一種新型高頻率穩(wěn)定度的SAW振蕩器_圖文

1、收稿日期:2005203218作者簡(jiǎn)介:王文(19762,男,湖南沅江人,博士生,研究方向:聲表面波傳感器。文章編號(hào):100422474(20060520499203一種新型高頻率穩(wěn)定度的SAW 振蕩器王文,何世堂,李順洲,劉明華(中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)所,北京100080摘要:作為聲表面波(SAW 氣體傳感器的關(guān)鍵元件,SAW 振蕩器的頻率穩(wěn)定度直接影響到傳感器的靈敏度和檢測(cè)下限。因此,提高SAW 振蕩器的頻率穩(wěn)定度是傳感器研究的關(guān)鍵。該文在ST 石英基片上研制了一種具有低插入損耗(10dB 內(nèi)、單一模式控制的SAW 雙延遲線及振蕩器,其頻率穩(wěn)定度達(dá)0.1×10-6量級(jí),同時(shí)還分析了作為頻

2、控元件的延遲線品質(zhì)因數(shù)及振蕩電路溫度對(duì)振蕩器頻率穩(wěn)定度的影響。關(guān)鍵詞:聲表面波;雙延遲線;振蕩器;頻率穩(wěn)定度中圖分類號(hào):O426.9文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:AA N e w High Frequency Stability SAW OscillatorWANG Wen ,HE Shi 2tang ,L I Shun 2zhou ,L IU Ming 2hua(Institute of Acoustics ,The Chinese Academy of Sciences ,Beijing 100080,China Abstract :As the key component of surface acous

3、tic wave (SAW gas sensor ,the frequency stability of SAW os 2cillator affects directly the sensitivity and threshold detection level.Thus ,the improvement of SAW oscillator f re 2quency stability is the key to SAW gas sensor research.A new oscillator with high frequency stability (0.1×10-6based

4、 on SAW dual delay 2line on ST 2X quartz with low insertion loss (within 10dB and single 2mode control was developed.In addition ,the effects to the frequency stability resulting f rom the quality factor (expressed by Q 2value of SAW delay line and temperature of the oscillator circuit system are de

5、scribed ,and the ways of improving the f re 2quency stability of the SAW oscillator are investigated.K ey w ords :SAW ;delay line ;oscillator ;stability自1979年Wohltjen 等人首次報(bào)道了聲表面波(SA W 氣體傳感器研究以來,就成為人們密切關(guān)注的焦點(diǎn)1。作為傳感器的關(guān)鍵元件,SA W 振蕩器的頻率穩(wěn)定度直接影響到傳感器的檢測(cè)下限和靈敏度等指標(biāo)。目前應(yīng)用于SA W 氣體傳感器的振蕩器大致有兩種:一種是SAW 延遲線型振蕩器,另外一種是S

6、AW 諧振器型振蕩器。M.Raap 及A.Mau 2der 等人先后對(duì)這兩種類型的振蕩器的性能進(jìn)行了對(duì)比223,SA W 諧振器具有高品質(zhì)因數(shù)(Q 和低損耗的特點(diǎn),由它作為頻控元件組成的振蕩器容易起振。但是諧振器利用了聲波的多次反射,傳感器敏感膜材料對(duì)聲波的吸收的影響比利用直達(dá)聲波的延遲線要大,導(dǎo)致聲波有較大的衰減,從而增加了傳感器檢測(cè)的不穩(wěn)定性。同時(shí)諧振器型振蕩器易受外圍電子線路相位的影響,且難以規(guī)范提供傳感器所需要的傳感區(qū)域,因此在實(shí)際應(yīng)用中,一般SA W 氣體傳感器采用的是延遲線型振蕩器。但目前應(yīng)用于氣體傳感器的SA W 延遲線插損大且不能實(shí)現(xiàn)模式選擇功能,直接影響到振蕩器的頻率穩(wěn)定度,

7、進(jìn)而影響到傳感器的性能指標(biāo)。本文在ST 石英基片上研制了一種具有低插入損耗(其插入損耗在10dB 以內(nèi)、單一模式控制的SAW 雙延遲線振蕩器。并探討了延遲線Q 值及系統(tǒng)溫度對(duì)于這種振蕩器頻率穩(wěn)定度的影響,提出了改善其頻率穩(wěn)定度的方法;本文所研制的158M Hz 頻段上的SAW 雙延遲線型振蕩器中期頻率穩(wěn)定度達(dá)10-7量級(jí)。1工作原理通常應(yīng)用于氣體傳感器的SAW 延遲線型振蕩器采用雙延遲線結(jié)構(gòu),其基本原理框圖如圖1所示,它包括兩個(gè)振蕩環(huán)路和一個(gè)混頻器,其中振蕩環(huán)路由SA W 延遲線、放大器和相移器組成。 在滿足振圖1SAW 雙延遲線結(jié)構(gòu)的振蕩器框圖幅條件和相位條件即增益大于損耗、環(huán)路相移為2的整

8、數(shù)倍時(shí)產(chǎn)生振蕩。高頻率穩(wěn)定性的SA W 振蕩第28卷第5期壓電與聲光Vol.28No.52006年10月PIEZO EL ECTECTRICS &ACOUSTOOPTICSOct.2006器的優(yōu)化設(shè)計(jì)主要集中在以下兩個(gè)方面:一是SAW 延遲線的優(yōu)化,二是環(huán)路振蕩電路的設(shè)計(jì)。2SA W 振蕩器的優(yōu)化設(shè)計(jì)SAW 振蕩器由作為頻控元件的SAW 延遲線和相關(guān)振蕩電路組成。因此對(duì)于SA W 振蕩器的研制主要集中在SAW 延遲線的設(shè)計(jì)制作以及相關(guān)振蕩環(huán)路的設(shè)計(jì)。2.1SAW 延遲線的設(shè)計(jì)本文設(shè)計(jì)了一種158M Hz 頻段上兩種不同Q 值作為振蕩器頻控元件的SAW 延遲線,其基片采用ST 2X 石英

9、。其幅頻響應(yīng)與相頻響應(yīng)曲線如圖2所示。與傳統(tǒng)的應(yīng)用于SA W 氣體傳感器的SAW 延遲線相比,它們具有如下特點(diǎn) :圖2158M Hz 頻段上Q 值延遲線的幅頻和相頻響應(yīng)曲線(1低插入損耗。由于延遲線基片的溫度特性直接影響振蕩器的中期頻率穩(wěn)定性4,因此在實(shí)際應(yīng)用中一般采用低延遲溫度系數(shù)的石英材料作為基片。但這種基片的機(jī)電耦合系數(shù)很小,另外雙向換能器結(jié)構(gòu)使得延遲線損耗一般都在20dB 以上。近年來,隨著SAW 技術(shù)的迅速發(fā)展,許多降低器件插入損耗的新方法、新工藝不斷涌現(xiàn)5。特別是一種單向單相換能器結(jié)構(gòu)(SPUD T 能有效的降低損耗。本文所設(shè)計(jì)158M Hz 延遲線均采用SPUD T 結(jié)構(gòu),由圖2

10、可看出器件插入損耗均在10dB 內(nèi)。(2具有單一頻率振蕩模式。延遲線的換能器結(jié)構(gòu)如圖3所示。圖中的一個(gè)換能器足夠長(zhǎng)以保證具有足夠窄的頻帶,同時(shí)使它的長(zhǎng)度等于兩換能器間的距離,而另一個(gè)換能器為寬帶換能器。長(zhǎng)換能器的大部分叉指電極被周期性抽掉,形成梳狀換能器,并且使得梳齒之間的間隔與延遲線寬帶換能器的長(zhǎng)度相等。另外為保證傳播速度的均勻性,在梳齒之間填充假指。這種結(jié)構(gòu)是利用輸入和輸出換能器的頻響組合來消除其他不需要的振蕩頻率,實(shí)現(xiàn)SA W 振蕩器的單一模式控制。由圖2可看出,將這種延遲線應(yīng)用于SAW 氣體傳感器的時(shí)候,通帶內(nèi)相位隨著頻率線性變化,當(dāng)相位變化2時(shí),頻率落在幅頻響應(yīng)通帶外,插入損耗增加1

