一种体声波传感器读出电路制造技术

本实用新型专利技术公开了一种体声波传感器读出电路，包括BAW振荡器和频率检测电路；BAW振荡器包括FBAR和其他基本电路元件，FBAR和基本电路元件通过Pierce拓扑结构连接；频率检测电路包括六端口网络、四个功率计和标准负载，BAW振荡器的输出端口与六端口网络的端口一连接，标准负载与六端口网络的端口二连接，四个功率计分别与六端口网络的其他四个端口连接；BAW振荡器为频率检测电路提供射频输入信号；六端口网络的系统参数是通过在端口一连接到射频源，在端口二换四个不同标准负载以测得不同频率对应的功率计读数和反射系数所得；本实用新型专利技术可用于BAW振荡器频率检测和BAW传感器读出电路，结构简单、易集成和实时性高。

【技术实现步骤摘要】

本技术属于微电子机械系统器件领域，具体涉及一种基于六端口反射计的体声波（BAW,bulkacousticwave）传感器读出电路，该结构的BAW传感器读出电路具有结构简单、易集成和实时性高（测量时不需扫频）的特点。
技术介绍
体声波（BAW,bulkacousticwave）传感器是一种高速发展的新型传感器，具有灵敏度高，准数字量输出，便于集成和工作频率高等特点，且应用前景广泛。BAW传感器已被研究可应用于质量、紫外线、汞离子、气体、生物和加速度等的检测中。BAW传感器是通过薄膜体声波谐振器（FBAR）来感应待测物理量（如：质量、紫外线、汞离子、气体、生物和加速度等），然后通过读出电路来检测FBAR的谐振频率偏移量，最后将FBAR谐振频率偏移量代入FBAR谐振频率与待测物理量的函数关系式中得到待测物理量。但是，不依赖网络分析仪、易与表头集成的BAW传感器射频信号读出电路实现，已经成为BAW传感器集成化、实用化的共性瓶颈问题之一。为了推动BAW传感器的实用化需要对读出电路进行设计。BAW传感器的读出电路通常采用阻抗分析法和BAW振荡器法来实现。其中，作者：黄振华、高杨、蔡洵等人的“基于六端口反射计的体声波传感器读出电路[J].压电与声光,2015（6）:1066-1070.”，公开了一种基于六端口反射计的BAW传感器读出电路，该电路原理如下：当六端口网络的DUT端口连接的是FBAR时，将射频信号发生器针对所有六端口反射计的工作频率做频率扫描，在六端口反射计工作频率内的每一个频率点都可获得FBAR的反射系数（即六端口反射计工作频率内FBAR的反射系数与频率曲线），通过寻找反射系数的最大最小值而得到FBAR的谐振频率（反射系数最大/小值所对应的频率分别为并/串联谐振频率），这是基于六端口反射计通过阻抗分析法测量FBAR的谐振频率。该方案的缺点是读出电路需要一个频带较宽的射频信号发生器来提供射频信号，一般采用体积较大的射频源，因此，频带较宽的射频信号发生器难以实现集成化，且在测量过程中需要针对一个较宽的频带内的所有频点进行扫频测量，所需测量时间长难以实现实时测量。BAW振荡器法实现的读出电路是将FBAR设计成一个单频点的射频信号发生器，并通过BAW振荡器的频率检测电路检测得到FBAR的谐振频率偏移量，只需进行单频点测量，所需测量时间极短可用于实时测量。由此，BAW振荡器的频率检测电路是BAW振荡器法实现BAW传感器读出电路的一个重要环节。
技术实现思路
本技术为了解决上述技术缺陷，提供了一种体声波传感器读出电路，是基于六端口反射计的体声波传感器输出信号读出电路，为BAW振荡器提供了基于六端口反射计的频率检测电路模型，为BAW传感器读出电路提供了解决方案，使得BAW传感器更小型化以及实时性更高。为实现上述目的，本技术采取以下技术方案：一种体声波传感器读出电路，其特征在于：包括体声波（BAW）振荡器和频率检测电路；BAW振荡器包括薄膜体声波谐振器（FBAR）和其他基本电路元件，FBAR和其他基本电路元件通过Pierce拓扑结构进行连接；所述FBAR为体声波传感器表头中的检测元件，用于检测外界待测物理量；频率检测电路包括六端口网络、四个功率计和标准负载，BAW振荡器的输出端口与六端口网络的端口一连接，标准负载与六端口网络的端口二连接，四个功率计分别与六端口网络的其他四个端口连接。所述BAW振荡器作为频率检测电路的射频信号发生器，用于为频率检测电路提供射频输入信号。所述FBAR既作为体声波传感器表头中的检测元件，又作为BAW振荡器的基本元件。FBAR感知待测物理量的变化，外界物理量变化引起FBAR的谐振频率变化，同时也引起BAW振荡器的振荡频率发生变化，这两个变化相等。所述FBAR可为任意FBAR结构，包括通孔型、气隙型和固态装配型结构。所述BAW振荡器是将上述FBAR、晶体管和集总元件通过Pierce拓扑结构方式连接构成BAW振荡器。这是根据FBAR在串、并联谐振频率之间呈现感性的特点，将FBAR与两个电容C1，C2构成了BAW振荡器的基本电抗元件，满足回路总电抗为零的振荡条件，四个电阻R1、R2、Re、Rc为BAW振荡器的晶体管提供工作所需的直流偏置，电感L1防止高频信号干扰直流电源，电感L2防止高频信号到地，耦合电容Cb用于将反馈信号耦合到BAW振荡器的输入端。所述晶体管可以是三极管也可以是场效应管，作用是为振荡器提供必需的负阻。对于频率检测电路进一步描述为：所述频率检测电路是体声波传感器读出电路的核心部件，六端口网络的端口中，连接BAW振荡器的端口为射频信号的输入端口，当六端口网络的六个端口分别连接BAW振荡器、标准负载、四个功率计时，就构成了一种体声波传感器读出电路；该读出电路的基本原理是：BAW振荡器为六端口网络提供射频信号，通过四个功率计测量得到四个功率读数，将这四个功率读数和六端口网络的系统参数代入计算公式，可以计算得到与六端口网络相连的标准负载的反射系数，计算公式为：其中为反射系数（复数，未知），、、和为功率计读数（实数，已知），、、、、和为六端口网络的系统参数（随频率变化，已知）。频率检测电路使用前，需要校准。校准方法为：六端口网络的端口一连接到射频源的输出端，端口二换不同的标准负载，每换一个标准负载进行一次扫频测量，标准负载的个数大于等于四，标准负载的作用是提供已知的反射系数，最后将不同频率对应的功率计读数和反射系数代入六端口的反射系数计算公式，求得系统参数，从而完成系统参数的校准。由上式中的系统参数会随频率变化知，当BAW振荡器为六端口网络提供不同频率的射频信号时，功率计取得的功率读数都不相同。当BAW振荡器频率为某一频率fm（fp<fm<fq）时，功率读数已知，由于fm未知，因此fm对应的系统参数未知，但系统参数-频率曲线已知，如果将fm对应的功率读数和另外某一频率fn（fp<fm<fq，fn≠fm）对应的系统参数代入上式中，会得到一个反射系数，但得到的反射系数既不是fm对应的反射系数也不是fn对应的反射系数,因此无意义，称其为伪反射系数。由此，若将fm对应的功率读数依次与（（fp,fq）范围中的频率对应的系统参数代入到上式中，可计算得（fp,fq）范围内的伪反射系数-频率曲线，但由于功率读数是在fm处取得，所以伪反射系数-频率曲线只在fm处对应的反射系数是正确的。若要得到某一未知频率的BAW振荡器的振荡频率，其体声波传感器的频率解算电路结构可以是：将BAW振荡器的输出端口与六端口网络的端口一连接，六端口网络的端口二连接一个标准负载（标准负载的反射系数-频率曲线已知），六端口网络的余下的四个端口分别与四个功率计连接。然后通过六端口网络的四个功率计得到四个功率读数（BAW振荡器振荡频率对应的功率读数），并将功率读数与某一频带（包含BAW振荡器振荡频率）内的频率对应的系统参数代入到上式中，可计算得标准负载在该频带内的一条伪反射系数-频率曲线。由上可知，反射系数只在该未知频率点为已知的，因此将伪反射系数-频率曲线与标准负载的反射系数-频率曲线进行对比，可得唯一交点，该交点对应的频率即为BAW振荡器振荡频率。对于标准负载的进一步描述为：所述的标本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种体声波传感器读出电路，其特征在于：包括BAW振荡器（19）和频率检测电路（20）；BAW振荡器（19）包括薄膜体声波谐振器FBAR（1）和其他基本电路元件，薄膜体声波谐振器FBAR（1）和其他基本电路元件通过Pierce拓扑结构进行连接；所述频率检测电路（20）包括六端口网络（13）、四个功率计和标准负载（18），BAW振荡器（19）的输出端口与六端口网络（13）的端口一（24）连接，标准负载（18）与六端口网络（13）的端口二（25）连接，四个功率计包括P1功率计（14）、P2功率计（15）、P3功率计（16）和P4功率计（17），四个功率计分别与六端口网络（13）的余下的四个端口连接。

