了两个数量级，因此采用这种声表面波振荡器的气体传感器也就具有获得更大的灵敏度的能力。这种声表面波振荡器一般有两种类型，一种是采用双端谐振器型声表面波振荡器，它的频率稳定度很高，而且这种谐振器型的气体传感器具有很高的灵敏度，分辨率通常可以达到10^-12到10^-15。但是一般情况下所提供气体传感器所需要的敏感膜的载体面积很小，另外这种谐振器型振荡器制作相当复杂，而且容易受到电路相位状态的影响而造成传感器的不稳定性，因此这种振荡器一般不适合于气体传感器。另外一种是采用声表面波延迟线型的声表面波振荡器，它能够提供足够面积的气体传感器敏感膜所需要的载体，同时也具有很高的频率稳定度，不容易受到外围电路相位的影响，因此这种振荡器更适合于气体传感器的使用。

现有技术的应用于气体传感器的延迟线型声表面波振荡器系统一般采用常规的双延迟线型振荡器结构，通常所采用的延迟线结构并没有单一频率振荡工作模式控制，并且延迟线的损耗相当大。在现有技术当中，一般延迟线采用两个相同长度的换能器，其长度均在50到100个波长范围之内，插入损耗在20到60个dB之间，因此必须采用高增益的放大器对延迟线的损耗进行补偿。1979年Wohltijen最先提出这种采用延迟线结构的声表面波传感器(H.Wohltjen andR.E.Dessy，“Surface acoustic wave probe for chemical analysis，PartsI-III”，Analytical Chem.，vol.5，no.9，pp.1458-1475，1979)，在他的34MHz声表面波延迟线的设计当中，所采用的基片是ST石英，延迟线采用两个相同的换能器，其周期数为8，声孔径为26.5倍波长，两换能器之间距离为460倍波长，延迟线的损耗超过60dB。1986至1987年Wohltijen等又提出了三种应用于气体传感器的声表面波振荡器(David S.Ballantine，Susan L.Rose，Jay W.Grateand H.Wohltjen，“Correlation of Surface Acoustic Wave Device CoatingResponses with Solubility Properties and Chemical Structure Using PatternRecognition”，Anal.Chem.，vol.58，no.14，December，pp.3058-3066，1986H.Wohltjen，W.Snow，R.Barger and David S.Ballantine，“Trace ChemicalVapor Detecion Using SAW Delay Line Oscillators”，1987 IEEEUFFC，vol.UFFC-34，no.2，MARCH，pp.172-178)。分别采用31MHz，52MHz，和112MHzSAW延迟线。三种延迟线均采用相同换能器指对数(为50指对)，声孔径为80倍波长，指宽和指间间距均为1/4波长，换能器间距分别为264倍、166倍和350倍波长，基片为ST石英，这三种延迟线损耗均大于20dB。1988年Jay W.Grate和Arthur Snow等人提出一种158MHz的应用于气体传感器的延迟线型振荡器(Jay W.Grate，Arthur Snow，David S.Ballantine，H.Wohltjen，“Determination of Partition Coefficients from Surface Acoustic WaveVapor Sensor Responses and Correlation with Gas-Liquid CheomatographicPartition Coefficients”，Anal.Chem.，vol.60，no9，Mayl，pp.869-875，1988)，输入换能器长度为75指对，输出换能器为100指对，换能器间距为10个波长，声孔径为70个波长，采用基片为ST石英。另外有一些采用铌酸锂基片的延迟线结构。如刘国锋等设计的一种气体传感器(刘国锋，陈明，”新型声表面波气体传感器”，航空计测技术，第15卷，第三期，pp.5-8，1995)采用铌酸锂基片的延迟线中心频率为60MHz，每个IDT为30指对，2个IDT之间距离为60倍波长。国外也有一些采用YZ铌酸锂作为基片的振荡器型声表面波气体传感器(袁小平，“国外声表面波传感器开发近况”，压电与声光，第17卷，第4期，pp.6-10，1995 Roh，Y.R.；Kim，H.B.；Lee，Y.J.；Cho，H.M.；Chung，J.S.；Baik，S.，“Development of SAW gas sensor for monitoringSO_X gas”，Ultrasonics Symposium，1995.Proceedings.，1995 IEEE，Volume：1，7-10 Nov.1995 Pages：473-476 vol.1)。以上应用于气体传感器的声表面波振荡器均存在以下一些不足：

