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声表面波基础知识

一、声表面波的基本理论

声表面波(SAWSurface Acoustic Wave)识别技术也可以认为是RFID技术的一种,声表面波是沿物体表面传播的一种弹性波。声表面波是英国物理学家瑞利(Rayleigh)在19世纪80年代研究地震波的过程中偶尔发现的一种能量集中于地表面传播的声波。1965年,美国的怀特(R.M.White)和沃尔特默(F.W.Voltmer)在应用物理杂志上发表题为一种新型声表面波声电转换器的论文,取得了声表面波技术的关键性突破,能在压电材料表面激励声表面波的金属叉指换能器IDTInter-digital Transducer)的发明,大大加速了声表面波技术的发展,相继出现了许多各具特色的声表面波器件,使这门年轻的学科逐步发展成为一门新兴的、声学和电子学相结合的边缘学科。

当我们把电压加载在压电晶体如石英的电极上,由于压电效应就会在压电晶体的晶格中形成机械畸变。所谓的声表面波就是在压电基片材料表面产生并传播、并且其振幅随深入基片材料的深度的增加而迅速减少的弹性波。声表面波滤波器的基本结构是在具有压电特性的基片材料抛光面上制作两个0.1μm厚的铝膜构成的电极结构即声电换能器(叉指换能器)。叉指换能器就是采用半导体集成电路的平面工艺,在压电基片表面蒸镀一定厚度的铝膜,再把设计好的两个IDT的掩膜图案利用光刻方法沉积在基片表面,分别作为输入换能器和输出换能器。声电转换器的形状是指状电极结构,即手指相互交叉的形式(如图1所示)。每两个这种相互交叉的指状系统构成一个指间转换器或者叉指换能器。其工作原理是:输入换能器将电信号转换成声波信号,沿晶体表面传播,输出换能器再将接收到的声波信号转换成电信号输出。 

1 叉指换能器示意图

声表面波的应用最早是在军用雷达、广播、电视领域做频率稳定的滤波器之用。现在声表面波技术的应用已涉及到许多学科领域,如地震学、天文学、雷达通信及广播电视中的信号处理、航空航天、石油勘探和无损检测等。

声表面波滤波器的主要特点是:设计灵活性大、模拟/数字兼容、群延迟时间偏差和频率选择优良(可选频率范围在10MHz-3GHz)、输入输出阻抗误差小、传输损耗小、抗电磁干扰性能号(EMI)、可靠性高、制作的器件体积小、重量轻,而且能够实现多种复杂的功能。SAW滤波器的特征和优点,正适应了现代通信系统设备轻薄短小化、高频化、数字化、高性能和高可靠性等方面的要求。SAW的不足之处在于所需基片材料价格较贵,另外对基片的定向、切割、抛光和制造工艺要求较高,受到基片结晶工艺苛刻和制造精度要求较严的影响。

二、声表面波标签的识别原理

利用声表面波技术的电子标签始于上世纪80年代末,近年来声表面波标签的研究成为一个热点。声表面波电子标签是应用现代电子学、声学、半导体平面工艺技术和雷达及信号处理技术的新成就,它是有别于IC芯片识别的另一种新型非接触自动识别技术,或者,我们可以据此将RFID分成SAW RFIDIC RFID,需要说明的是,SAW RFID也属于无芯片电子标签系统(Chipless)。

如果表面波遇到了机械的或者电的不连续表面,那么,表面波的一小部分被反射。自由表面与金属化表面之间的过渡就具有这样的不连续性。因此,可以用周期性配置的反射条作为反射器。如果反射周期与半波长相符,则所有反射重叠起来的相位是相同的。因此,对于固有频率来说,发射率达到****值。

SAW无源电子标签采用反射调制方式完成电子标签信息向阅读器的传送。

SAW标签是由叉指换能器和若干反射器组成(如图2所示),换能器的两条总线与电子标签的天线相连接。阅读器的天线周期地发送高频询问脉冲,在电子标签天线的接收范围内,被接收到的高频脉冲通过叉指换能器转变成声表面波,并在晶体表面传播。反射器组对入射表面波部分反射,并返回到叉指换能器,叉指换能器又将反射声脉冲串转变成高频电脉冲串。如果将反射器组按某种特定的规律设计,使其反射信号表示规定的编码信息,那么阅读器接收到的反射高频电脉冲串就带有该物品的特定编码。通过解调与处理,达到自动识别的目的。


2 声表面波电子标签示意图

声表面波电子标签识别系统的一般做法和IC RFID的一般做法是基本一致的,也就是将声表面波电子标签安装在被识别对象物上,当带有电子标签的被识别对象物进入阅读器的有效阅读范围时,阅读器自动侦测到电子标签的存在,向电子标签发送指令,并接收从电子标签返回的信息,从而完成对物体的自动识别。图3表示表面波电子标签工作原理图。 
 

            

3 表面波系统功能工作原理图

由于声表面波传播速度低,有效的反射脉冲串在经过几微秒的延迟时间后才回到阅读器,在此延迟期间,来自阅读器周围的干扰反射已衰减,不会对声表面波电子标签的有效信号产生干扰。

由于SAW器件本身工作在射频波段,无源且抗电磁干扰能力强,因此SAW技术实现的电子标签具有一定独特的优势,是对集成电路(IC)技术的补充。

其主要特点是:

1)读取范围大且可靠,可达数米;

2)可使用在金属和液体产品上;

3)标签芯片与天线匹配简单,制作工艺成本低;

4)不仅能识别静止物体,而且能识别速度达300千米/小时的高速运动物体;

5)可在高温差(-100℃300℃)、强电磁干扰等恶劣环境下使用。

SAW电子标签技术应用领域非常广泛,包括物流管理、路桥收费、公共交通、门禁控制、防伪、农场的健康与安全监控识别、超市防盗和收费、航空行李分拣、邮包跟踪、工厂装配流水线控制和跟踪、设备和资产管理、体育竞赛等。

SAW标签也适用于压力、应力、扭曲、加速度和温度等参数变化的测量,如铁路红外轴温探测系统的热轴定位、轨道衡、超偏载检测系统、汽车轮胎压力等。

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