聲表面波多參數(shù)傳感器系統(tǒng)理論及關鍵技術.pdf

1、傳感器技術是信息技術的關鍵基礎，受到廣泛重視。聲表面波（Surface Acoustic Wave—SAW）傳感器是一種以SAW為信息敏感載體的傳感器，具有敏感精度高、響應時間快、適用范圍寬、體積小等特點，在航空航天、食品衛(wèi)生、環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)藥化工、過程監(jiān)控、軍事安全等領域獲得了廣泛的應用，特別是在生化微量物質(zhì)檢測方面，SAW傳感器顯示了獨特的技術優(yōu)點，受到各國軍方高度重視，已成為當前戰(zhàn)場生化戰(zhàn)劑實時檢測的首選傳感器之一。
　　SA

2、W傳感器具有敏感精度高、響應時間快等諸多突出優(yōu)點，但由于其多參數(shù)信息敏感特性，選擇性差、抗干擾能力弱已成為SAW傳感器無法回避的固有的弱點，在復雜環(huán)境條件中，特別是在戰(zhàn)場生化戰(zhàn)劑實時檢測環(huán)境中，這些固有的弱點將使SAW傳感器的應用受到了極大的限制。因此，解決 SAW傳感器，特別是SAW生化戰(zhàn)劑傳感器的選擇性、抗干擾等問題，已成為當前 SAW傳感器研究的熱點。自2000年開始，在承擔的國家“863”項目“新一代無線通信用SAW器件及材料研

3、究”、國防基礎預先研究項目“SAW技術研究”、國防基金項目“SAW化學傳感器理論與技術研究”等項目的支持下，針對SAW傳感器的選擇性、抗干擾能力等問題，論文作者對SAW傳感器的選擇性、抗干擾能力等問題的理論基礎進行了系統(tǒng)和深入的研究，為博士論文的完成奠定了堅實寬廣的理論基礎和系統(tǒng)深入的專門技術知識。
　　論文從SAW傳感器信息敏感基本理論出發(fā)，深入解剖SAW傳感器信息敏感的物理過程，提出了該過程中信息—信號映射的三個物理過程的劃分

4、及其對應的數(shù)學表達，建立了SAW傳感器信息敏感模型；根據(jù)該信息敏感模型，基于 SAW振蕩器的SAW信號—電信號頻率參數(shù)映射機理，建立了SAW傳感器的信號處理模型；在此基礎上，利用SAW陣列信號提供冗余信息的能力，建立了SAW傳感器的多參數(shù)信息敏感模型和多參數(shù)信號處理模型—K矩陣，從而建立了一套基于多參數(shù)信息敏感和識別的SAW傳感器系統(tǒng)分析和設計的理論基礎；以此理論模型為基礎，研究了多參數(shù)擾動條件下SAW化學傳感器系統(tǒng)設計的關鍵技術，并設

5、計實現(xiàn)了溫度擾動條件下用于沙淋(Sarin)(濃度低于1ppm)氣體檢測的SAW傳感器系統(tǒng)，并對系統(tǒng)在單、多參數(shù)擾動下的性能進行了測試和分析。
　　論文的基本內(nèi)容：
　　1 SAW傳感器多參數(shù)信息敏感的理論基礎
　　SAW的壓電振動理論、SAW傳感器的擾動理論、SAW器件分析設計理論，分析了SAW信息敏感器件多參數(shù)信息敏感的理論基礎，為SAW傳感器多參數(shù)信息敏感系統(tǒng)的數(shù)學分析模型的建立奠定了理論基礎。
　　2 S

6、AW傳感器信息敏感和信號處理模型建立
　　提出了SAW傳感器信息—信號映射過程的三個劃分：
　　(1)外界擾動量I(信息)到壓電基片物理參數(shù)ɑ的映射；
　　(2)壓電基片物理參數(shù)ɑ到SAW信號參數(shù)變化的映射；
　　(3) SAW信號參數(shù)變化到電信號參數(shù)變化的映射。
　　通過對SAW傳感器信息—信號映射過程的三個劃分，獲得了SAW傳感器信息敏感失真的主要環(huán)節(jié)，即外界擾動量I到壓電基片物理參數(shù)ɑ映射。基于壓電基

7、片物理參數(shù)對擾動量的“度量”這一概念，提出了描述上述三個映射過程的數(shù)學表達，基于這三個數(shù)學表達式，建立了SAW傳感器的信息敏感模型。
　　在此信息敏感模型的基礎上，基于SAW振蕩器的電信號頻率參數(shù)映射能力，建立了SAW傳感器的基于信息—電信號頻率參數(shù)的信號處理模型。該模型反映了SAW傳感器失真信息敏感的本質(zhì)、多參數(shù)信息敏感特征以及 SAW傳感器的抗干擾和誤報率性能的理論基礎。
　　3 SAW多參數(shù)傳感器信息敏感和信號處理模型