1.声表面波延迟线本身不能解决声表面波振荡器的模式控制问题，只能依靠外部电路来加以解决，这样必然会使电路复杂，加大了系统的功耗，影响传感器系统的结构紧凑性和温度稳定性。

2.已有的声表面波气体传感器所采用的以石英为基片的延迟线，通常是采用常规的单指或者双指结构，造成损耗过高(通常大于20dB)；因此振荡电路就要求采用高增益的射频放大器来补偿器件以及电路中元件损耗。采用高增益的放大器将提高整个系统的功耗，并将直接影响到振荡器的短期频率稳定度，从而将影响到气体传感器的稳定性和灵敏度。

3.另外对于采用铌酸锂基片的延迟线结构，由于这种基片具有优越的机电耦合系数，因此以这种材料为基片的延迟线可以获得较低的插入损耗。但是这种基片温度稳定性很差，将产生严重的温度漂移，影响声表面波振荡器的频率稳定度，进而影响到气体传感器的灵敏度。而且通常在采用这种基片的声表面波气体传感器应用中必须具有恒温以及湿度控制装置，这样很明显地增加了电子线路的负担，不符合气体传感器的小型化、便携式的要求。

发明内容

本发明的目的在于：克服上述传统的声表面波气体传感器中所存在的不足；从而提供一种具有低插入损耗，单一模式控制，良好的温度特性的应用于声表面波气体传感器的声表面波延迟线型振荡器系统；以及该声表面波振荡器系统使用元件量少，电路简单，功耗低，操作方便并且具有优良的频率稳定度。

本发明的目的是这样实现的：

本发明提供的用于气体传感器的声表面波振荡器系统，包括：两组由声表面波延迟线1、移相网络2和射频放大器3组成的声表面波振荡器，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，其中每一声表面波延迟线1的输出直接接入移相网络2来调节振荡器的起振点相位，使得起振点相位对应于声表面波延迟线1的最低损耗处，然后移相网络2的输出连接射频放大器3的输入端，而射频放大器3的输出又反馈至声表面波延迟线1的输入端，其中射频放大器3的增益必须满足声表面波振荡器的起振条件，也就是说射频放大器3的增益必须能够补偿声表面波延迟线1的损耗以及相关电路损耗。这样就完成了一组声表面波振荡器的工作；两路振荡器的输出接到混频器5后再经过一低通滤波器4滤除高频信号的干扰，然后经过低频放大器6放大输出得到最终所需要的两路振荡器的差频信号；其结构如图1所示。在该系统中对于每一组声表面波振荡器，声表面波延迟线作为振荡器的反馈元件。

所述的两组声表面波延迟线1沿声表面波传播方向设置在同一基片10上，以最大程度的消除外围环境的影响。所述的声表面波延迟线1采用单相单向换能器结构，其中任一单相换能器辐射声波的正向指向另一个单相单向换能器；所述的声表面波延迟线1的叉指换能器7和8的叉指电极宽度为八分之一波长，而反射电极22和22’宽度为四分之一波长；延迟线长叉指换能器7中的反射电极22位于叉指电极对的左边，而延迟线短叉指换能器8中的反射电极22’位于叉指电极对的右边。

在上述技术方案中，所述的声表面波延迟线1是采用金电极的单相单向换能器(用SPUDT表示)和单模控制结构，如图2所示，其中声表面波延迟线1由一长叉指换能器7和一短叉指换能器8，并且两换能器之间的距离等于长叉指换能器的长度，两换能器之间还设有一层金膜9作为气体传感器敏感膜的载体；其中金膜面积一般在3-5mm²，优选为4mm²左右。其中长叉指换能器7采用梳状结构，并且梳齿之间的间隔与延迟线短叉指换能器8长度相等。该声表面波延迟线1的金电极的单相单向结构，与一般常用的铝电极的单相单向结构不一样，因为金电极的反射系数的相位与铝电极的正好相反，另外金电极远比铝电极耐腐蚀，因此更适合于气体传感器的应用。

