用于气体传感器的声表面波振荡器系统技术方案

本发明专利技术涉及一种用于气体传感器的声表面波振荡器系统，包括两组由声表面波延迟线、射频放大器、移相网络组成的声表面波振荡器和一组由混频器、低频放大器以及低通滤波器组成的混频电路；一组声表面波延迟线、放大器和移相网络组成一组振荡器，两组振荡器的输出接入混频器，混频器的输出经过低通滤波器、低频放大器后输出两组振荡器的差频信号。两组延迟线制作在同一基片上；声表面波延迟线采用单相单向换能器（ＳＰＵＤＴ）结构，降低了插入损耗；两换能器长度差距较大，长换能器的长度等于两换能器之间的中心距离，且采用梳状结构，梳齿之间距离等于短换能器长度以抑制多余振荡模式，使得声表面波振荡器工作在单一模式状态，大大提高了振荡器的频率稳定度（达到０．０７ｐｐｍ）。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种振荡器，特别是涉及一种用于气体传感器的声表面波(“SAW”)振荡器系统。
技术介绍
众所周知，对气体传感器而言核心构件是高频高稳定度的振荡器。通常在实际应用中这样的高稳定性振荡器大致有两种，一种是晶体振荡器，但是研究表明，传感器的灵敏度与振荡频率的平方近于成正比，而晶体振荡器的振荡频率一般不大于30MHz，因此，晶体振荡器不能适用于更高灵敏度要求的气体传感器。另外一种是声表面波振荡器，这种振荡器具有较高的频率稳定度，工作频率上这种SAW器件比晶体振荡器高了两个数量级，因此采用这种声表面波振荡器的气体传感器也就具有获得更大的灵敏度的能力。这种声表面波振荡器一般有两种类型，一种是采用双端谐振器型声表面波振荡器，它的频率稳定度很高，而且这种谐振器型的气体传感器具有很高的灵敏度，分辨率通常可以达到10-12到10-15。但是一般情况下所提供气体传感器所需要的敏感膜的载体面积很小，另外这种谐振器型振荡器制作相当复杂，而且容易受到电路相位状态的影响而造成传感器的不稳定性，因此这种振荡器一般不适合于气体传感器。另外一种是采用声表面波延迟线型的声表面波振荡器，它能够提供足够面积的气体传感器敏感膜所需要的载体，同时也具有很高的频率稳定度，不容易受到外围电路相位的影响，因此这种振荡器更适合于气体传感器的使用。现有技术的应用于气体传感器的延迟线型声表面波振荡器系统一般采用常规的双延迟线型振荡器结构，通常所采用的延迟线结构并没有单一频率振荡工作模式控制，并且延迟线的损耗相当大。在现有技术当中，一般延迟线采用两个相同长度的换能器，其长度均在50到100个波长范围之内，插入损耗在20到60个dB之间，因此必须采用高增益的放大器对延迟线的损耗进行补偿。1979年Wohltijen最先提出这种采用延迟线结构的声表面波传感器(H.Wohltjen andR.E.Dessy，“Surface acoustic wave probe for chemical analysis，PartsI-III”，Analytical Chem.，vol.5，no.9，pp.1458-1475，1979)，在他的34MHz声表面波延迟线的设计当中，所采用的基片是ST石英，延迟线采用两个相同的换能器，其周期数为8，声孔径为26.5倍波长，两换能器之间距离为460倍波长，延迟线的损耗超过60dB。1986至1987年Wohltijen等又提出了三种应用于气体传感器的声表面波振荡器(David S.Ballantine，Susan L.Rose，Jay W.Grateand H.Wohltjen，“Correlation of Surface Acoustic Wave Device CoatingResponses with Solubility Properties and Chemical Structure Using PatternRecognition”，Anal.Chem.，vol.58，no.14，December，pp.3058-3066，1986H.Wohltjen，W.Snow，R.Barger and David S.Ballantine，“Trace ChemicalVapor Detecion Using SAW Delay Line Oscillators”，1987 IEEEUFFC，vol.UFFC-34，no.2，MARCH，pp.172-178)。分别采用31MHz，52MHz，和112MHzSAW延迟线。三种延迟线均采用相同换能器指对数(为50指对)，声孔径为80倍波长，指宽和指间间距均为1/4波长，换能器间距分别为264倍、166倍和350倍波长，基片为ST石英，这三种延迟线损耗均大于20dB。