一種SAW氣體傳感器電路的製作方法

2023-09-16 23:49:40

本發明涉及一種SAW氣體傳感器電路，適用於工業領域。

背景技術：

氣體傳感器是一種可以感知某種氣體及其濃度的設備，它利用敏感元件與氣體間的吸附關係，將氣體種類及與其濃度有關的信息轉換成為電信號，從而進行環境的檢測、監控、分析、報警等。隨著科技、工業的發展，環境汙染越來越嚴重，如何檢測氣體、監測環境、及時獲知環境中特定氣體的濃度，也越來越受到人們的關注。目前檢測氣體的技術主要有接觸燃燒法、氣相色譜法、紅外吸收法、半導體型檢測法、導熱法、電化學法、光纖法等。但是基於以上方法研製出的設備基本都是價格較貴、體積較大、分析較複雜、耗時較久的，不適用在野外實時監測。而有些可攜式的氣體傳感器，如電阻式半導體型傳感器和電化學傳感器。

也有嚴重的不足。其中電化學傳感器在檢測時，對幹擾氣體也會有響應，會發生誤報，且僅有1～2年的壽命，電阻式半導體型傳感器必須在加熱條件下工作，一般需要300～500℃，這會導致半導體內部晶粒生長，長期將使傳感器性能惡化，而且該種傳感器工作時輸出的是模擬信號，不易與微處理機、計算機等連接。聲表面波(SAW. Surface Acoustic Wave)技術是新型高端傳感器領域非常引人注目的一個分支，它綜合了微電子、材料、物理、信號處理等多種學科，也是傳感器界的後起之秀。

聲表面波被用於氣體傳感器，是在1979年，由Wohltjen和Dessy採用延遲線型SAW振蕩器檢測有毒氣體的基礎上發展起來的，聲面波氣體傳感器測量氣體具有高精度、高靈敏度、便於大量生產、體積小、重量輕、功耗低、結構工藝性好等優點。SAW氣體傳感器也是SAW傳感器中最複雜，涉及學科較廣的傳感器類型。我國自二十世紀70年代初便開始了SAW傳感器的研究，目前中科院微電子所、防化研究院、南京大學、中科院聲學所、上海交通大學等科研單位，在聲表面波的理論和應用等方面投入了大量的人力和物力，並獲得了不錯的成果和進步。

但是，SAW氣體傳感器離應用到現實環境的檢測上還有一段很長的距離，尤其是電路的穩定性、器件的響應時間、傳感器的選擇性等性能指標還達不到國際標準。其中有電路的設計問題，SAW器件的設計問題，也有器件上敏感吸附膜的材料選擇、製備工藝和鍍膜方式等方面的因素。所以對SAW氣體傳感器的研究不僅有很大的理論意義，又有很廣闊的市場前景。

技術實現要素：

本發明提供一種SAW氣體傳感器電路，電路結構較為簡單，SAW器件質量高、重複性好、精度高，穩定性強，電路對微量氣體有較好的檢測效果，克服了現有SAW氣體傳感器電路工作不穩定、效率較低的缺點。

本發明所採用的技術方案是：

SAW氣體傳感器電路採用雙延遲線型SAW器件結構，其中一個通道為敏感通道，另一個通道為參比通道，這種結構可以忽略環境因素(如溫度、溼度等)對傳感器信號的影響。電路包括信號放大電路、功率分配及混頻電路、低通濾波電路、低頻放大電路。

所述信號放大電路使用SGA-6389信號放大器，這种放大器是一種高性能的矽鍺異質結雙極電晶體集成放大器，由於器件產生的信號強度有限，為了使信號在後面的電路中能夠被檢測處理，所以用信號放大電路將信號強度放大。

所述功率分配及混頻電路採用選擇SBTC-2-10功率分配器和ADE-5混頻器，SBTC-2-10功率分配器具有低插損、較好振幅、相位平衡、良好的熱穩定性等優點。ADE-5混頻器具有低變頻損耗、較好的L-R隔離度、較好的三階交調點等優點。由於外界環境如溫度、溼度等因素的改變會影響SAW波速的改變，為消除這些條件帶來的影響，將SAW器件中的一個通道上的延遲線塗覆氣體敏感吸附膜作為敏感通道，另一個通道上不塗覆敏感膜作為參比通道。環境因素對兩個通道的影響基本上是一樣的，所以利用混頻器將兩個信號進行混頻處理後，就能消除環境因素對SAW氣體傳感器的影響。工作時將埠RF及LO埠的輸入頻率進行比較算出其差頻，然後將差頻信號從埠IF輸出。

所述低通濾波電路採用二階低通濾波器，混頻電路其輸出信號往往存在雜波，而信號中有用的部分為低頻信號部分，所以還應將信號進行低通濾波處理，這樣可以去掉信號中不必要的高頻成分，降低採樣頻率，避免頻率混淆，去掉高頻幹擾。低通濾波器是指讓某一頻率以下的信號分量通過，而對該頻率以上的信號分量大大抑制的電容、電感與電阻等器件的組合裝置。濾波器階數不同，其性能也不同。

所述低頻放大電路利用加法器原理，將低通濾波後的信號處於正電壓下放大。由於低通濾波電路中引進了正反饋，所以整個電路的增益受到一定的限制.為了便於信號的採集，還需將信號進行低頻放大。

本發明的有益效果是：電路結構較為簡單，SAW器件質量高、重複性好、精度高，穩定性強，電路對微量氣體有較好的檢測效果，克服了現有SAW氣體傳感器電路工作不穩定、效率較低的缺點。

附圖說明

下面結合附圖和實施例對本發明進一步說明。

圖1是本發明的信號放大電路。

圖2是本發明的功率分配及混頻電路。

圖3是本發明的低通濾波電路。

圖4是本發明的低頻放大電路。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。

如圖1，信號放大電路使用SGA-6389信號放大器，這种放大器是一種高性能的矽鍺異質結雙極電晶體集成放大器，由於器件產生的信號強度有限，為了使信號在後面的電路中能夠被檢測處理，所以用信號放大電路將信號強度放大。

如圖2，功率分配及混頻電路採用選擇SBTC-2-10功率分配器和ADE-5混頻器，SBTC-2-10功率分配器具有低插損、較好振幅、相位平衡、良好的熱穩定性等優點。ADE-5混頻器具有低變頻損耗、較好的L-R隔離度、較好的三階交調點等優點。由於外界環境如溫度、溼度等因素的改變會影響SAW波速的改變，為消除這些條件帶來的影響，我們將SAW器件中的一個通道上的延遲線塗覆氣體敏感吸附膜作為敏感通道，另一個通道上不塗覆敏感膜作為參比通道。環境因素對兩個通道的影響基本上是一樣的，所以利用混頻器將兩個信號進行混頻處理後，就能消除環境因素對SAW氣體傳感器的影響。工作時將埠RF及LO埠的輸入頻率進行比較算出其差頻，然後將差頻信號從埠IF輸出。

如圖3，低通濾波電路採用二階低通濾波器，混頻電路其輸出信號往往存在雜波，而信號中有用的部分為低頻信號部分，所以還應將信號進行低通濾波處理，這樣可以去掉信號中不必要的高頻成分，降低採樣頻率，避免頻率混淆，去掉高頻幹擾。低通濾波器是指讓某一頻率以下的信號分量通過，而對該頻率以上的信號分量大大抑制的電容、電感與電阻等器件的組合裝置。濾波器階數不同，其性能也不同。

如圖4，低頻放大電路利用加法器原理，將低通濾波後的信號處於正電壓下放大。由於低通濾波電路中引進了正反饋，所以整個電路的增益受到一定的限制.為了便於信號的採集，還需將信號進行低頻放大。