【技术特征摘要】
1.一种体声波传感器读出电路，其特征在于：包括BAW振荡器（19）和频率检测电路（20）；BAW振荡器（19）包括薄膜体声波谐振器FBAR（1）和其他基本电路元件，薄膜体声波谐振器FBAR（1）和其他基本电路元件通过Pierce拓扑结构进行连接；所述频率检测电路（20）包括六端口网络（13）、四个功率计和标准负载（18），BAW振荡器（19）的输出端口与六端口网络（13）的端口一（24）连接，标准负载（18）与六端口网络（13）的端口二（25）连接，四个功率计包括P1功率计（14）、P2功率计（15）、P3功率计（16）和P4功率计（17），四个功率计分别与六端口网络（13）的余下的四个端口连接。2.根据权利要求1所述的一种体声波传感器读出电路，其特征在于：所述其他基本元件包括晶体管（2）、直流电源（3）、L1电感（4）、Rc电阻（5）、R1电阻（6）、Cb电容（7）、R2电阻（8）、Re电阻（9）、L2电感（10）、C1电容（11）和C2电容（12）；所述C1电容（11）和C2电容（12）构成了BAW振荡器（19）的基本电抗元件；C1电容（11）的一端同时连接至晶体管（2）的集电极和六端口网络端口一（24），C1电容（11）的另一端与晶体管（2）的发射极和C2电容（12）连接；R1电阻（6）、R2电阻（8）和Cb电容（7）的一端均连接至晶体管（2）的基极，R1电阻（6）另一端连接至...

【专利技术属性】
技术研发人员：高杨，尹汐漾，黄振华，贾乐，雷强，赵俊武，刘婷婷，韩宾，
申请(专利权)人：中国工程物理研究院电子工程研究所，
类型：新型
国别省市：四川;51