在上述技术方案中，还包括一声表面波延迟线的匹配网络，如图3所示，该匹配网络由声表面波延迟线的输入N1与网络分析仪输入M1电路中串联电感11，和并联电感12；声表面波延迟线的输出N2与网络分析仪输出M2电路中串联电感13，和并联电感14，M1与M2分别与网络分析仪输入与输出相连组成。通过该匹配网络使得该声表面波延迟线达到最佳匹配状态，进而实现最小增益和最优相位状态。

在上述技术方案中，所述的移相网络2包括：电容18，20和21以及可调电感19组成，参考图5中所标2的部分，其中，移相网络2的输入端K1连接声表面波延迟线的输出端，移相网络2的输出端K2连接射频放大器3的输入端。移相网络2的输入端K1与K2之间先并联一电容18再串联一可调电感19，然后并联一电容20后再串联一电容21。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延迟线的最低损耗处，以提高振荡器的频率稳定度。

在上述技术方案中，所述的射频放大器3包括输入端K3和输出端K4以及两个接地端K5和K6，射频放大器3的输入端K4与移相网络2的输出端K2连接，如图5中所标3的部分所示，而射频放大器的输出端K4直接反馈至声表面波延迟线1的输入口N1。射频放大器3必须满足增益要求，即放大器的增益必须能够补偿声表面波延迟线以及电路损耗，同时为了保证振荡器具有良好的频率稳定度，射频放大器应该具有较低的噪声系数(用NF表示)。该射频放大器具有低噪声系数NF约为3.50，和低增益G为16的特点。

本发明的优点在于：本发明中声表面波延迟线由于使用了采用金电极的单相单向换能器和单模控制结构，降低了器件插入损耗，同时使得振荡器工作在单一频率，解决已有技术存在的问题。另外本发明采用一具有可调电感的移相网络来调节起振点相位，使振荡器的起振点对应于延迟线的最低损耗处，这样就提高了声表面波振荡器的频率稳定度。本发明还加入了声表面波延迟线的匹配网络，通过该匹配网络使得该声表面波延迟线达到最佳匹配状态，进而实现最小增益和最优相位状态。由于声表面波延迟线的损耗低，因此本发明中所采用的射频放大器具有低增益和低噪声系数的特点，降低了系统的功耗，提高了声表面波振荡器的频率稳定度。在本发明中声表面波振荡器的频率稳定度能达到0.07ppm。

附图说明

图1是本发明的应用于气体传感器的声表面波振荡器系统的结构示意图；

图2是本发明方案的声表面波延迟线的结构示意图

图3是本发明方案的声表面波延迟线的匹配网络示意图；

图4是展示一常规SPUDT型的SAW延迟线的一平面略图；

图5是本发明方案的移相网络与放大器电路图；

图6是本发明所采用的声表面波延迟线(如图2所示的SAW延迟线)的典型的幅频响应曲线图；

图7是本发明所采用的声表面波延迟线(如图2所示的SAW延迟线)的典型的相位响应曲线图；

图面说明如下：

1.声表面波延迟线  2.移相网络  3.射频放大器

4.低通滤波器      5.混频器    6.低频放大器

7.声表面波延迟线长叉指换能器  8.声表面波延迟线短叉指换能器

9.金膜            10.基片     11.串联匹配电感L1

12.并联匹配电感L3                13.串联匹配电感L2  14.并联匹配电感L4

15.常规SPUDT结构的声表面波延迟线 16.基片

17.常规SPUDT结构的延迟线的输入端叉指换能器

18.移相网络并联电容C1            19.移相网络串联可调电感L5

20.移相网络并联电容C2            21.移相网络串联电容C3

22.金反射电极                    23.铝反射电极

24.常规SPUDT结构的延迟线的输出端叉指换能器

25.匹配网络                      N1.表示声表面波延迟线的输入

N2.表示声表面波延迟线的输出      N3.表示金膜接地点

K1.网络分析仪输入                M2.网络分析仪输出

K1.移相网络的输入                K2.移相网络的输出

K3.射频放大器的输入              K4.射频放大器的输出

K5.射频放大器的接地              K6.射频放大器的接地

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。

参考图1，制作一应用于气体传感器的声表面波振荡器系统，由图1可以看出该振荡器系统由两组声表面波振荡器以及一组常规混频器5、一常规低频放大器6以及通用低通滤波器4组成，而每一组声表面波振荡器则由一组声表面波延迟线1、常规射频放大器3、移相网络2和构成。延迟线1作为整个振荡器的反馈元件。两组延迟线制作在同一基片上。由图1中可以看出本发明方案的应用于气体传感器的声表面波振荡器的工作流程。对于每一组振荡器，延迟线1的输出N2接入移相网络2的输入端K1，通过移相网络来调节振荡器起振点相位，使起振点对应于声表面波延迟线1最小损耗处，然后移相网络2的输出K2接入射频放大器3的输入端K3，而射频放大器3的输出K4又反馈至声表面波延迟线1的输入端N1，其中射频放大器3必须满足声表面波振荡器的增益要求，也就是说射频放大器的增益必须能补偿声表面波延迟线的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，该图示出根据本实施例的声表面波延迟线1结构，该声表面波延迟线1采用单相单向换能器(SPUDT)结构(根据需要可以采用反射栅加权，以改善幅频和相频响应)和单模梳状换能器结构。其中长叉指换能器7是采用四组电极结构，每一组电极均由20对电极和60对假指构成。短叉指换能器8采用80对电极。电极为金。22和22’为反射电极。声孔径为100倍波长。换能器7和8之间距离为150倍波长，两个换能器几何中心距离等于换能器1的长度这样以保证振荡器的单一模式控制，另外也提供了足够长的声路径长度，保证了延迟线的高Q(品质因子)值，从而改善了声表面波振荡器的短期频率稳定性。这种SPUDT结构和单模结构保证了延迟线的低损耗，最低能达到8个dB，并能保证声表面波振荡器工作在单一模式下的声表面波延迟线。

所述的叉指换能器采用SPUDT结构；在长叉指换能器7与短叉指换能器8之间设有一块金膜9，金膜9是用于气体传感器的敏感膜载体，面积在3-5mm²。所述的长叉指换能器7为梳状换能器结构，并且梳齿之间的间隔与延迟线短叉指换能器8的长度相等，同时长叉指换能器7与短叉指换能器8中心之间的距离等于长叉指换能器7的长度；

本发明实施例的声表面波延迟线1的延迟线采用ST石英，两组声表面波延迟线1做在一块ST石英基片10上，采用该基片保证了振荡器良好的温度特性。N1和N2分别表示声表面波延迟线的输入端和输出端，N3为金膜接地点。这种声表面波延迟线与常规延迟线(参见图4)不同之处在于：常规SPUDT结构的声表面波延迟线采用铝电极结构，而本发明方案中的声表面波延迟线是采用金电极结构，金电极的反射系数相位与铝电极的正好相反，因而造成两种结构的完全不同，图2中延迟线长叉指换能器7的反射电极22位于叉指对左边，短叉指换能器8的反射电极22’位于叉指对右边，而图4中输入端叉指换能器17的反射电极23位置在叉指对右边，输出端叉指换能器24的反射电极23’在叉指对左边。另外本发明方案采用金电极的一个重要原因是由于金的耐腐蚀性远优于铝电极，更适合于气体传感器的应用。

图3为该声表面波延迟线的匹配网络。该匹配网络由声表面波延迟线的输入端N1与网络分析仪输入端M1电路中串联电感11，和并联电感12；声表面波延迟线的输出端N2与网络分析仪输出端M2电路中串联电感13，和并联电感14，M1与M2分别与网络分析仪输入与输出相连组成。通过该匹配网络使得该声表面波延迟线达到最佳匹配状态，进而实现最小增益和最优相位状态。

参见图4，为普通的具有SPUDT结构的以铝为电极的声表面波延迟线15，由两个等长的具有单相单向结构的叉指换能器17和24以及基片16组成。从图中可以看出，反射电极的位置与本发明中的采用金作电极的声表面波延迟线正好相反，这是由于金的反射系数相位与铝的正好相反，这种SPUDT结构因为采用铝为电极，容易受到所测气体的腐蚀而不适合于气体传感器的应用。