8、建立
　　基于SAW傳感器信息敏感模型和空間陣列信號提供冗余信息的能力，建立了具有多參數(shù)信息敏感的SAW傳感器多參數(shù)信息敏感模型；基于SAW振蕩器的電信號頻率參數(shù)映射能力，把通過SAW敏感器件加載于SAW信號上的任一多參數(shù)擾動D映射為電信號頻率參數(shù) wD，建立起了I jD到 wD的信號處理模型；基于此I j并根據(jù) SAW傳感器多參數(shù)信息敏感模型，建立起了時空相關擾動矢量△I到電信號頻率矢量△ω映射的SAW多參數(shù)傳感器信號處理模型—

9、K矩陣，奠定了SAW多參數(shù)傳感器系統(tǒng)的分析和設計理論基礎。
　　4 SAW微量化學氣體傳感器系統(tǒng)設計及關鍵技術研究
　　對溫度(T)、沙林(G系列)等多擾動的SAW多參數(shù)傳感器的功能要求、性能指標、環(huán)境制約、工藝制約等進行了系統(tǒng)的分析。對影響系統(tǒng)敏感精度、響應速度和信息識別能力等性能指標的關鍵技術，包括 SAW敏感器件陣列設計、SAW振蕩器設計、化學吸附膜材料的制備、吸附膜涂覆工藝、SAW傳感器的結(jié)構(gòu)設計、SAW傳感器的信號

10、處理與檢測等進行了深入研究，獲得了針對本試驗系統(tǒng)性能目標的基本設計要求和最佳設計參數(shù)。SAW延遲線器件的最佳結(jié)構(gòu)設計參數(shù)和它的最小Q值要求、SAW振蕩器的最佳工作頻率范圍和最小頻率穩(wěn)定度、化學吸附膜材料的最佳吸附方式和其特性的紅外表征、化學吸附膜材料的最佳涂覆工藝和旋涂工藝的最佳旋轉(zhuǎn)速度、SAW傳感器的最佳信號檢測方式以及 SAW傳感器的結(jié)構(gòu)設計等。在以上分析、研究的基礎上，提出了溫度(T)、沙林(G)擾動SAW多參數(shù)傳感器系統(tǒng)的總體設

11、計方案，奠定了SAW微量化學氣體傳感器系統(tǒng)設計的技術基礎。
　　5 SAW微量化學氣體傳感器系統(tǒng)實現(xiàn)及試驗
　　根據(jù)上述SAW多參數(shù)傳感器系統(tǒng)的總體設計方案，實現(xiàn)了SAW微量化學氣體傳感器系統(tǒng)。并根據(jù)SAW微量化學氣體傳感器系統(tǒng)的性能要求，設計了對部件性能、溫度T敏感性能、G化學氣體敏感性能以及T、G多參數(shù)擾動敏感性能等進行測試的試驗系統(tǒng)和方法?；谠撛囼炏到y(tǒng)和方法，對傳感器系統(tǒng)的部件、溫度T敏感、G化學氣體敏感以及T、G多

12、參數(shù)擾動敏感等性能進行了測試。
　　6 SAW微量化學氣體傳感器系統(tǒng)性能分析
　　對SAW微量化學氣體傳感器系統(tǒng)的高穩(wěn)晶體振蕩器、SAW器件溫度變化、SAW振蕩器的溫度變化、化學吸附膜對SAW器件的影響、溫度(T)敏感、沙淋(G)化學氣體敏感以及 T、G多參數(shù)擾動敏感等性能的測試數(shù)據(jù)進行定性和定量地分析。根據(jù)測試數(shù)據(jù)近似計算出了SAW多參數(shù)傳感器溫度(T)、沙林(G)敏感精度和識別誤差，結(jié)果表明：系統(tǒng)完全達到了要求性能參數(shù)，

13、證明了本文提出的SAW多參數(shù)傳感器系統(tǒng)分析模型的有效性。
　　論文基于信息敏感“度量”概念，針對SAW傳感器的高誤報率和低抗干擾性能，對SAW傳感器課題的研究成果進行了系統(tǒng)的分析和總結(jié)，創(chuàng)新性地提出并建立了基于多參數(shù)信息敏感的SAW傳感器系統(tǒng)的完整的數(shù)學分析模型，奠定了SAW多參數(shù)傳感器系統(tǒng)的設計和分析的理論和技術基礎；針對當前對沙淋（G）實時檢測的需要，深入研究了影響SAW傳感器性能的關鍵技術，完成了國內(nèi)首個沙淋（G）和溫度（T

14、）多參數(shù)擾動下的SAW微量化學氣體傳感器系統(tǒng)的研制，其中“863”項目“新一代無線通信用SAW器件及材料研究”已于2006年通過國家科委組織的鑒定，課題成果獲得2007年度國家發(fā)明二等獎；國防基金項目“SAW化學傳感器理論與技術研究”項目于2007年6月通過部級鑒定，鑒定結(jié)論為“項目研究成果屬國內(nèi)首創(chuàng)，達到國際先進水平”；國防基礎預先研究項目“SAW技術研究”已取得關鍵技術突破，將于近期向用戶提供 SAW傳感器檢測器芯片產(chǎn)品，滿足用戶需