一種聲表面波溫度傳感應答器的制造方法
【專利摘要】一種聲表面波諧振器型溫度傳感應答器，采用兩個同頻段聲表面波諧振器，一個為溫度敏感諧振器，而另一個為對溫度不敏感的基準諧振器，其諧振頻率在溫度敏感諧振器諧振頻率的變化范圍外；兩諧振器通過匹配網(wǎng)絡連接到同一根天線。雙諧振器型溫度傳感應答器，克服了現(xiàn)有單諧振器型溫度傳感應答器回波頻率與閱讀距離有關及高頻頻率精度測量要求高的不足。
【專利說明】一種聲表面波溫度傳感應答器
【技術領域】
[0001]本實用新型屬于聲表面波傳感器，具體而言，是一種聲表面波諧振器型溫度傳感應答器。
【背景技術】
[0002]聲表面波諧振器利用在壓電基片上制作的叉指換能器和周期反射柵陣等金屬電極結構形成聲表面波諧振腔，基于(逆)壓電效應實現(xiàn)電學諧振的無源電子元件，已在現(xiàn)代電子【技術領域】中得到廣泛應用。
[0003]由于聲表面波諧振器的固有諧振頻率會被所處環(huán)境溫度影響而產(chǎn)生微弱變化(圖1)，其變化幅度主要取決于壓電基片溫度特性。檢測此頻率變化就可推知環(huán)境溫度的改變，即聲表面波諧振器具有輸出準數(shù)字信號的溫度傳感功能。
[0004]由于聲表面波器件的叉指換能器，能直接連接天線，收發(fā)無線電波，具有無線通信功能，所以聲表面波諧振器是最簡單的無線無源溫度傳感器件。
[0005]聲表面波無線溫度傳感器系統(tǒng)，基于超高頻電磁波反向散射探測機理，采用聲表面波諧振器作為溫度敏感元件，具有小型無源和全天候應用特點，能應用于智能電網(wǎng)、食品安全等民用領域，實現(xiàn)聯(lián)網(wǎng)實時監(jiān)測相關環(huán)境溫度，將在未來物聯(lián)網(wǎng)發(fā)展中發(fā)揮其獨特作用。
[0006]基于聲表面波諧振器的無線溫度傳感系統(tǒng)由應答器和閱讀器組成(圖2)。閱讀器是一雷達類電子設備，應答器僅由聲表面波諧振器和天線封裝而成(圖3)，其中電感作用是匹配和防干擾。系統(tǒng)工作原理如下:閱讀器主動發(fā)射一個激勵載波脈沖，應答器天線接收后饋電到聲表面波諧振器，使其產(chǎn)生受迫振蕩，并發(fā)回激勵脈沖響應回波(圖4左部波形)，同時儲存電磁波能量在聲表面波諧振器內(nèi)。激勵脈沖發(fā)射完后，應答器的聲表面波諧振器將以其固有諧振頻率向外發(fā)射其儲存的電磁波能量，形成諧振器傳感響應回波(圖4右部波形)。應答器傳感響應回波為一幅度衰減的調(diào)幅高頻信號，由于此回波高頻頻率是受環(huán)境溫度影響的聲表面波諧振器的固有特征，已攜帶有環(huán)境溫度參量的影響，所以閱讀器接收回波后經(jīng)過處理即可得到環(huán)境溫度參量實時值，完成待測環(huán)境溫度無線傳感功能。
[0007]現(xiàn)今單聲表面波諧振器型溫度傳感器已在電網(wǎng)等強干擾環(huán)境中得到應用，因需要直接測量射頻回波頻率，對閱讀器頻率測量技術要求高。
[0008]另外已發(fā)現(xiàn)由于通信鏈路的影響，采用單個諧振器的應答器，回波頻率會隨閱讀距離不同而發(fā)生變化(圖5)，如應用在移動閱讀時，會使傳感精度大大降低，甚至可能造成無線傳感功能喪失。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0009]如前述，現(xiàn)有單聲表面波諧振器的無線溫度傳感系統(tǒng)，有兩個不足:一是移動應用有問題，二是要求應答器的高頻頻率測試精度高。為此，本專利提出采用雙聲表面波諧振器組成無線傳感應答器是較好的技術方案(圖6)。[0010]一種聲表面波諧振器型溫度傳感應答器，其特征是:采用兩個同頻段聲表面波諧振器，一個為溫度敏感諧振器，而另一個為對溫度不敏感的基準諧振器，其諧振頻率在溫度敏感諧振器諧振頻率的變化范圍外。
[0011]一種聲表面波諧振器型溫度傳感應答器，其特征是:所述兩諧振器通過匹配網(wǎng)絡連接到同一根天線。
[0012]傳感響應回波，是兩個聲表面波諧振器諧振頻率的合成，含有其差頻信號。由于兩諧振器中的基準諧振器諧振頻率不對環(huán)境溫度敏感，差頻變化值就是溫度敏感諧振器諧振頻率的相對變化量，即應答器所處環(huán)境溫度的度量。測量此差頻，就完成溫度無線遙測，測量技術要求降低許多。
[0013]由于溫度傳感信息為差頻信號所攜帶，而兩諧振器電阻抗特性是一致的，所以無線鏈路的影響完全抵消了。
[0014]所以本發(fā)明解決了現(xiàn)有單諧振器型溫度傳感應答器的不足。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]圖1溫度檢測用聲表面波諧振器諧振頻率的溫度特性。
[0016]圖2聲表面波溫度傳感系統(tǒng)。
[0017]圖3現(xiàn)有的單聲表面波諧振器型溫度傳感應答器電路。
[0018]圖4聲表面波溫度傳感系統(tǒng)應答器回波。
[0019]圖5單聲表面波諧振器型溫度傳感應答器諧振頻率與閱讀器距離的關系。
