用于氣體檢測的聲表面波振蕩電路設計

1 引 言

近年來， 聲表面波氣體傳感器發展迅速， 應用于多個領域， 具有良好的發展前景。由于SAW 傳感器具有尺寸小、價格低、精度高、靈敏度高及分辨率高等優點， 因此產生了由聲表面波器件、敏感薄膜和相關檢測電路組成的SAW 氣體傳感器。敏感薄膜在吸附氣體的過程中， 被測氣體導致的應力作用于聲表面波傳輸路徑中的介質， 使其動力學特性發生改變， 進而改變聲表面波器件的諧振頻率。與之配套的檢測電路測試出這個改變量， 從而得到待測氣體的相關特性， 而檢測電路的相關性能直接影響整個傳感器的精度和準確度等技術指標。因此， 電路的設計在SAW 氣體傳感器中是一個至關重要的環節。

聲表面波( SAW )振蕩器利用聲表面波諧振器或延遲線作為穩頻元件而構成。聲表面波器件通常采用性能穩定的單晶石英材料制作， 輸出的頻率非常穩定。聲表面波振蕩器基頻工作頻率高， 使用范圍可高至2000MH z， 與傳統的采用較低頻率的體聲波振蕩器不同， 具有重量輕、體積小、功耗小、成本低、可靠性增加等優點。

聲表面波振蕩器作為聲表面波傳感器的敏感元件， 其頻率穩定度直接影響著傳感器的分辨率、穩定性和測試精度， 其振蕩頻率取決于反饋回路相位為零時的條件。因此聲表面波振蕩器頻率穩定度的提高有助于進一步改進傳感器的性能指標。

2 聲表面波諧振器

聲表面波( SAW )器件是一種采用叉指結構的頻率選擇性很好的器件， 通過精確設計兩邊的叉指換能器的叉指對數及間距后， 再通過蒸發光刻等工藝制成。聲表面波諧振器( SAWR ) 是一種高Q 值的諧振器， 在很多方面都與石英晶體諧振器相似。

與聲表面波延遲線( SAWDL)振蕩器相比， 雙端諧振器的傳輸特性類似于高Q 值延遲線的特性， 但它有以下幾個顯著特點: 一是諧振器的尺寸很小; 二是諧振器的插損要小得多; 三是諧振器的調頻范圍比延遲線窄， 但是調頻范圍增加的同時穩定度會降低。

對于基于諧振型SAW 器件的傳感器來說， 基線頻率穩定度是最重要的技術指標之一。對于聲表面波氣體傳感器， 聲表器件上需加敏感膜， 這樣會增加器件的插損， 過大的插損會降低穩定度， 因此SAW器件本身的插損不能大。

聲表面波諧振器也可以根據叉指換能器的對數分為單端諧振器和雙端諧振器兩種。這兩種類型的諧振器各有特點， 單端聲表面波諧振器振蕩電路簡單， 元器件少， 頻率穩定度好， 相位噪聲低， 可實現低電壓、低功耗， 但是其波段覆蓋系數小， 當超出它的這個范圍時將會導致不起振。雙端聲表面波諧振器的優點是容易起振， 如果相移網絡選擇合適， 可以在很大范圍內實現頻率調節， 其缺點是這種電路較為復雜， 成本較高。

3 振蕩電路的設計

本設計是基于雙端聲表面波諧振器進行的電路設計， 為了使電路既能容易滿足振蕩條件， 又能達到良好的性能， 采用閉環正反饋放大的振蕩電路形式，它包括一個放大電路和一個反饋回路， 電路原理框圖如圖1所示。本次設計采用的聲表面波器件型號為RP1308， 中心頻率為433. 92MH z， 180 相移的雙端諧振型器件。

圖1 振蕩電路示意圖

該電路在諧振點形成單模振蕩的條件與其他類型的諧振式傳感器類似， 其條件如下: