一种声表面波颗粒物传感器驱动电路

郭威

摘要：声表面波传感器由于其体积小、易集成的特点，非常适合开发成环境监测传感器。本文从声表面波颗粒物传感器的机理特性和驱动电路两方面介绍了其在颗粒物检测方面的研究。

Abstract： SAW sensor is an alternative solution for environmental monitoring because of its small size and easy integration. In this paper， the mechanism and driving circuit of SAW particle detection sensor are introduced.

关键词：声表面波;环境监测;颗粒物检测

Key words： SAW;environmental monitoring;particle detection

中图分类号：TP212                                       文献标识码：A                                  文章编号：1006-4311（2019）36-0271-02

0  引言

声表面波器件以其低成本、稳定性高、易集成的特点，非常适合改造成各种传感器。而将声表面波传感器在检测方面的研究主要有两类：一类是在声表面波器件表面（声表面波行走路径上）涂敷吸附膜，当吸附膜与空气中物质发生反应后发生性能变化，致使声表面波传输路径发生变化，使声表面波器件的固有频率发生改变[1][2]。此方案缺点是吸附膜吸附颗粒物后无法释放，只能累计测量，传感器仅能一次性使用，重复性差。另一类是在声表面波器件的敏感区内加入高压电极，用静电吸附的方式，将颗粒物吸附到声表面波行走路径上，然后根据传感器输出的频率变化来推算吸附颗粒物的量，采集结束后，反转静电电极电压极性，将颗粒物吹离敏感区，从而实现重复采集。此方案缺点是静电吸附对颗粒物无选择性，需配合颗粒物切割器来使用。

1  声表面波传感器的原理与结构

声表面波传感器在检测颗粒物时，需将颗粒物吸附于其敏感区域，也就是声表面波在器件表面行进的区域，此时由于颗粒物的聚集，造成声表面波的传输路径发生变化，进而引起声表面波器件的固有频率发生变化，通过对频率变化量的检测，能反算出颗粒物的量，最终得到空气中颗粒物的浓度值。

不同粒径的颗粒物由颗粒物切割器进行选择，检测颗粒物的声表面波传感器放置于颗粒物切割器后端的气体缓冲器中，通过静电吸附方式将特定粒径的颗粒物聚集到延迟线声表面波器件的中央敏感区。空气通过颗粒物切割器时，只有低于粒径阈值的颗粒物不会被切割器滞留，继而进入气体缓冲器，降低气体流速，使得颗粒物能够被静电吸附。

图1为声表面波颗粒物传感器的结构示意图，该传感器采用延迟线结构，输入和输出叉指电极之间是高压电极，外接直流高压。图2为声表面波传感器幅频响应曲线，其中心频率为140MHz，损耗55dB，3dB带宽为0.21MHz。

实际应用中，采用双通道差分结构的声表面波传感器来尽可能的减小环境因素的影响，其中一个通道带有高压电极，作为采样测试通道;另一通道没有高压电极，不采集颗粒物，作為参考通道，用于对环境因素的补偿。

2  声表面波颗粒物传感器驱动电路

图3为声表面波传感器的等效电路。其输入端需要加入激励信号，使得声表面波传感器与激励信号达到共振，其共振频率即为声表面波传感器的本征中心频率。而颗粒物沉积在高压电极上时，会影响到声表面波的传输，使其等效电路中的R值、L值或者C值发生变化，使其本征中心频率发生偏移，进而输出端叉指电极将采集频率变化的声表面波。其频率变化值即能反映颗粒物的量，进而可以推测出空气中颗粒物的浓度。

实际使用的声表面波传感是无源器件，需要外部驱动电路使其发生自激振荡，工作在其本征中心频率上。图4为常用的声表面波传感器驱动电路框架图。其中，声表面波传感器在电路中充当正反馈，而放大器使反馈回路的放大倍数始终大于1，最终当反馈回路的附加相位是2Π的整数倍时，电路发生自激振荡，此时输出的振荡波幅值最大、频率稳定且为声表面波传感器的本征中心频率。

图5为本项目中实际使用的声表面波颗粒物传感器的驱动电路。其中，使用NPN三极管为放大器、阻容网络来完成相移即输出滤波器。本设计中采用2SC3356作为高频放大三极管，其截止频率高达7GHz，频率稳定性高，且噪声很小。

3  一种声表面波传感器检测颗粒物的方式

图6为双通道声表面波颗粒物传感器信号处理框图。采样测试通道的频率与参比通道的频率信号通过混频模块，得到两个通道频率信号的频率差值，再经过FVC模块后转成电压信号，方便单片机直接采集和处理[3]。

4  结论

实际测试中，声表面波传感器在检测颗粒物时反应灵敏，但不同粒径的颗粒物在传感器上沉积效率不一样，使得声表面波传感器在颗粒物检测方面还有一定局限，还需进一步研究。

参考文献：

[1]何世堂，王文，刘久玲，刘明华，李顺洲.声表面波气体传感器研究进展[J].应用声学，2013：252-262.

[2]李晶晶，李冬梅，赵以贵，柯导明，陈军宁，贾锐.常见气体声表面波传感器研究进展[J].传感器世界，2009：6-10.

[3]吴朋林.气相色谱、富集器和声表面波传感器的集成技术研究[D].成都：电子科技大学，2016-06.