11、0dB 以上,不滿足由延遲線構(gòu)成的SA W 振蕩器的幅度起振條件,無法起振。由此可看出,在兩種器件頻響通帶內(nèi)只有一個(gè)模式起振,實(shí)現(xiàn)了SAW 振蕩器的單模式工作 。圖3單模式梳狀結(jié)構(gòu)的聲表面波延遲線結(jié)構(gòu)(3具有較高的Q 值(Q =2×L/,L 為聲路徑長(zhǎng)度,為波長(zhǎng)。兩類器件Q 值分別為1068.1、2010.6。由經(jīng)典理論可知,延遲線的Q 值也是振蕩器短期頻率穩(wěn)定度的影響因素。Q 值越大,其振蕩器的短期頻率穩(wěn)定性能越好。2.2環(huán)路振蕩電路的設(shè)計(jì)首先振蕩電路需要提供足夠的增益來保證環(huán)路的起振,而低噪聲和較大的動(dòng)態(tài)范圍(即飽和輸出電平高可改善振蕩器的相位噪聲和頻率短期穩(wěn)定性。窄頻帶使得振蕩

12、器環(huán)路內(nèi)的相移量在振蕩頻率附近變化緩慢,有利于改善振蕩器的頻率穩(wěn)定性。設(shè)計(jì)制作電路的基本考慮應(yīng)是用盡可能少的分立元件,這樣有利于提高系統(tǒng)的可靠性。另外,降低系統(tǒng)功耗,注意電路元器件的屏蔽,采用恒溫裝置以及環(huán)路鎖相裝置,有利于減少由于環(huán)路相位噪聲引起振蕩器的頻率漂移。3SA W 振蕩器的頻率穩(wěn)定度實(shí)驗(yàn)分析根據(jù)傳統(tǒng)振蕩器的頻率穩(wěn)定度的理論分析,SA W 振蕩器的頻率穩(wěn)定度分為短期、中期和長(zhǎng)期穩(wěn)定性4。影響短期頻率穩(wěn)定度的主要因素通常是SA W 延遲線的插入損耗、Q 值及環(huán)路放大器的噪聲系數(shù)和飽和輸出功率等,影響振蕩器的中期頻率穩(wěn)定度的關(guān)鍵因素是環(huán)境溫度的變化,而電子元器件的老化等則是SA W 振蕩

13、器長(zhǎng)期穩(wěn)定性的影響因素。通常對(duì)于SAW 氣體傳感器而言,振蕩器的頻率穩(wěn)定度在很大程度上影響其檢測(cè)下限和靈敏度。因此有必要對(duì)于這種振蕩器的頻率穩(wěn)定性做進(jìn)一步的分析?；诒疚乃苽涞牟煌琎 值的新型SA W 延遲線,我們研制了一種工作在158M Hz 的SA W 振蕩500壓電與聲光2006年器,并對(duì)其頻率穩(wěn)定性以及影響因素進(jìn)行了分析。測(cè)試系統(tǒng)包括振蕩器系統(tǒng)、HP8753D 網(wǎng)絡(luò)分析儀、頻率計(jì)、延遲線匹配網(wǎng)絡(luò)。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)SA W 延遲線的Q 值及由于振蕩環(huán)路功耗引起的溫度變化對(duì)SAW 振蕩器的中期頻率穩(wěn)定度有重大的影響。3.1Q 值對(duì)于振蕩器頻率穩(wěn)定性的影響表1為兩種不同Q 值的158M Hz 頻

