聲表面波多參數(shù)傳感器系統(tǒng)理論及關(guān)鍵技術(shù).pdf

1、傳感器技術(shù)是信息技術(shù)的關(guān)鍵基礎(chǔ)，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(yīng)時(shí)間快、適用范圍寬、體積小等特點(diǎn)，在航空航天、食品衛(wèi)生、環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)藥化工、過(guò)程監(jiān)控、軍事安全等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，特別是在生化微量物質(zhì)檢測(cè)方面，SAW傳感器顯示了獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，受到各國(guó)軍方高度重視，已成為當(dāng)前戰(zhàn)場(chǎng)生化戰(zhàn)劑實(shí)時(shí)檢測(cè)的首選傳感器之一。
　　SA

2、W傳感器具有敏感精度高、響應(yīng)時(shí)間快等諸多突出優(yōu)點(diǎn)，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(wú)法回避的固有的弱點(diǎn)，在復(fù)雜環(huán)境條件中，特別是在戰(zhàn)場(chǎng)生化戰(zhàn)劑實(shí)時(shí)檢測(cè)環(huán)境中，這些固有的弱點(diǎn)將使SAW傳感器的應(yīng)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(dāng)前 SAW傳感器研究的熱點(diǎn)。自2000年開始，在承擔(dān)的國(guó)家“863”項(xiàng)目“新一代無(wú)線通信用SAW器件及材料研

3、究”、國(guó)防基礎(chǔ)預(yù)先研究項(xiàng)目“SAW技術(shù)研究”、國(guó)防基金項(xiàng)目“SAW化學(xué)傳感器理論與技術(shù)研究”等項(xiàng)目的支持下，針對(duì)SAW傳感器的選擇性、抗干擾能力等問題，論文作者對(duì)SAW傳感器的選擇性、抗干擾能力等問題的理論基礎(chǔ)進(jìn)行了系統(tǒng)和深入的研究，為博士論文的完成奠定了堅(jiān)實(shí)寬廣的理論基礎(chǔ)和系統(tǒng)深入的專門技術(shù)知識(shí)。
　　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(guò)程，提出了該過(guò)程中信息—信號(hào)映射的三個(gè)物理過(guò)程的劃分

4、及其對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)表達(dá)，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(hào)—電信號(hào)頻率參數(shù)映射機(jī)理，建立了SAW傳感器的信號(hào)處理模型；在此基礎(chǔ)上，利用SAW陣列信號(hào)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(hào)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(shí)別的SAW傳感器系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)；以此理論模型為基礎(chǔ)，研究了多參數(shù)擾動(dòng)條件下SAW化學(xué)傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵技術(shù)，并設(shè)

5、計(jì)實(shí)現(xiàn)了溫度擾動(dòng)條件下用于沙淋(Sarin)(濃度低于1ppm)氣體檢測(cè)的SAW傳感器系統(tǒng)，并對(duì)系統(tǒng)在單、多參數(shù)擾動(dòng)下的性能進(jìn)行了測(cè)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(chǔ)
　　SAW的壓電振動(dòng)理論、SAW傳感器的擾動(dòng)理論、SAW器件分析設(shè)計(jì)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(chǔ)，為SAW傳感器多參數(shù)信息敏感系統(tǒng)的數(shù)學(xué)分析模型的建立奠定了理論基礎(chǔ)。
　　2 S

6、AW傳感器信息敏感和信號(hào)處理模型建立
　　提出了SAW傳感器信息—信號(hào)映射過(guò)程的三個(gè)劃分：
　　(1)外界擾動(dòng)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(hào)參數(shù)變化的映射；
　　(3) SAW信號(hào)參數(shù)變化到電信號(hào)參數(shù)變化的映射。
　　通過(guò)對(duì)SAW傳感器信息—信號(hào)映射過(guò)程的三個(gè)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(dòng)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(duì)擾動(dòng)量的“度量”這一概念，提出了描述上述三個(gè)映射過(guò)程的數(shù)學(xué)表達(dá)，基于這三個(gè)數(shù)學(xué)表達(dá)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(chǔ)上，基于SAW振蕩器的電信號(hào)頻率參數(shù)映射能力，建立了SAW傳感器的基于信息—電信號(hào)頻率參數(shù)的信號(hào)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(bào)率性能的理論基礎(chǔ)。
　　3 SAW多參數(shù)傳感器信息敏感和信號(hào)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(hào)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(hào)頻率參數(shù)映射能力，把通過(guò)SAW敏感器件加載于SAW信號(hào)上的任一多參數(shù)擾動(dòng)D映射為電信號(hào)頻率參數(shù) wD，建立起了I jD到 wD的信號(hào)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(shí)空相關(guān)擾動(dòng)矢量△I到電信號(hào)頻率矢量△ω映射的SAW多參數(shù)傳感器信號(hào)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(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)。
　　4 SAW微量化學(xué)氣體傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)及關(guān)鍵技術(shù)研究
　　對(duì)溫度(T)、沙林(G系列)等多擾動(dòng)的SAW多參數(shù)傳感器的功能要求、性能指標(biāo)、環(huán)境制約、工藝制約等進(jìn)行了系統(tǒng)的分析。對(duì)影響系統(tǒng)敏感精度、響應(yīng)速度和信息識(shí)別能力等性能指標(biāo)的關(guān)鍵技術(shù)，包括 SAW敏感器件陣列設(shè)計(jì)、SAW振蕩器設(shè)計(jì)、化學(xué)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(shè)計(jì)、SAW傳感器的信號(hào)