1988年Jay W.Grate和Arthur Snow等人提出一种158MHz的应用于气体传感器的延迟线型振荡器(Jay W.Grate，Arthur Snow，David S.Ballantine，H.Wohltjen，“Determination of Partition Coefficients from Surface Acoustic WaveVapor Sensor Responses and Correlation with Gas-Liquid CheomatographicPartition Coefficients”，Anal.Chem.，vol.60，no9，Mayl，pp.869-875，1988)，输入换能器长度为75指对，输出换能器为100指对，换能器间距为10个波长，声孔径为70个波长，采用基片为ST石英。另外有一些采用铌酸锂基片的延迟线结构。如刘国锋等设计的一种气体传感器(刘国锋，陈明，”新型声表面波气体传感器”，航空计测技术，第15卷，第三期，pp.5-8，1995)采用铌酸锂基片的延迟线中心频率为60MHz，每个IDT为30指对，2个IDT之间距离为60倍波长。国外也有一些采用YZ铌酸锂作为基片的振荡器型声表面波气体传感器(袁小平，“国外声表面波传感器开发近况”，压电与声光，第17卷，第4期，pp.6-10，1995 Roh，Y.R.；Kim，H.B.；Lee，Y.J.；Cho，H.M.；Chung，J.S.；Baik，S.，“Development of SAW gas sensor for monitoringSOXgas”，Ultrasonics Symposium，1995.Proceedings.，1995 IEEE，Volume1，7-10 Nov.1995 Pages473-476 vol.1)。以上应用于气体传感器的声表面波振荡器均存在以下一些不足 1.声表面波延迟线本身不能解决声表面波振荡器的模式控制问题，只能依靠外部电路来加以解决，这样必然会使电路复杂，加大了系统的功耗，影响传感器系统的结构紧凑性和温度稳定性。2.已有的声表面波气体传感器所采用的以石英为基片的延迟线，通常是采用常规的单指或者双指结构，造成损耗过高(通常大于20dB)；因此振荡电路就要求采用高增益的射频放大器来补偿器件以及电路中元件损耗。采用高增益的放大器将提高整个系统的功耗，并将直接影响到振荡器的短期频率稳定度，从而将影响到气体传感器的稳定性和灵敏度。3.另外对于采用铌酸锂基片的延迟线结构，由于这种基片具有优越的机电耦合系数，因此以这种材料为基片的延迟线可以获得较低的插入损耗。但是这种基片温度稳定性很差，将产生严重的温度漂移，影响声表面波振荡器的频率稳定度，进而影响到气体传感器的灵敏度。而且通常在采用这种基片的声表面波气体传感器应用中必须具有恒温以及湿度控制装置，这样很明显地增加了电子线路的负担，不符合气体传感器的小型化、便携式的要求。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述传统的声表面波气体传感器中所存在的不足；从而提供一种具有低插入损耗，单一模式控制，良好的温度特性的应用于声表面波气体传感器的声表面波延迟线型振荡器系统；以及该声表面波振荡器系统使用元件量少，电路简单，功耗低，操作方便并且具有优良的频率稳定度。本专利技术的目的是这样实现的本专利技术提供的用于气体传感器的声表面波振本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于气体传感器的声表面波振荡器系统，包括由声表面波延迟线（１）、射频放大器（３）、移相网络（２）组成的声表面波振荡器，和一组由混频器（５）、低频放大器（６）以及低通滤波器（４）组成的混频电路；其特征在于：所述的声表面波振荡器为两组，两组延迟线（１）制作在同一基片（１０）上，声表面波延迟线（１）的输出直接接到移相网络（２）进行起振点相位调节，使起振点对应于声表面波延迟线（１）的最小损耗处，然后将移相网络（２）的输出接入射频放大器（３），经过放大后射频放大器（３）的输出直接反馈到声表面波延迟线（１）的输入端；两组声表面波振荡器的输出接入混频器（５），混频器（５）的输出经过一个低通滤波器（４）过滤高频信号的干扰后，通过低频放大器（６）后输出两组振荡器的差频信号。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：何世堂，王文，李训洲，潘勇，黄启斌，余建华，
申请(专利权)人：中国科学院声学研究所，中国人民解放军防化研究院，
类型：发明
国别省市：11[中国|北京]