图5示出了根据本发明方案的移相网络2和射频放大器3电路图。该电路包括一个移相网络2和一个射频放大器3。由图1可见，移相网络2的输出端K2接入射频放大器3的输入端K3，而射频放大器3的输出K4反馈至SAW延迟线1的输入端。而SAW延迟线1的输出N2接至移相网络的输入端K1。由于采用了低损耗的声表面波延迟线结构，因此可以使用低增益的放大器，进而提高声表面波振荡器的频率稳定度，降低功耗，简化电路。如图5本发明所采用的射频放大器3，包括输入端K3和输出端K4以及接地端K5和K6，具有较低的噪声系数(NF约为3.50)，增益较低(G为16)。另外，对于声表面波振荡器而言，一般采用相控方式，采用移相网络控制起振点相位。如图5中所述的移相网络2由并联电容18，20和串联电容21以及串联可调电感19组成。网络所使用元件简单。采用可调电感19可以灵活的获得超前或者滞后的移相，根据声表面波延迟线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声表面波延迟线的相位的影响，以保证振荡器在声表面波延迟线的中心频率处稳定起振。根据本发明方案，声表面波振荡器实验所测得频率稳定度达0.07ppm。

图6与图7分别示出了从网络分析仪中观察到的SAW延迟线1的典型幅频响应(插入损耗约9dB)和相位响应，从图6和图7中可以看出，通带内相位随着频率线性变化，通过调整移相网络使得振荡频率在中心频率附近，当相位变化2π时，频率落在幅频响应通带外，插入损耗增加10dB以上，不满足幅度起振条件，无法起振。另外从图6和图7中可以看出在通带内只有一个模式起振，实现了声表面波振荡器的单模式工作。

Claims (7)

1.一种用于气体传感器的声表面波振荡器系统，包括由声表面波延迟线(1)、射频放大器(3)、移相网络(2)组成的声表面波振荡器，和一组由混频器(5)、低频放大器(6)以及低通滤波器(4)组成的混频电路；其特征在于：所述的声表面波振荡器为两组，两组延迟线(1)制作在同一基片(10)上，声表面波延迟线(1)的输出直接接到移相网络(2)进行起振点相位调节，使起振点对应于声表面波延迟线(1)的最小损耗处，然后将移相网络(2)的输出接入射频放大器(3)，经过放大后射频放大器(3)的输出直接反馈到声表面波延迟线(1)的输入端；两组声表面波振荡器的输出接入混频器(5)，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，通过低频放大器(6)后输出两组振荡器的差频信号。

2.根据权利要求1所述的用于气体传感器的声表面波振荡器系统，其特征在于：还包括一匹配网络(25)，该匹配网络(25)由声表面波延迟线(1)的输入(N1)与网络分析仪输入(M1)电路中串联电感(11)，和并联电感(12)；声表面波延迟线(1)的输出(N2)与网络分析仪输出(M2)电路中串联电感(13)，和并联电感(14)，(M1)与(M2)分别与网络分析仪输入与输出相连组成。

3.根据权利要求1或2所述的用于气体传感器的声表面波振荡器系统，其特征在于：所述的声表面波延迟线(1)是具有单相单向结构同时还具有单模控制结构的以金为电极的声表面波延迟线。

4.根据权利要求1或2所述的用于气体传感器的声表面波振荡器系统，其特征在于：所述的声表面波延迟线(1)包括：一基片(10)，在基片(10)上沿声波传播方向上设置两个长短不一的长叉指换能器(7)和一短叉指换能器(8)，以及设置一长叉指换能器(7)的反射电极(22)，和设置一短叉指换能器(8)的反射电极(22)，所述的叉指换能器采用SPUDT结构；在长叉指换能器(7)与短叉指换能器(8)之间设有一块金膜(9)；所述的长叉指换能器(7)为梳状换能器结构，并且梳齿之间的间隔与延迟线短叉指换能器(8)的长度相等，同时长叉指换能器(7)与短叉指换能器(8)中心之间的距离等于长叉指换能器(7)的长度；其中长叉指换能器(7)中的反射电极(22)位于叉指换能器叉指对的左边，而短叉指换能器(8)中的反射电极(22)位于叉指换能器叉指对的右边。

5.根据权利要求4所述的用于气体传感器的声表面波振荡器系统，其特征在于：所述的金膜(9)面积在3-5mm²。

6.根据权利要求1或2所述的用于气体传感器的声表面波振荡器系统，其特征在于：所述的基片(10)为旋转42.75°Y切割，X方向传播石英基片。

7.根据权利要求1或2所述的用于气体传感器的声表面波振荡器系统，其特征在于：所述的移相网络(2)包括：在移相网络的输入端(K1)和输出端(K2)之间电路上并联一电容(18)，和串联一可调电感(19)，以及并联一电容(20)，串联一电容(21)。

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