10、處理與檢測(cè)等進(jìn)行了深入研究，獲得了針對(duì)本試驗(yàn)系統(tǒng)性能目標(biāo)的基本設(shè)計(jì)要求和最佳設(shè)計(jì)參數(shù)。SAW延遲線器件的最佳結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)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(xué)吸附膜材料的最佳吸附方式和其特性的紅外表征、化學(xué)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(hào)檢測(cè)方式以及 SAW傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等。在以上分析、研究的基礎(chǔ)上，提出了溫度(T)、沙林(G)擾動(dòng)SAW多參數(shù)傳感器系統(tǒng)的總體設(shè)

11、計(jì)方案，奠定了SAW微量化學(xué)氣體傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)的技術(shù)基礎(chǔ)。
　　5 SAW微量化學(xué)氣體傳感器系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)及試驗(yàn)
　　根據(jù)上述SAW多參數(shù)傳感器系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了SAW微量化學(xué)氣體傳感器系統(tǒng)。并根據(jù)SAW微量化學(xué)氣體傳感器系統(tǒng)的性能要求，設(shè)計(jì)了對(duì)部件性能、溫度T敏感性能、G化學(xué)氣體敏感性能以及T、G多參數(shù)擾動(dòng)敏感性能等進(jìn)行測(cè)試的試驗(yàn)系統(tǒng)和方法?；谠撛囼?yàn)系統(tǒng)和方法，對(duì)傳感器系統(tǒng)的部件、溫度T敏感、G化學(xué)氣體敏感以及T、G多

12、參數(shù)擾動(dòng)敏感等性能進(jìn)行了測(cè)試。
　　6 SAW微量化學(xué)氣體傳感器系統(tǒng)性能分析
　　對(duì)SAW微量化學(xué)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(xué)吸附膜對(duì)SAW器件的影響、溫度(T)敏感、沙淋(G)化學(xué)氣體敏感以及 T、G多參數(shù)擾動(dòng)敏感等性能的測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行定性和定量地分析。根據(jù)測(cè)試數(shù)據(jù)近似計(jì)算出了SAW多參數(shù)傳感器溫度(T)、沙林(G)敏感精度和識(shí)別誤差，結(jié)果表明：系統(tǒng)完全達(dá)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(duì)SAW傳感器的高誤報(bào)率和低抗干擾性能，對(duì)SAW傳感器課題的研究成果進(jìn)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(xué)分析模型，奠定了SAW多參數(shù)傳感器系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和分析的理論和技術(shù)基礎(chǔ)；針對(duì)當(dāng)前對(duì)沙淋（G）實(shí)時(shí)檢測(cè)的需要，深入研究了影響SAW傳感器性能的關(guān)鍵技術(shù)，完成了國(guó)內(nèi)首個(gè)沙淋（G）和溫度（T

14、）多參數(shù)擾動(dòng)下的SAW微量化學(xué)氣體傳感器系統(tǒng)的研制，其中“863”項(xiàng)目“新一代無(wú)線通信用SAW器件及材料研究”已于2006年通過(guò)國(guó)家科委組織的鑒定，課題成果獲得2007年度國(guó)家發(fā)明二等獎(jiǎng)；國(guó)防基金項(xiàng)目“SAW化學(xué)傳感器理論與技術(shù)研究”項(xiàng)目于2007年6月通過(guò)部級(jí)鑒定，鑒定結(jié)論為“項(xiàng)目研究成果屬國(guó)內(nèi)首創(chuàng)，達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平”；國(guó)防基礎(chǔ)預(yù)先研究項(xiàng)目“SAW技術(shù)研究”已取得關(guān)鍵技術(shù)突破，將于近期向用戶提供 SAW傳感器檢測(cè)器芯片產(chǎn)品，滿足用戶需