用于气体检测的声表面波振荡电路设计

1 引 言

近年来， 声表面波气体传感器发展迅速， 应用于多个领域， 具有良好的发展前景。由于SAW 传感器具有尺寸小、价格低、精度高、灵敏度高及分辨率高等优点， 因此产生了由声表面波器件、敏感薄膜和相关检测电路组成的SAW 气体传感器。敏感薄膜在吸附气体的过程中， 被测气体导致的应力作用于声表面波传输路径中的介质， 使其动力学特性发生改变， 进而改变声表面波器件的谐振频率。与之配套的检测电路测试出这个改变量， 从而得到待测气体的相关特性， 而检测电路的相关性能直接影响整个传感器的精度和准确度等技术指标。因此， 电路的设计在SAW 气体传感器中是一个至关重要的环节。

声表面波( SAW )振荡器利用声表面波谐振器或延迟线作为稳频元件而构成。声表面波器件通常采用性能稳定的单晶石英材料制作， 输出的频率非常稳定。声表面波振荡器基频工作频率高， 使用范围可高至2000MH z， 与传统的采用较低频率的体声波振荡器不同， 具有重量轻、体积小、功耗小、成本低、可靠性增加等优点。

声表面波振荡器作为声表面波传感器的敏感元件， 其频率稳定度直接影响着传感器的分辨率、稳定性和测试精度， 其振荡频率取决于反馈回路相位为零时的条件。因此声表面波振荡器频率稳定度的提高有助于进一步改进传感器的性能指标。

2 声表面波谐振器

声表面波( SAW )器件是一种采用叉指结构的频率选择性很好的器件， 通过精确设计两边的叉指换能器的叉指对数及间距后， 再通过蒸发光刻等工艺制成。声表面波谐振器( SAWR ) 是一种高Q 值的谐振器， 在很多方面都与石英晶体谐振器相似。

与声表面波延迟线( SAWDL)振荡器相比， 双端谐振器的传输特性类似于高Q 值延迟线的特性， 但它有以下几个显着特点: 一是谐振器的尺寸很小; 二是谐振器的插损要小得多; 三是谐振器的调频范围比延迟线窄， 但是调频范围增加的同时稳定度会降低。

对于基于谐振型SAW 器件的传感器来说， 基线频率稳定度是最重要的技术指标之一。对于声表面波气体传感器， 声表器件上需加敏感膜， 这样会增加器件的插损， 过大的插损会降低稳定度， 因此SAW器件本身的插损不能大。

声表面波谐振器也可以根据叉指换能器的对数分为单端谐振器和双端谐振器两种。这两种类型的谐振器各有特点， 单端声表面波谐振器振荡电路简单， 元器件少， 频率稳定度好， 相位噪声低， 可实现低电压、低功耗， 但是其波段覆盖系数小， 当超出它的这个范围时将会导致不起振。双端声表面波谐振器的优点是容易起振， 如果相移网络选择合适， 可以在很大范围内实现频率调节， 其缺点是这种电路较为复杂， 成本较高。

3 振荡电路的设计

本设计是基于双端声表面波谐振器进行的电路设计， 为了使电路既能容易满足振荡条件， 又能达到良好的性能， 采用闭环正反馈放大的振荡电路形式，它包括一个放大电路和一个反馈回路， 电路原理框图如图1所示。本次设计采用的声表面波器件型号为RP1308， 中心频率为433. 92MH z， 180 相移的双端谐振型器件。

图1 振荡电路示意图

该电路在谐振点形成单模振荡的条件与其他类型的谐振式传感器类似， 其条件如下: