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原文传递一种基于延迟线型声表面波传感电路系统设计方法

专利名称：	一种基于延迟线型声表面波传感电路系统设计方法
摘要：	本发明公开了一种基于延迟线型声表面波传感电路系统设计方法，该方法包括以下步骤：一、制作未包含敏感薄膜的延迟线型声表面波器件；二、制作包含敏感薄膜的延迟线型SAW气体传感器；三、选择组成基准振荡发生电路的合适参数；四、选择组成振荡发生电路的合适参数；五、选择组成振荡信号混频处理电路的合适参数；六、选择组成低频信号调理电路的合适参数；七、基准振荡发生电路、振荡发生电路、振荡信号混频处理电路和低频信号调理电路的连接。本发明设计合理，设计的基于延迟线型声表面波传感电路系统功耗低，产生高稳定度传感信号。
专利类型：	发明专利
申请人：	西安科技大学
发明人：	张涛;朱寒;苏晓敏;姜峰;师晓云;曹晓闯;柯贤桐
专利状态：	有效
申请日期：	1900-01-20T10:00:00+0805
发布日期：	1900-01-20T22:00:00+0805
申请号：	CN202010027282.X
公开号：	CN111189910A
代理机构：	西安创知专利事务所
代理人：	谭文琰
分类号：	G01N29/02;H03H3/08;G;H;G01;H03;G01N;H03H;G01N29;H03H3;G01N29/02;H03H3/08
申请人地址：	710054 陕西省西安市雁塔中路58号
主权项：	1.一种基于延迟线型声表面波传感电路系统设计方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤一、制作未包含敏感薄膜的延迟线型声表面波器件：步骤101、选择压电薄膜层(1)，并在压电薄膜层(1)上设置输入叉指换能器(2)与输出叉指换能器(3)，所述输入叉指换能器(2)与输出叉指换能器(3)的结构相同，且输入叉指换能器(2)与输出叉指换能器(3)关于压电薄膜层(1)的中心呈对称布设，所述压电薄膜层(1)的两端涂覆有吸声胶(5)；步骤102、采用引线键合设备对步骤101中得到的延迟线型声表面波器件进行封装，得到未包含敏感薄膜的延迟线型声表面波器件；其中，未包含敏感薄膜的延迟线型声表面波器件的第1引脚为输入叉指换能器(2)的一个引脚，未包含敏感薄膜的延迟线型声表面波器件的第2引脚为输入叉指换能器(2)的接地引脚，未包含敏感薄膜的延迟线型声表面波器件的第4引脚为输出叉指换能器(3)的输出引脚，未包含敏感薄膜的延迟线型声表面波器件的第3引脚为输出叉指换能器(3)的接地引脚；步骤二、制作包含敏感薄膜的延迟线型SAW气体传感器：步骤201、按照步骤101所述的方法，且在输入叉指换能器(2)与输出叉指换能器(3)之间设置敏感薄膜层(4)，所述敏感薄膜层(4)的底面与压电薄膜层(1)的表面相贴合；步骤202、采用引线键合设备对步骤201中得到的延迟线型声表面波器件进行封装，得到包含敏感薄膜的延迟线型声表面波器件；其中，包含敏感薄膜的延迟线型声表面波器件的第1引脚为输入叉指换能器(2)的一个引脚，包含敏感薄膜的延迟线型声表面波器件的第2引脚为输入叉指换能器(2)的接地引脚，包含敏感薄膜的延迟线型声表面波器件的第4引脚为输出叉指换能器(3)的输出引脚，包含敏感薄膜的延迟线型声表面波器件的第3引脚为输出叉指换能器(3)的接地引脚；步骤三、选择组成基准振荡发生电路的合适参数：步骤301、选择集成运算放大器INA1-1、集成运算放大器INA2-1和集成运算放大器INA3-1均为运算放大器INA-02186；步骤302、选择低通滤波器LFCN-1-1和低通滤波器LFCN-2-1均为低通滤波器LFCN-255；步骤303、选择电阻R1-1、电阻R2-1、电阻R3-1、电阻R4-1、电阻R5-1和电阻R6-1的电阻值均为100Ω～110Ω，选择电阻R7-1的电阻值为270Ω～300Ω，选择电阻R8-1的电阻值为430Ω，选择电阻R9-1和电阻R10-1的电阻值均为62Ω；步骤304、选择电容C1-1、电容C2-1和电容C3-1的电容值均为1μF～3μF，选择电容C4-1、电容C5-1和电容C6-1的电容值均为300pF～330pF，选择电容C7-1、电容C8-1、电容C9-1、电容C10-1、电容C11-1和电容C12-1的电容值均为300pF～330pF；步骤305、选择电感L1-1、电感L2-1和电感L3-1的电感