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CN105322912B - 分布式声表面波谐振器及声表面波传感系统 - Google Patents

分布式声表面波谐振器及声表面波传感系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种分布式声表面波谐振器及声表面波传感系统，分布式声表面波谐振器，包括第一天线、匹配网络、反射栅、以及叉指换能器，所述至少反射栅、以及叉指换能器设置在压电基片上，所述匹配网络包括由至少一个电容和至少一个电感组成的最佳匹配网络，所述最佳匹配网络还并联有开关电路，所述开关电路包括若干个相并联的支路，每个支路上设置有至少一个电容和/或电感器件，所述开关电路的各支路上还设置有用于控制该支路导通状态的开关。本发明的一种分布式声表面波谐振器，当匹配网络接入不同的支路时，相应的谐振器对应一个中心频率，通过控制改变接入的支路，即可改变谐振器的中心频率，电路结构简单，占用空间小。

Description

分布式声表面波谐振器及声表面波传感系统
技术领域
本发明涉及一种声表面波传感器，具体地说，是涉及一种分布式声表面波谐振器。
背景技术
射频识别(RFID，Radio Frequency Identification)技术是一种应用非接触式标签的技术，它通过射频信号自动识别目标对象并获取相关数据。单端口声表面波（SAW）谐振器即属于射频识别产品中的的一个重要组成部分，包含叉指换能器（IDT）以及反射栅，反射栅用于构成一个声学谐振腔，叉指换能器用于进行声-电的相互转换。
IDT在基片表面激励的声表面波在反射栅间来回反射叠加，当外部信号激励频率f等于SAW谐振器的中心频率f0时，将在谐振腔内形成驻波发生谐振，谐振频率f0是SAW 谐振器的重要特征参数，外界的微扰变化（如匹配网络的电抗值变化），会带来输出中心频率f0的变化，中心频率f0的变化直接反映被测信息。
在分布式声表面波无源无线温度传感系统中，分别用于测量不同参数，因此中心频率互不相同，目的是为了防止中心频率一致产生频率干扰的问题。然而，具有多个中心频率的传感器，相应具有传感器结构复杂，制作成本高的问题。
专利公布号CN101877073A的中国专利申请，涉及一种可现场编程的声表面波射频电子标签，所述的声表面波电子标签的每根反射栅条两端均设有触点，且这些分布式反射栅条之间互不连接;所述的声表面波电子标签还包括与其层叠设置的具有开关功能的集成电路芯片，该集成电路芯片的外接触点和声表面波电子标签的反射栅阵的触点一一对应设置，并通过现场编程控制开关电路，控制分布式反射栅阵的任何两个触点之间的开路与短路连接。该发明与现有的集成电路设计相结合，利用现有的集成电路实现的开关阵，改变反射栅阵各个反射栅条的开路和短路，实现声表面波射频电子标签的现场可编程，增强其设计的多功能性和灵活性。但是，该种结构的声表面波射频电子标签具有以下不足：1、通过将集成电路芯片设置在反射栅上，一个反射栅只能监测一个中心频率值，当需要监测多个中心频率值时，需要设置多个反射栅，相应的需要较大面积的压电基片用于安装反射栅，一方面提高了传感器的制造成本，另外一方面增加了传感器的体积，不适合市场对产品的小型化需求。2、由于声波在反射栅之间反射传输具有能量损失，当设置多个反射栅时，声波传输到最后一个反射栅的能量损失会很大，相应的灵敏度和可靠性均会降低，而且信号遭受较大的能量损失后，其传输距离也相应变短。
发明内容
本发明为了解决现有声表面波传感器占用体积大的技术问题，提供了一种声表面波谐振器型振动传感器。
为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种分布式声表面波谐振器，包括第一天线、匹配网络、反射栅、以及叉指换能器，所述至少反射栅、以及叉指换能器设置在压电基片上，所述匹配网络包括由至少一个电容和至少一个电感组成的最佳匹配网络，所述最佳匹配网络还并联有开关电路，所述开关电路包括若干个相并联的支路，每个支路上设置有至少一个电容和/或电感器件，所述开关电路的各支路上还设置有用于控制该支路导通状态的开关。
进一步的，所述开关电路为现场编程控制开关电路，所述开关电路的各支路的开关接受现场编程控制逻辑器件的控制。
进一步的，所述现场编程控制逻辑器件包括n组外接触点，所述现场编程控制开关电路的每一支路中都串联有一组外接触点，所述现场编程控制逻辑器件通过编程控制各组外接触点的导通状态，其中n不小于所述开关电路所包括的支路数。
进一步的，所述分布式声表面波谐振器最多对应2n个中心频率。
其中，所述最佳匹配网络由第一电容（C1）和第一电感（L1）相串联组成，所述现场编程控制开关电路并联在所述最佳匹配网络组成的串联电路的两端。
或者，所述最佳匹配网络由第一电容（C1）和第一电感（L1）相串联组成，所述现场编程控制开关电路并联在所述第一电感（L1）的两端。
再者，所述最佳匹配网络由第一电容（C1）和第一电感（L1）相串联组成，所述现场编程控制开关电路并联在所述第一电容（C1）的两端。
基于上述的一种分布式声表面波谐振器，本发明同时提供了一种分布式声表面波无源无线传感系统，包括阅读器、信号处理模块，所述阅读器上设置有第二天线，还包括如权利要求1-7任一项权利要求所述的分布式声表面波谐振器。
与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明的一种分布式声表面波谐振器，通过在匹配网络中设置开关电路，所述开关电路包括若干个相并联的支路，每个支路上设置有至少一个电容和/或电感器件，当匹配网络接入不同的支路时，相应的谐振器对应一个中心频率，通过控制改变接入的支路，即可改变谐振器的中心频率，电路容易实现，电路结构简单，占用空间小，无需增加压电基片的面积，有利于节省成本。
结合附图阅读本发明实施方式的详细描述后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明所提出的分布式声表面波谐振器的一种实施例结构示意图；
图2是图1中分布式声表面波谐振器的匹配网络的原理方框图；
图3是图2中匹配网络的电路原理图；
图4是图3中匹配网络电路的等效电路图；
图5是实施例三中谐振器等效电路模型图；
图6是实施例四中谐振器反射率与频率关系曲线图；
图7是本发明说提出的分布式声表面波无源无线传感系统一种实施例的方框图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一，参见图1所示，本实施例提供了一种分布式声表面波谐振器，包括天线101、匹配网络102、反射栅103、以及叉指换能器104，至少反射栅103、以及叉指换能器104设置在压电基片105上，参见图2所示，匹配网络102包括由至少一个电容和至少一个电感组成的最佳匹配网络，该最佳匹配网络还并联有开关电路，所述开关电路包括若干个相并联的支路，每个支路上设置有至少一个电容和/或电感器件，所述开关电路的各支路上还设置有用于控制该支路导通状态的开关。本实施例的分布式声表面波谐振器的工作原理是：天线101接收激励信号，本实施例在匹配网络上增设开关电路，通过控制改变接入的支路，即可改变谐振器的中心频率，进而改变匹配网络接入至叉指换能器信号的中心频率，实现了一个谐振器可灵活设置改变其中心频率，在分布式声表面波无源无线温度传感系统中，分别用于测量不同参数，避免了中心频率产生频率干扰的问题，电路容易实现，电路结构简单，占用空间小，无需增加压电基片的面积，有利于节省成本。需要说明的是，各支路上设置的电抗元件可以分别单独是电容或电感，也可以是电容和电感的组合，电抗元件的设置个数可以随意组合，满足将其所在支路并入时会将匹配网络的中心频率值改变即可。本实施例中的分布式声表面波谐振器可以为单端口谐振器或双端口谐振器。
实施例二，本实施例给出了一种分布式声表面波谐振器的一种优选电路，其中，开关电路采用现场编程控制开关电路，参见图3所示，所述开关电路的各支路的开关接受现场编程控制逻辑器件P1的控制。
