无线无源声表面波传感器研究进展*

叶 韬， 金 浩， 董树荣， 王德苗

(浙江大学 信息与电子工程学系，浙江 杭州 310027)

综述与评论

无线无源声表面波传感器研究进展*

叶 韬， 金 浩， 董树荣， 王德苗

(浙江大学 信息与电子工程学系，浙江 杭州 310027)

声表面波(SAW)传感器是一种无线无源传感器，在无源传感、适应恶劣环境等许多方面具有普通传感器不能实现的优点。阐述了声表面波器件的原理和结构特点，并对射频信号收发、信息处理等关键技术进行详细论述，综述了近些年国内外的相关研究现状，并进行了总结与展望。

声表面波传感器； 无线收发； 信号处理

0 引 言

无线传感器可分为有源、无源两类。有源无线传感器常用外接电源或内置电池等方法为传感器供能；无源无线传感器的工作能量则来自对电磁波信号的接收储能。在原理方面，声表面波(SAW)传感器的传感信号变化直观、简单；在制作方面，声表面波传感器的工艺技术与半导体工艺兼容。因此，声表面波传感器在物理、化学、生物等测量领域中有极大的前景，也已经取得了广泛的应用。

声表面波无线无源传感器分为射频信号收发模块和声表面波器件两部分。射频信号收发模块完成问询信号的产生发射和对声表面波器件反射信号的接收处理过程。声表面波器件完成将问询信号转换为声波信号，再将声波信号转换为电磁波信号的过程。

1 声表面波传感器结构

1.1 基本组成

声表面波器件在物理结构上主要由叉指换能器(IDT)、基片和反射栅三部分组成。叉指换能器[1]用来完成电磁波和声波之间的互换；声波产生后沿压电基片表面传输；反射栅用来反射声表面波。叉指换能器和反射栅的结构比较简单，制备工艺相对成熟，常由金属气相沉积和光刻工艺制作而成。根据声波不同的传输过程，声表面波器件分为延迟线型和谐振型；压电基片的不同也会影响声波传播。声表面波器件多样化的发展主要体现在以上2个方面。

1.2 延迟线型

在延迟线型声表面波器件中[2]，叉指换能器将接收的电磁波信号转换为声表面波信号，该声波信号从叉指换能器一端向设有声表面波反射栅的另一端传播，经该反射栅反射后，声表面波回到叉指换能器端，最后由其转换回射频电磁波信号,其结构特点如图1所示。

1.3 谐振型

在谐振型声表面波器件中[3]，由叉指换能器转换的声表面波信号在由一对反射栅形成的谐振腔中谐振，其谐振次数和衰减时间与谐振腔的品质因数相关。在谐振过程中，声表面波通过安置在中间的叉指换能器转换回射频电磁波信号,结构特点如图2所示。

图1 延迟线型声表面波器件Fig 1 Delay-line type SAW devices

图2 谐振型声表面波器件Fig 2 Resonance type SAW devices

与延迟线型声表面波传感器相比，谐振型声表面波传感器具有较高的Q值，而且在同样的精度要求下，尺寸可以做得更小[4]。

1.4 压电基片

声表面波器件中有较多变化和选择的是其压电基片的材料和工艺实现。在一些测量目标下，压电基片的特性直接受到被测量参数的影响,如在声表面波温度传感器中，一般采用具有温度延迟系数(TCD)不为零的压电材料[5]，这些压电材料会因为温度的影响而改变声表面波的传输特性，从而达到测量目的。在温度测量方面常用的压电材料有温度延迟系数为84×10-6/K的LiNbO3[6,7](Y/X切向)和温度延迟系数为30×10-6/K的ZnO[8,9]等。在工艺实现上，声表面波器件的压电基片可以由一整块压电材料构成，如LiNbO3压电晶体；也可以在硬性衬底上附上压电薄膜层，如在硅衬底上附着ZnO薄膜层。直接采用压电晶体作为基片可以简化声表面波器件的设计制备，所以,目前普通的声表面波温度传感器主要采用LiNbO3作为压电材料；而采用薄膜层作为压电材料虽然使制备过程复杂化，但是扩大了声表面波传感器的应用范围，如更高的工作频率和更广泛的衬底材料选择[10]。压电薄膜层的制备可以通过金属有机化学气相沉积[11]或磁控溅射[12]等方法实现。对比普通的化学气相沉积方法，磁控溅射方法有着沉积速度快、膜层致密性好、压电性能好等优点。