值为120nH～124nH，选择电感L4-1、电感L5-1和电感L6-1的电感值为8.2nH；步骤306、将步骤102中的未包含敏感薄膜的延迟线型声表面波器件的第1引脚与电感L4-1的一端连接，将电感L4-1的另一端与电容C7-1的一端连接，将电容C7-1的另一端接到集成放大器INA1-1的输入引脚，集成放大器INA1-1的第2引脚与第4引脚均接地，集成放大器INA1-1的第3引脚与电感L1-1的一端和电容C8-1的一端连接，所述电感L1-1的另一端与电容C4-1的一端、电阻R1-1的一端和电阻R2-1的一端连接，所述电阻R1-1的另一端、电阻R2-1的另一端和电容C1-1的一端均接+9V直流电源，所述电容C4-1的另一端和电容C1-1的另一端均接地；电容C8-1的另一端与低通滤波器LFCN-1-1的第1引脚连接，所述低通滤波器LFCN-1-1的第2引脚和第4引脚接地，所述低通滤波器LFCN-1-1的第3引脚接电容C9-1的一端，所述电容C9-1的一端与集成放大器INA2-1的第1引脚相接，所述集成放大器INA2-1的的第2引脚与第4引脚均接地，集成放大器INA2-1的第3引脚与电感L2-1的一端和电容C10-1的一端连接，所述电感L2-1的另一端与电容C5-1的一端、电阻R3-1的一端和电阻R4-1的一端连接，所述电阻R3-1的另一端、电阻R4-1的另一端和电容C2-1的一端均接+9V直流电源，所述电容C5-1的另一端和电容C2-1的另一端均接地；电容C10-1的另一端与电阻R7-1的一端和电感L6-1的一端连接，电感L6-1的一端接电感L5-1的一端，电感L5-1的另一端接未包含敏感薄膜的延迟线型声表面波器件的第4引脚，所述电阻R7-1的另一端与电阻R8-1的一端和电阻R9-1的一端连接，所述电阻R8-1的另一端与电阻R10-1的一端和电容C11-1的一端连接，所述电阻R9-1的另一端和电阻R10-1的另一端均接地，所述电容C11-1的另一端接集成放大器INA3-1的第1引脚相接，所述集成放大器INA3-1的的第2引脚与第4引脚均接地，集成放大器INA3-1的第3引脚与电容C12-1的一端和电感L3-1的一端相接，所述电容C12-1的另一端与低通滤波器LFCN-2-1的第1引脚连接，所述低通滤波器LFCN-2-1的第2引脚和第4引脚接地，低通滤波器LFCN-2-1的第3引脚为基准振荡发生电路的输出端，电感L3-1的一端的另一端与电容C6-1的一端、电阻R5-1的一端和电阻R6-1的一端连接，所述电阻R5-1的另一端、电阻R6-1的另一端和电容C3-1的一端均接+9V直流电源，所述电容C3-1的另一端和电容C6-1的另一端均接地；步骤四、选择组成振荡发生电路的合适参数：步骤401、选择集成运算放大器INA1-2、集成运算放大器INA2-2和集成运算放大器INA3-2均为运算放大器INA-02186；步骤402、选择低通滤波器LFCN-1-2和低通滤波器LFCN-2-2均为低通滤波器LFCN-255；步骤403、选择电阻R1-2、电阻R2-2、电阻R3-2、电阻R4-2、电阻R5-2和电阻R6-2的电阻值均为100Ω～110Ω，选择电阻R7-2的电阻值为270Ω～300Ω，选择电阻R8-2的电阻值为430Ω，选择电阻R9-2和电阻R10-2的电阻值均为62Ω；步骤404、选择电容C1-2、电容C2-2和电容C3-2的电容值均为1μF～3μF，选择电容C4-2、电容C5-2和电容C6-2的电容值均为300pF～330pF，选择电容C7-2、电容C8-2、电容C9-2、电容C10-2、电容C11-2和电容C12-2的电容值均为300pF～330pF；步骤405、选择电感L1-2、电感L2-2和电感L3-2的电感值为120nH～124nH，选择电感L4-2、电感L5-2和电感L6-2的电感值为8.2nH；步骤406、将步骤202中的包含敏感薄膜的延迟线型声表面波器件的第1引脚与电感L4-2的一端连接，将电感L4-2的另一端与电容C7-2的一端连接，将电容C7-2的另一端接到集成放大器INA1-2的输入引脚，集成放大器INA1-2的第2引脚与第4引脚均接地，集成放大器INA1-2的第3引脚与电感L1-2的一端和电容C8-2的一端连接，所述电感L1-2的另一端与电容C4-2的一端、电阻R1-2的一端和电阻R2-2的一端连接，所述电阻R1-2的另一端、电阻R2-2的另一端和电容C1-2的一端均接+9V直流电源，所述电容C4-2的另一端和电容C1-2的另一端均接