作为一个优选实施例，现场编程控制逻辑器件P1包括n组外接触点，在本实施例图3中给出了3组外接触点，分别为（M1，M2）、(N1，N2)、(Q1，Q2)，该3组触点分别接入至开关电路的3个支路中，也即，开关电路的每一支路中都串联有一组外接触点，现场编程控制逻辑器件P1通过编程控制各组外接触点的导通状态，例如，当现场编程控制逻辑器件P1控制（M1，M2）导通时，其所在支路的电容C2被接入匹配网络，通过现场编程控制逻辑器件P1控制接入支路不同，进而改变匹配网络的电抗值，进而改变匹配网络的中心频率，其中n不小于所述开关电路所包括的支路数。本实施例采用现场编程控制逻辑器件P1，用于半定制、全定制电路设计。可现场编程逻辑器件(PLD)不仅包括比较简单的PROM、EPROM、EEPROM，还有中高级PLA、PAL、GAL、EPLD、CPLD、FPGA等多种形式。为满足用户设计要求出现的可现场编程逻辑器件，具有低功耗、高速度、小型化、多功能、低成本、设计灵活，可无限次反复现场编程等优点。它们可以记录写入数据，控制各端口的特性，实现各端口之间的电学连接与断开。
开关电路的支路数n不限于本实施例所举例，现场编程控制逻辑器件P1控制改变外接触点的导通状态，理论上，分布式声表面波谐振器最多对应2n个中心频率，实现了本分布式声表面波谐振器的极大功能扩展，仅通过在匹配网络中增设现场编程控制逻辑器件P1，可以实现多个中心谐振器的检测中心频率，进而可以理论上分布式检测多种物理参数，而且各谐振器之间中心频率互不影响。
在本实施例中，最佳匹配网络由第一电容C1和第一电感L1相串联组成，如图3所示的现场编程控制开关电路并联在所述最佳匹配网络组成的串联电路的两端。开关电路与最佳匹配网络共同组成T型匹配网络或为PI型匹配网络。
或者，所述最佳匹配网络由第一电容C1和第一电感L1相串联组成，所述现场编程控制开关电路并联在所述第一电感L1的两端。
再者，所述最佳匹配网络由第一电容C1和第一电感L1相串联组成，所述现场编程控制开关电路并联在所述第一电容C1的两端。上述两种方案未在图中示出，为第一种方案的变型，本领域技术人员在看到第一种方案时不付出创造性劳动即可推导出，在此不作赘述。
实施例三，本实施例阐述了实施例二中分布式声表面波谐振器的基本原理，由于各支路中分别串联有电容和/或电感，无论任何支路新接入至匹配网络中，均会改变匹配网络的电抗值。本实施例给出了另外一种并入方式，参见图4所示，该匹配网络的等效容抗为C′，等效感抗L′，匹配网络的阻抗值Zeq2的计算方法为：
（1）
（2）
谐振器的通用近谐振器等效电路模型如图5所示，图5中Ｃ与Ｌ分别为由于压电基片弹性和惯性引起的动态电容和电感，Ｒ为阻尼引起的动态电阻，Ｃ0为叉指换能器的静态电容，Ｒ0为引线电阻。谐振器的等效电路参数包括Ｒ0，Ｒ，Ｌ，Ｃ，Ｃ0五个参数。
谐振器的阻抗为Zeq1的计算方法为：
（3）
Zeq为谐振器Zeq1和匹配网络Zeq2组成结构的等效阻抗，即为整个结构的总阻抗值，因此，
（4）
一般情况下，常用传输线的特性阻抗为50Ω，匹配点对应S11的中心频率，即幅度最小的频率，反射系数为：
（5）
由公式（1～5）可得到S11与频率f的关系图，幅度最小的频率f0对应S11的中心频率。匹配网络中，外接传感器中的电容或电感的并入网络，会导致C1或L1的等效值改变，影响Zeq2的值，最终影响S11的曲线图，幅度最小的频率f0即为整个谐振器结构的中心频率会发生相应的改变，幅度最小的频率f0即为整个谐振器结构的中心频率会发生相应的改变。
实施例四，本实施例给出了一种分布式声表面波谐振器的具体结构，其中，压电基片采用0.35mm厚ST石英晶片。谐振器的谐振频率选在433.92MHz的ISM频段内，指条宽度3.68微米，指占占空比定为0.5。
