基于SAWRs的無源無線阻抗負(fù)載傳感器的建模和研究.pdf

1、無源無線聲表面波傳感器被認(rèn)為是最有希望取代有源的無線傳感器，然而到目前為止，通過改變布局圖的方法，或者采用不同聲表面波形式的方法對(duì)拓展其應(yīng)用范圍的作用都是有限的。聲表面波的物理特性決定了被測(cè)量直接施加到其傳播路徑上是最好的，然而有些被測(cè)量不適宜直接施加，限制了其測(cè)量領(lǐng)域。利用阻抗傳感器做為聲表面波器件的負(fù)載，使被測(cè)量施加到阻抗傳感器上，通過負(fù)載的改變來影響聲表面波器件的響應(yīng)，成為擴(kuò)展聲表面波無源無線傳感范圍的新途徑。因此，本文圍繞著基于

2、聲表面波諧振器（簡稱SAWR）的無源無線阻抗負(fù)載型傳感器開展研究，具有重大的理論意義和現(xiàn)實(shí)的應(yīng)用價(jià)值。
　　 論文首先對(duì)無源無線聲表面波傳感器的研究和發(fā)展?fàn)顩r進(jìn)行了綜合評(píng)述。然后采用自內(nèi)到外的思路和樣條插值相結(jié)合的方法提取了SAWR的分立元件等效電路參數(shù)。獲得的結(jié)果是，在主諧振峰，串、并聯(lián)諧振頻率的相對(duì)誤差都為零，串聯(lián)諧振點(diǎn)電導(dǎo)的誤差0.135%；二階諧振頻率的最大誤差為2.88ppm，諧振電導(dǎo)誤差3.67%。
　　 包

3、括諧振點(diǎn)在內(nèi)共2MHz的考查頻率范圍內(nèi)，測(cè)量與計(jì)算特性曲線一致性明顯。
　　 在SAWR 提取參數(shù)的基礎(chǔ)上，確定以最佳匹配的匹配網(wǎng)絡(luò)為研究對(duì)象。按照著眼于整體匹配導(dǎo)納特性的思路，先用雙電抗元件將SAWR 在諧振點(diǎn)頻率附近匹配成等效RLC 串聯(lián)諧振電路，再串聯(lián)阻抗傳感器來獲得穩(wěn)定的低失配匹配網(wǎng)絡(luò)。研究首先表明，阻抗傳感器出現(xiàn)在X3所在的位置對(duì)于獲得穩(wěn)定的低失配是必要的。然后，該匹配網(wǎng)絡(luò)對(duì)應(yīng)電容值0.6～7.5pF的變化范圍可以獲得

4、270KHz的中心頻率變化量，每點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的最小駐波比都在1.015 以下，該特性在雙SAWR結(jié)構(gòu)中得以保持。試驗(yàn)獲得駐波比的平均值小于1.2。
　　 T-CLC型低失配網(wǎng)絡(luò)要求電容傳感器具有初始電容小相對(duì)變化量大的特點(diǎn)。本文在周邊固支的雙振動(dòng)膜模型基礎(chǔ)上，采用中心島型電極結(jié)構(gòu)，通過控制電極/振動(dòng)膜半徑比值m的方法來實(shí)現(xiàn)該要求。研究表明，當(dāng)固定兩振動(dòng)膜的中心位移與初始間距的比值，m增加則電容比按指數(shù)規(guī)律下降。當(dāng)m=0.37，獲得的

5、電容比為10. 將獲得的電容-壓力數(shù)據(jù)帶入前述低失配網(wǎng)絡(luò)，得到具有良好線性度的中心頻率-壓力關(guān)系曲線。
　　 最后，將發(fā)射和接收天線的二端口網(wǎng)絡(luò)模型引入無源無線SAWR 傳感單元，構(gòu)建了可以考察天線間距影響的完整模型。基于該模型，討論了其影響機(jī)制，并提出將天線自阻抗與傳輸線特性阻抗相匹配，可以獲得最小的間距變化對(duì)中心頻率的影響。試驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)采用單SAWR結(jié)構(gòu)，對(duì)應(yīng)約20cm的間距變化范圍，獲得低至-1.75ppm/cm的中心