地；电容C8-2的另一端与低通滤波器LFCN-1-2的第1引脚连接，所述低通滤波器LFCN-1-2的第2引脚和第4引脚接地，所述低通滤波器LFCN-1-2的第3引脚接电容C9-2的一端，所述电容C9-2的一端与集成放大器INA2-2的第1引脚相接，所述集成放大器INA2-2的的第2引脚与第4引脚均接地，集成放大器INA2-2的第3引脚与电感L2-2的一端和电容C10-2的一端连接，所述电感L2-2的另一端与电容C5-2的一端、电阻R3-2的一端和电阻R4-2的一端连接，所述电阻R3-2的另一端、电阻R4-2的另一端和电容C2-2的一端均接+9V直流电源，所述电容C5-2的另一端和电容C2-2的另一端均接地；电容C10-2的另一端与电阻R7-2的一端和电感L6-2的一端连接，电感L6-2的一端接电感L5-2的一端，电感L5-2的另一端接包含敏感薄膜的延迟线型声表面波器件的第4引脚，所述电阻R7-2的另一端与电阻R8-2的一端和电阻R9-2的一端连接，所述电阻R8-2的另一端与电阻R10-2的一端和电容C11-2的一端连接，所述电阻R9-2的另一端和电阻R10-2的另一端均接地，所述电容C11-2的另一端接集成放大器INA3-2的第1引脚相接，所述集成放大器INA3-2的的第2引脚与第4引脚均接地，集成放大器INA3-2的第3引脚与电容C12-2的一端和电感L3-2的一端相接，所述电容C12-2的另一端与低通滤波器LFCN-2-2的第1引脚连接，所述低通滤波器LFCN-2-2的第2引脚和第4引脚接地，低通滤波器LFCN-2-2的第3引脚为振荡发生电路的输出端，电感L3-2的一端的另一端与电容C6-2的一端、电阻R5-2的一端和电阻R6-2的一端连接，所述电阻R5-2的另一端、电阻R6-2的另一端和电容C3-2的一端均接+9V直流电源，所述电容C3-2的另一端和电容C6-2的另一端均接地；步骤五、选择组成振荡信号混频处理电路的合适参数：步骤501、选择集成混频器为混频器AD831；步骤502、选择电容C25的电容值为1μF，选择电容C34、电容C37、电容C38、电容C39、电容C40、电容C41、电容C44、电容C45、电容C46、电容C47、电容C48和电容C49的电容值为0.1μF～1μF；步骤503、根据得到电容C35和电容C36的电容值；其中，f3dB表示3dB带宽，且f3dB＝1MHz，RE表示混频器AD831的内部阻抗，且RE＝14Ω；步骤504、选择电感L17的电感值为10mH；步骤505、选择电阻R26和电阻R27的电阻值为5kΩ～5.7kΩ，电阻R33和电阻R16的电阻值为51.1Ω，电阻R32的电阻值为1.33kΩ，电阻R30的电阻值为51.1Ω，步骤506、根据得到电阻R28的电阻值和电阻R29的电阻值；步骤507、将混频器AD831的第1引脚与+5V直流电源和电容C34的一端连接，将混频器AD831的第2引脚和第3引脚的连接端接电容C35的一端，电容C35的另一端接+5V直流电源，将混频器AD831的第4引脚接地，将混频器AD831的第5引脚与电容C38的一端和+5V直流电源相接，将混频器AD831的第6引脚接电容C40的一端，电容C40的另一端与电容C39的一端和电感L17的一端连接，电容C39的另一端接电阻R16的一端，电容C39的另一端和电阻R16的一端的连接端为振荡信号混频处理电路的一个输入端，将混频器AD831的第7引脚接电容C41的一端，将混频器AD831的第8引脚接-5V直流电源和电容C45的一端，将混频器AD831的第9引脚接+5V直流电源和电容C49的一端，将混频器AD831的第10引脚接电容C46的一端，将混频器AD831的第11引脚接电阻R33的一端，电容C46的另一端和电阻R33的另一端的连接端为振荡信号混频处理电路的另一个输入端，将混频器AD831的第12引脚接+5V直流电源和电容C48的一端连接，将混频器AD831的第13引脚接地，将混频器AD831的第14引脚接电阻R32的一端，电阻R32的另一端接+5V直流电源和电容C47的一端，将混频器AD831的第15引脚接-5V直流电源和电容C44的一端，将混频器AD831的第16引脚接电阻R30的一端和电阻R29的一端，电阻R30的另一端接电容C25的一端，电容C25的另一端为振荡信号混频处理电路的输出端，将混频器AD831的第17引脚接电阻R29的另一端和电阻R28的一端，将混频器AD831的第18引脚接电阻R28的另一端、电阻R27的一端、电阻R26的