叉指换能器膜厚2500埃米，波长7.19微米，声孔径358微米，叉指101对，反射栅条数200对，叉指换能器指条与反射栅指条相隔宽度为1.79微米。谐振器等效电路参数引线电阻R0为5欧姆，阻尼引起的动态电阻R为63.3欧姆，压电基片弹性和惯性引起的动态电感L为4.511×105nH,压电基片弹性和惯性引起的动态电容C为2.983×10-7 nF，叉指换能器的静态电容C0为7.0×10-4nF,当C1=1.2pF和L1=96.1nH为最佳匹配网络时，L2为20nH， L3为85nH， L4为92nH，若现场编程控制逻辑器件P1支路控制位具有3位，从左至右表示各支路的导通状态，分别为：000表示各触点均断开，谐振器中心频率为433.90MHz ，100表示连接触点（M1，M2）导通，谐振器中心频率为433.84MHz；010表示触点（N1，N2）导通，谐振器中心频率为433.86MHz；001表示触点（Q1,Q2）导通，此时谐振器中心频率为433.88MHz；此外，还可以另外计算出现场编程控制逻辑器件P1编码是101时，谐振器中心频率为433.82MHz；编码是110时，谐振器中心频率为433.81MHz，谐振器反射率S11与频率关系如图6所示，可以看出各中心频率互不相同，也相应不会产生干扰。
实施例五，基于实施例一至三中的一种分布式声表面波谐振器，本实施例提供了一种分布式声表面波无源无线传感系统，参见图7所示，包括阅读器、信号处理模块，所述阅读器上设置有第二天线201，还包括振动传感器上设置有第一天线101，两者通过进行通信，参见图2所示，振动传感器还包括匹配网络102、反射栅103、以及叉指换能器104，至少反射栅103、以及叉指换能器104设置在压电基片105上，参见图3所示，匹配网络102包括由至少一个电容C1和至少一个电感L1组成的最佳匹配网络，该最佳匹配网络还并联有开关电路，开关电路包括若干个相并联的支路，每个支路上设置有至少一个电容和/或电感器件，所述开关电路的各支路上还设置有用于控制该支路导通状态的开关。本实施例的波无源无线传感系统的工作原理是：阅读器通过第二天线201向振动传感器发送激励信号，振动传感器通过第一天线101接收激励信号，振动传感器在匹配网络上增设开关电路，通过控制改变接入的支路，即可改变谐振器的中心频率，进而改变匹配网络接入至叉指换能器信号的中心频率，实现了一个谐振器可灵活设置改变其中心频率。
当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种分布式声表面波谐振器，包括第一天线、匹配网络、反射栅、以及叉指换能器，至少所述反射栅、以及叉指换能器设置在压电基片上，其特征在于，所述匹配网络包括由至少一个电容和至少一个电感组成的最佳匹配网络，所述最佳匹配网络还并联有开关电路，所述开关电路包括若干个相并联的支路，每个支路上设置有至少一个电容和/ 或电感器件，所述开关电路的各支路上还设置有用于控制该支路导通状态的开关，所述开关电路为现场编程控制开关电路，所述开关电路的各支路的开关接受现场编程控制逻辑器件的控制，所述现场编程控制逻辑器件包括n 组外接触点，所述现场编程控制开关电路的每一支路中都串联有一组外接触点，所述现场编程控制逻辑器件通过编程控制各组外接触点的导通状态，其中n 不小于所述开关电路所包括的支路数，所述分布式声表面波谐振器最多对应2n个中心频率。
2.根据权利要求1所述的分布式声表面波谐振器，其特征在于，所述最佳匹配网络由第一电容（C1）和第一电感（L1）相串联组成，所述现场编程控制开关电路并联在所述最佳匹配网络组成的串联电路的两端。
3.根据权利要求1或2所述的分布式声表面波谐振器，其特征在于，所述最佳匹配网络由第一电容（C1）和第一电感（L1）相串联组成，所述现场编程控制开关电路并联在所述第一电感（L1）的两端。
4.根据权利要求1或2所述的分布式声表面波谐振器，其特征在于，所述最佳匹配网络由第一电容（C1）和第一电感（L1）相串联组成，所述现场编程控制开关电路并联在所述第一电容（C1）的两端。
5. 一种声表面波传感系统，其特征在于，包括阅读器、信号处理模块，所述阅读器上设置有第二天线，还包括如权利要求1-4 任一项权利要求所述的分布式声表面波谐振器。
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