14、段上SAW 延遲線振蕩器中期頻率穩(wěn)定度對(duì)比(在相同測(cè)試條件下,其中序號(hào)L01L10為高Q 值延遲線振蕩器,序號(hào)S01S10為低Q 值延遲線振蕩器。兩者延遲線器件損耗基本一致,記錄時(shí)間為1h 。由表可看出,高Q 值10個(gè)延遲線型振蕩器平均頻漂在305Hz/h ,相對(duì)頻率變化為1.9×10-6,而低Q 值延遲線型振蕩器平均頻漂達(dá)481Hz/h ,相對(duì)頻率變化達(dá)3.05×10-6,其頻率穩(wěn)定度明顯差于高Q 值延遲線型振蕩器。表1158M Hz 不同Q 值的兩類SA W振蕩器頻率穩(wěn)定性對(duì)比編號(hào)插損/dB 頻漂/Hz 編號(hào)插損/dB 頻漂/Hz L017.66250S018.2230

15、0L027.98300S027.74320L038.00260S037.54370L047.78280S047.66400L058.14220S057.78700L068.24390S068.22650L078.23300S077.82500L088.05450S087.87420 L098.19300S097.92700L108.46300S107.904503.2恒溫振蕩器圖4為不同振蕩環(huán)路溫度條件下對(duì)相同環(huán)境溫度下相同延遲線振蕩器的中期頻率穩(wěn)定度測(cè)試曲線。由圖4(a 可知,由于環(huán)路溫度的影響,振蕩器混頻輸出頻率在測(cè)試的前半個(gè)小時(shí)快速下降,下降幅度超過了400Hz ,直到30min 后系統(tǒng)

16、才達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài),在穩(wěn)定后振蕩器混頻輸出頻率變化在80Hz 左右。如果對(duì)振蕩器進(jìn)行溫度控制(即使振蕩器振蕩環(huán)路置于恒溫狀態(tài)下后,發(fā)現(xiàn)大大降低了振蕩器達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)間內(nèi)的頻率漂移幅度(見圖4(b ,在測(cè)試前0.5h 內(nèi),振蕩器的混頻輸出一直在100Hz 以內(nèi),且在0.5h 后混頻輸出控制在30Hz 內(nèi),大大改善了振蕩器的頻率穩(wěn)定度(其穩(wěn)定后中期頻率穩(wěn)定度達(dá)0.1×10-6量級(jí)。圖4環(huán)路溫度對(duì)聲表面波振蕩器的中期頻率穩(wěn)定度的影響4結(jié)束語(yǔ)本文研究了一種新型高頻率穩(wěn)定性的聲表面波振蕩器,作為頻控元件的聲表面波延遲線采用了梳狀換能器和單向單相(SPUD T 結(jié)構(gòu),獲得了較低的插入損耗,且使得延遲

17、線具有單一模式控制模式。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)SA W 延遲線的Q 值不僅影響振蕩器的短期頻率穩(wěn)定度,且也是振蕩器中期頻率穩(wěn)定度的一個(gè)影響因素。實(shí)驗(yàn)中分析了振蕩器環(huán)路溫度變化對(duì)于振蕩器中期頻率穩(wěn)定度的影響。文中研制的聲表面波振蕩器頻率穩(wěn)定度達(dá)0.1×10-6量級(jí)。參考文獻(xiàn):1WO HL TJ EN H ,DESSY R E.Surface acoustic wave probe for chemical analysisJ .Part I 2,Anal Chem ,1979,5(9:145821475.2MAUDER A.SAW gas sensors :comparison between delayline and two part resonatorJ .Sensors and Actu 2ators B ,1995,26227:1872190.3RA PP M ,REIB EL J.Influence of phase position on the chemical response of oscillator driven polymer coa 2ted