除了被测参数直接影响压电基片外，在原本不敏感的压电基片上附上一层对被测量参数敏感的薄膜层，也可以间接影响压电基片，从而测量到被测参数。Huang Fuchun等人研发了一种用ZnO和Pt薄膜层作为敏感层的氢气传感器[13]，其制备方法是先在128°YX-LiNbO3衬底上附上一层ZnO薄膜，然后在ZnO薄膜上附上厚约2 nm的Pt层作为催化剂。该传感器在响应时间15 s内可以测到实际值的90 %，恢复时间为2～3 min，具有精度高，响应时间快等优点。Du Xiaosong等人研发了一种用聚甲基硅氧烷材料(PMPS)作为敏感层的甲基膦酸二甲酯(DMMP)传感器[14]，其制备方法是在压电衬底上附上200 μm的聚甲基硅氧烷薄膜层。该传感器的响应时间是30 s，精度是石英晶体微天平(QCM)传感器的300倍。周文等人研发了一种用聚苯胺—多壁碳纳米管薄膜层作为敏感层的NO2传感器[15]，其制备方法是在石英基片上用磁控溅射和光刻技术制作延迟线型器件，之后将溶有聚苯胺和多壁碳纳米管的三氯甲烷作为溶剂涂在器件表面制成敏感层，该传感器的响应时间和恢复时间分别为600，400 s左右。除此之外，金浩等人在柔性衬底上也实现了声表面波温度传感器的研究[16]，其制备方法是在聚酰亚胺柔性衬底上利用直流磁控溅射的方法沉积一层ZnO薄膜，该传感器能够在25～90 ℃的温度范围内测量温度，并且整个声表面波器件可以弯曲工作，以适应复杂的测量表面。

2 无线收发与信号处理

声表面波器件需要将问询信号有效接收，完成电磁波—声波转换，然后声波经由传输、反射再通过声波—电磁波转换后重新将电磁波辐射出去。经声表面波器件接收后重新反射回来的信号是个线性失真信号，通过对该线性失真信号的分析处理可以得出最后所需的参数，也即传感器的被测参数。当被测参数y0变化Δy时，声表面波器件上的声表面波信号的延迟时间τ或中心频率f也将产生变化。

2.1 识别标签和测量传感器

在一个延迟线型声表面波器件中，为了使反射损耗最小，常设有多列声反射栅。根据声表面波传播的特性，每个反射栅会反射换能器一侧传播过来的声表面波。基于反射栅前后位置的不同和相互之间的空间位移差，不同反射栅反射的声表面波信号之间有时间差，通过对该时间差的分析可以得到最后的目标参数。

当反射栅个数较多时，该声表面波器件可以用来当标签(ID-tags)传感器使用[4]，声表面波器件上的反射栅组(标签)可以看作是类似条形码的编码装置。相对简单的结构是类似BPSK的编码，即每个反射栅有2个状态，其有无分别代表1和0；较为复杂的反射栅设置可以是实现类似4PSK的编码，即每个反射栅有4个状态， 由4个不同相位(-90°，0°,90°和180°)决定。

当反射栅个数较少时，声表面波器件常用来作测量传感器。在延迟线型声表面波传感器中，2个反射栅反射声表面波的时间差为τ2-1，当被测参数改变Δy时，该时间差改变Δτ2-1；在谐振型声表面波传感器中，声表面波在2个反射栅中的谐振频率是f0，当被测参数改变Δy时，该频率改变Δf。

2.2 射频信号收发模块

射频信号收发模块分为接收机、发射机两部分。随着无线电技术的发展，接收机和发射机通常为一个系统，由一个天线收发开关隔开，其结构如图3所示。

发射机用来发射特定频率的脉冲问询信号、常用的问询信号类型有脉冲信号，脉冲压缩信号等[4]。问询信号的频率可分为固定频率和可调频率。固定频率常由晶振产生，可调频率可由FPGA/DSP控制的频率产生器实现，常见的有锁相环(PLL)，频率直接数字合成器(DDS)等。相对于晶振产生的固定频率，采用可调频率方法可以增强发射机的兼容性，也方便整个系统的调试和检测。

脉冲问询信号持续时间长短与接收机的采样方式有关[17]，时域采样(TDS)的脉冲时间较短，频域采样(FDS)的脉冲时间较长。在实际问询信号发射过程中，对脉冲信号进行相参积累(coherent integration)[18]可以提高射频问询信号的传输距离。

接收机的结构主要分为射频电路和数字电路2个部分：前者主要包含一个外差式接收机，实现对回波信号的接收、滤波、放大和解调；后者对模拟信号进行A/D转换，最后通过数字信号处理等技术完成对目标参数的提取。

接收机的信号处理主要是对的延迟时间差Δτ2-1测量，对Δτ2-1的测量可以等效到对Δφ2-1或Δf2-1的测量。测量这些参数通常有相位检测或幅度检测[19]等。

相位检测的关键技术就是求解反三角函数arctan(Q(t)/I(t))，其中,Q(t)和I(t)两路信号可由正交解调电路解调后得到。arctan(Q(t)/I(t))的解算由相关数字信号处理芯片与数学算法完成。王琦等人[20]分别在DSP和FPGA上用CORDIC算法进行相位检测，并分析了两者的优缺点，发现DSP拥有更高的数值精度和灵活性，而FPGA的优势是速度更快，消耗的硬件资源更少。除此之外，周美兰等人[21]在FPGA上用定点小数除法来检测相位，发现该算法能克服DSP串行处理信号速度慢、精度低的缺点。除了如FPGA和DSP等相关处理芯片外，李天利等人[22]采用专门的射频信号处理芯片(ASIC)来检测相位，降低了信号处理模块的设计难度。

