一種聲表面波顆粒物傳感器驅動電路

郭威

摘要：聲表面波傳感器由于其體積小、易集成的特點，非常適合開發成環境監測傳感器。本文從聲表面波顆粒物傳感器的機理特性和驅動電路兩方面介紹了其在顆粒物檢測方面的研究。

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.

關鍵詞：聲表面波;環境監測;顆粒物檢測

Key words： SAW;environmental monitoring;particle detection

中圖分類號：TP212? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1006-4311（2019）36-0271-02

0? 引言

聲表面波器件以其低成本、穩定性高、易集成的特點，非常適合改造成各種傳感器。而將聲表面波傳感器在檢測方面的研究主要有兩類：一類是在聲表面波器件表面（聲表面波行走路徑上）涂敷吸附膜，當吸附膜與空氣中物質發生反應后發生性能變化，致使聲表面波傳輸路徑發生變化，使聲表面波器件的固有頻率發生改變[1][2]。此方案缺點是吸附膜吸附顆粒物后無法釋放，只能累計測量，傳感器僅能一次性使用，重復性差。另一類是在聲表面波器件的敏感區內加入高壓電極，用靜電吸附的方式，將顆粒物吸附到聲表面波行走路徑上，然后根據傳感器輸出的頻率變化來推算吸附顆粒物的量，采集結束后，反轉靜電電極電壓極性，將顆粒物吹離敏感區，從而實現重復采集。此方案缺點是靜電吸附對顆粒物無選擇性，需配合顆粒物切割器來使用。

1? 聲表面波傳感器的原理與結構

聲表面波傳感器在檢測顆粒物時，需將顆粒物吸附于其敏感區域，也就是聲表面波在器件表面行進的區域，此時由于顆粒物的聚集，造成聲表面波的傳輸路徑發生變化，進而引起聲表面波器件的固有頻率發生變化，通過對頻率變化量的檢測，能反算出顆粒物的量，最終得到空氣中顆粒物的濃度值。

不同粒徑的顆粒物由顆粒物切割器進行選擇，檢測顆粒物的聲表面波傳感器放置于顆粒物切割器后端的氣體緩沖器中，通過靜電吸附方式將特定粒徑的顆粒物聚集到延遲線聲表面波器件的中央敏感區。空氣通過顆粒物切割器時，只有低于粒徑閾值的顆粒物不會被切割器滯留，繼而進入氣體緩沖器，降低氣體流速，使得顆粒物能夠被靜電吸附。

圖1為聲表面波顆粒物傳感器的結構示意圖，該傳感器采用延遲線結構，輸入和輸出叉指電極之間是高壓電極，外接直流高壓。圖2為聲表面波傳感器幅頻響應曲線，其中心頻率為140MHz，損耗55dB，3dB帶寬為0.21MHz。

實際應用中，采用雙通道差分結構的聲表面波傳感器來盡可能的減小環境因素的影響，其中一個通道帶有高壓電極，作為采樣測試通道;另一通道沒有高壓電極，不采集顆粒物，作為參考通道，用于對環境因素的補償。

2? 聲表面波顆粒物傳感器驅動電路

圖3為聲表面波傳感器的等效電路。其輸入端需要加入激勵信號，使得聲表面波傳感器與激勵信號達到共振，其共振頻率即為聲表面波傳感器的本征中心頻率。而顆粒物沉積在高壓電極上時，會影響到聲表面波的傳輸，使其等效電路中的R值、L值或者C值發生變化，使其本征中心頻率發生偏移，進而輸出端叉指電極將采集頻率變化的聲表面波。其頻率變化值即能反映顆粒物的量，進而可以推測出空氣中顆粒物的濃度。

實際使用的聲表面波傳感是無源器件，需要外部驅動電路使其發生自激振蕩，工作在其本征中心頻率上。圖4為常用的聲表面波傳感器驅動電路框架圖。其中，聲表面波傳感器在電路中充當正反饋，而放大器使反饋回路的放大倍數始終大于1，最終當反饋回路的附加相位是2Π的整數倍時，電路發生自激振蕩，此時輸出的振蕩波幅值最大、頻率穩定且為聲表面波傳感器的本征中心頻率。

圖5為本項目中實際使用的聲表面波顆粒物傳感器的驅動電路。其中，使用NPN三極管為放大器、阻容網絡來完成相移即輸出濾波器。本設計中采用2SC3356作為高頻放大三極管，其截止頻率高達7GHz，頻率穩定性高，且噪聲很小。

3? 一種聲表面波傳感器檢測顆粒物的方式

圖6為雙通道聲表面波顆粒物傳感器信號處理框圖。采樣測試通道的頻率與參比通道的頻率信號通過混頻模塊，得到兩個通道頻率信號的頻率差值，再經過FVC模塊后轉成電壓信號，方便單片機直接采集和處理[3]。

4? 結論

實際測試中，聲表面波傳感器在檢測顆粒物時反應靈敏，但不同粒徑的顆粒物在傳感器上沉積效率不一樣，使得聲表面波傳感器在顆粒物檢測方面還有一定局限，還需進一步研究。

參考文獻：

[1]何世堂，王文，劉久玲，劉明華，李順洲.聲表面波氣體傳感器研究進展[J].應用聲學，2013：252-262.

[2]李晶晶，李冬梅，趙以貴，柯導明，陳軍寧，賈銳.常見氣體聲表面波傳感器研究進展[J].傳感器世界，2009：6-10.

[3]吳朋林.氣相色譜、富集器和聲表面波傳感器的集成技術研究[D].成都：電子科技大學，2016-06.