[0020]圖6本發(fā)明:雙聲表面波諧振器型溫度傳感應答器。
[0021 ] 圖7聲表面波諧振器示意。
[0022]圖8具有負溫度系數(shù)的石英溫度敏感聲表面波諧振器的頻率溫度曲線。
[0023]圖9具有正溫度系數(shù)的石英溫度敏感聲表面波諧振器的頻率溫度曲線。
[0024]圖10諧振器LC匹配網(wǎng)絡。
[0025]圖11諧振器LC匹配效果。
【具體實施方式】
[0026]以下結合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。
[0027]如圖6所示，為本發(fā)明雙聲表面波諧振器型溫度傳感應答器的電路，本發(fā)明的第一個特征是:采用兩個同頻段聲表面波諧振器，一個為溫度敏感諧振器，而另一個為對溫度不敏感的基準諧振器，其諧振頻率在溫度敏感諧振器諧振頻率的變化范圍外。
[0028]聲表面波諧振器(圖7)利用在壓電基片上制作的叉指換能器(IDT)和周期反射柵陣(反射器)等金屬電極結構形成聲表面波諧振腔，基于(逆)壓電效應實現(xiàn)電學諧振的無源電子元件，已在現(xiàn)代電子【技術領域】中得到廣泛應用。
[0029]目前制作聲表面波諧振器的壓電基片主要為石英、鈮酸鋰和鉭酸鋰等單晶，都是各向異性晶體材料，隨其切型切向不同，其材料特性會有較大差異，例如石英，其頻率溫度系數(shù)可在±50 μμι/Κ范圍變化。選擇適當切型切向的壓電基片，可滿足應用要求。
[0030]圖8為具有負頻率溫度系數(shù)(-21.4 ppm/K)的石英溫度敏感聲表面波諧振器的諧振頻率溫度特性，而圖9為具有正頻率溫度系數(shù)(22 ppm/K)的石英溫度敏感聲表面波諧振器的諧振頻率溫度特性。
[0031]精心選擇石英基片和器件工藝，商品化石英聲表面波諧振器的一次頻率溫度系數(shù)為零，二次溫度系數(shù)僅為0.02 ppm /K2，已在聲表面波振蕩電路中得到廣泛應用，本專利采用此種類型諧振器作為應答器的基準諧振器。
[0032]無線遙測設備使用的無線頻段，是受各國嚴格管制的，一般為434MHz，868MHz，915MHz 和 2.45GHz 等頻段。
[0033]一個具體實施方案采用了 434MHz頻段，溫度測試范圍為(_40°C~80°C)。其中溫度敏感諧振器采用了正頻率溫度系數(shù)為22 ppm/K的石英諧振器，室溫(20°C )諧振頻率為434.1MHz，溫度敏感范圍為(433.5MHz~434.7MHz)共1.2MHz。故可取基準諧振器的室溫諧振頻率為433.3MHz，室溫差頻0.8MHz，最大差頻1.4MHz，最小差頻0.2MHz。
[0034]傳感響應回波，是兩個聲表面波諧振器諧振頻率的合成，含有其差頻信號。由于兩諧振器中的基準諧振器諧振頻率不對環(huán)境溫度敏感，差頻變化值就是溫度敏感諧振器諧振頻率相對變化量，即應答器所處環(huán)境溫度的度量。測量此差頻，就完成溫度無線遙測，測量技術要求降低許多。
[0035]本發(fā)明的進一步的特征是:所述兩諧振器通過匹配網(wǎng)絡連接到同一根天線。
[0036]雙諧振器傳感應答器中，兩諧振器和天線都是并聯(lián)的，聲表面波諧振器的阻抗與天線阻抗一般相差較大，采用匹配網(wǎng)絡對平衡諧振器特性及極大化傳感組件的傳感響應是有益的。
[0037]現(xiàn)今的單電感聲表面波器件匹配網(wǎng)絡，匹配效果差。雙元件gamma型匹配網(wǎng)絡拓撲可以有四種:雙電容、雙電感和電感電容，但以圖10所示的串電容并電感的組態(tài)為優(yōu)，因為并聯(lián)電感還能起器件保護作用。圖11是聲表面波諧振器采用LC雙元件匹配前后的Sll性能比較，說明匹配效果明顯。
[0038]雖然本發(fā)明已以較佳實施例公開如上，但附圖和實施例并不是用來限定本發(fā)明，任何熟悉此技藝者，在不脫離本發(fā)明之精神和范圍內(nèi)，自當可作各種變化或潤飾，但同樣在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。因此本發(fā)明的保護范圍應當以本申請的權利要求書所界定的為準。
【權利要求】
1.一種聲表面波溫度傳感應答器，其特征在于:采用兩個同頻段聲表面波諧振器，一個為溫度敏感諧振器，而另一個為對溫度不敏感的基準諧振器，其諧振頻率在溫度敏感諧振器諧振頻率的變化范圍外；所述兩個同頻段聲表面波諧振器通過匹配網(wǎng)絡連接到同一根天線； 所述聲表面波諧振器利用在壓電基片上制作的叉指換能器和周期反射柵陣金屬電極結構形成聲表面波諧振腔； 雙諧振器傳感應答器中，兩諧振器和天線都是并聯(lián)的。
【文檔編號】G01K11/26GK203606038SQ201320625502
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2013年10月11日 優(yōu)先權日:2013年10月11日
【發(fā)明者】陳培杕, 朱衛(wèi)俊, 夏前亮 申請人:中國電子科技集團公司第五十五研究所