幅度检测即对反射信号降频后直接采样，观察一段时间内信号的重复次数，从而得到信号频率[23]。幅度检测尽管有简单易操作等优点，但相比于相位检测有较大的局限性，其中最主要的就是容易受到外接环境的干扰。所以，目前接收机的实际信号处理过程通常采用相位测量的方法。

图3 无线收发结构Fig 3 Wireless transceiver architecture

信号传输处理的最终目的是得出被测量的参数。接收机产生的直接结果是信号频率或相位的变化值。这需要处理单元最后完成相位变化到被测量参数的变化。该处理可以在硬件端或软件端完成,在硬件端可以建立一个一对一的查表模块完成数据转换，在软件端可以通过查询数据库等方式完成数据转换。

3 声表面波传感器的应用

从功能上来看，声表面波器件主要分为识别标签和测量传感器。识别标签用来对身份(ID)进行确认和辨别，常见应用有列车的定位与跟踪[24]，设备器件的管理和维护[25]等。相对于识别标签，测量传感器的应用更为丰富和广泛。目前，声表面波传感器已经在如温度、压力[26]、扭矩[27]检测等领域都有了广泛的应用。在传统传感器无法应用的苛刻领域，声表面波传感器更有广大的发展空间。

高温环境是苛刻领域的一个典型代表，在高温环境下测量是声表面波传感器的一个主要发展方向。常见耐高温的压电基片有最高工作温度为580 ℃左右的AlPO4，最高工作温度为933 ℃左右的GaPO4，最高工作温度大于1 000 ℃的AlN,GaN[6]和最高工作温度为1 470 ℃左右的La3Ga5SiO14等。目前，已研发了能在500℃条件下工作的压力传感器[28]和能在750 ℃条件下工作的气体传感器[29]等。

目前，国内外相关人员也研发了能在其它苛刻领域工作的声表面波传感器,如电网避雷器等高电压、大电流环境下，郭凤仪等人研发了一种温度传感器[30]，该传感器能在仿真雷电电流、残压的环境下工作。在易腐蚀环境下，童筱钧等人研发了一种湿度传感器[31]，该传感器能分别在由1 %NaOH溶液提供的碱性气体环境和由1 %HCl溶液提供的酸性气体环境下工作。在如发动机等高转速的环境下，Binder A等人研发了一种温度传感器[32]，该传感器能在转速为15 500 r/min的条件下工作。

现阶段，声表面波传感器的发展还出现了传感器组网和多目标测量的趋势。传感器组网是指针对一个无线收发系统，其对应的传感器有许多个。这些器件可以分布在被测量环境的不同位置，完善对整个环境的测量。节点化需要对每个传感器件进行标识和鉴别，其方法一般有2种，一种是对不同的传感器采用不同中心频率的问询信号，接收机可针对回波的不同中心频率而判断出该信号所对应的某个传感器，Canabal A等人研发的传感器[33]能在175～215 MHz的频率区间内测量6个不同的目标。另一种方法是在器件上增加标签模块，用来标识不同的传感器，Lee Keekeun等人研发的传感器[34]能够测量28个不同目标。Binder A等人研发的传感器[35]能够同时测量温度和压力，温度测量范围为20～200 ℃，压力测量范围为0～5 bar。

4 结 论

声表面波无线无源传感器在传感器领域有广泛的应用和发展前景，整个传感器系统的实现需要多学科技术的交叉应用，材料技术、薄膜技术和微电子工艺的发展促进了器件性能的提高和应用的多样化。优化天线设计、射频电路设计和信号处理算法可以提高无线收发模块的整体效能。在未来发展方向上，一方面是要提高无线传输距离，增强传感器在更恶劣环境下的适应力；另一方面，在一个器件上集成能测量多种目标类型的传感器。

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Research progress of wireless passive surface acoustic wave sensor*

YE Tao, JIN Hao, DONG Shu-rong, WANG De-miao

(Department of Information Science & Electronics Engineering,Zhejiang University,Hangzhou 310027,China)

Surface acoustic wave(SAW)sensor is a kind of wireless passive sensor,which has advantages of passive sensing and suitable for harsh environments that common sensors cannot realize.Structure characteristics and principle of SAW device are reviewed,and key technologies such as RF signal transceiver and signal processing are mainly focused on,as well as related research stutus in recent years home and abroad is reviewed and summary and prospect are carried out.

surface acoustic wave(SAW)sensor; wireless transceiver; signal processing

10.13873/J.1000—9787(2014)12—0001—04

2014—03—10

国家自然科学基金资助项目(61204124)；中央高校基本科研业务费专项资金资助项目

TN 98

A

1000—9787(2014)12—0001—04

叶 韬(1990-)，男，浙江绍兴人，硕士研究生，主要研究方向为无线无源声表面波传感器。