一端和电容C27的一端，将混频器AD831的第19引脚和第20引脚的连接端接电容C36的一端，电容C36的另一端接+5V直流电源，电容C38的另一端、电感L17的另一端、电阻R16的另一端、电容C41的另一端、电容C45的另一端、电容C49的另一端、电容C48的另一端、电容C47的另一端、电容C44的另一端、电阻R27的另一端、电容C37的另一端、电容C34的另一端均接地；步骤六、选择组成低频信号调理电路的合适参数：步骤601、选择电阻R4和电阻R10的电阻值为1kΩ～1.2kΩ，选择电阻R9的电阻值为200Ω～220Ω，选择电阻R12的电阻值为50Ω～51Ω；步骤602、根据和得到电阻R13和电阻R15的电阻值；其中，Vr表示衰减器电路的输入电压，Vout表示衰减器电路的输出电压，且N表示衰减器电路的输入输出电压比；步骤603、根据公式得到电阻R14的电阻值；步骤604、选择电阻R5的电阻值为10Ω～20Ω，电阻R6的电阻值为175Ω～200Ω，电阻R7和电阻R8的电阻值均为402Ω～417Ω；步骤605、选择电容C1的电容值为100pF，电容C2、电容C3和电容C6的电容值均为0.1μF～1μF，选择电容C4和电容C5的电容值均为6.8μF～7.3μF；步骤606、将电阻R12的一端与电阻R14的一端和电阻R13的一端连接，电阻R14的另一端与电阻R15的一端连接，电阻R13的另一端与电阻R15的另一端接地，所述电阻R12的另一端为衰减器电路的输入端，电阻R14的另一端与电阻R15的一端连接的连接端为衰减器电路的输出端；步骤607、选择运算放大器OPA354AIDBV为电压跟随器U1；步骤608、选择运算放大器OPA690ID为运算放大器U2；步骤609、选择NPN型晶体三极管为NPN型晶体三极管2N3904，选择施密特触发器为74LS14D施密特触发器；步骤6010、将衰减器电路的输出端与电压跟随器U1的正相输入端连接，将电压跟随器U1的输出端与电压跟随器U1的反相输入端连接，且电压跟随器U1的输出端接电阻R5的一端，电阻R5的另一端接电容C1的一端、电阻R4的一端和电阻R6的一端，电阻R6的另一端接运算放大器U2的正相输入端，运算放大器U2的反相输入端接电阻R7的一端和电阻R8的一端，运算放大器U2的输出端接电容C3的一端、电阻R8的另一端和电阻R9的一端，电阻R9的另一端接NPN型晶体三极管2N3904的基极，NPN型晶体三极管2N3904的发射极接地，NPN型晶体三极管2N3904的集电极接电阻R10的一端和74LS14D施密特触发器的输入端，电阻R10的另一端、电压跟随器U1的正向电源端和运算放大器U2的正向电源端的连接端接+5V直流电源、电容C2的一端和电容C4的一端，电容C3的另一端、电压跟随器U1的负向电源端和运算放大器U2的负向电源端的连接端接-5V直流电源、电容C5的一端和电容C6的一端，电容C2的另一端、电容C4的另一端、电容C5的另一端和电容C6的另一端接地，74LS14D施密特触发器的输出端为低频信号调理电路的输出端；步骤七、基准振荡发生电路、振荡发生电路、振荡信号混频处理电路和低频信号调理电路的连接：将步骤306中基准振荡发生电路的输出端与振荡信号混频处理电路的一个输入端连接，将步骤406中振荡发生电路的输出端与振荡信号混频处理电路的另一个输入端连接，将振荡信号混频处理电路的输出端接衰减器电路的输入端，完成基于延迟线型声表面波传感电路系统设计。 2.按照权利要求1所述的一种基于延迟线型声表面波传感电路系统设计方法，其特征在于：所述输入叉指换能器(2)与输出叉指换能器(3)的材质为Al、Pt、Au或者Mo，所述输入叉指换能器(2)与输出叉指换能器(3)的厚度均为0.01λ，输入叉指换能器(2)与输出叉指换能器(3)中叉指电极的宽度为0.25λ，输入叉指换能器(2)与输出叉指换能器(3)之间的声传播距离为300λ；其中，λ表示声表面波波长，且声表面波波长λ的取值范围为4nm～4000nm。 3.按照权利要求1所述的一种基于延迟线型声表面波传感电路系统设计方法，其特征在于：步骤101中吸声胶(5)为环氧树脂胶，且吸声胶(5)的厚度为0.1mm～0.8mm，压电薄膜层(1)的厚度为0.5μm～0.8μm；步骤201中敏感薄膜层(4)为二氧化锡薄膜层，且敏感薄膜层(4)的厚度为100nm～12nm，敏感薄膜层(4)的两侧距离输入叉指换能器(2)与输出叉指换能器(3)之间均有间隙，压电薄膜层(1)为石英。
所属类别：	发明专利