传感器技术是信息技术的关键基础,受到广泛重视。声表面波(Surface Acoustic Wave—SAW)传感器是一种以SAW为信息敏感载体的传感器,具有敏感精度高、响应时间快、适用范围宽、体积小等特点,在航空航天、食品卫生、环境监测、医药化工、过程监控、军事安全等领域获得了广泛的应用,特别是在生化微量物质检测方面,SAW传感器显示了独特的技术优点,受到各国军方高度重视,已成为当前战场生化战剂实时检测的首选传感器之一。SAW传感器具有敏感精度高、响应时间快等诸多突出优点,但由于其多参数信息敏感特性,选择性差、抗干扰能力弱已成为SAW传感器无法回避的固有的弱点,在复杂环境条件中,特别是在战场生化战剂实时检测环境中,这些固有的弱点将使SAW传感器的应用受到了极大的限制。因此,解决SAW传感器,特别是SAW生化战剂传感器的选择性、抗干扰等问题,已成为当前SAW传感器研究的热点。自2000年开始,在承担的国家“863”项目“新一代无线通信用SAW器件及材料研究”、国防基础预先研究项目“SAW技术研究”、国防基金项目“SAW化学传感器理论与技术研究”等项目的支持下,针对SAW传感器的选择性、抗干扰能力等问题,论文作者对SAW传感器的选择性、抗干扰能力等问题的理论基础进行了系统和深入的研究,为博士论文的完成奠定了坚实宽广的理论基础和系统深入的专门技术知识。论文从SAW传感器信息敏感基本理论出发,深入解剖SAW传感器信息敏感的物理过程,提出了该过程中信息—信号映射的三个物理过程的划分及其对应的数学表达,建立了SAW传感器信息敏感模型;根据该信息敏感模型,基于SAW振荡器的SAW信号—电信号频率参数映射机理,建立了SAW传感器的信号处理模型;在此基础上,利用SAW阵列信号提供冗余信息的能力,建立了SAW传感器的多参数信息敏感模型和多参数信号处理模型—K矩阵,从而建立了一套基于多参数信息敏感和识别的SAW传感器系统分析和设计的理论基础;以此理论模型为基础,研究了多参数扰动条件下SAW化学传感器系统设计的关键技术,并设计实现了温度扰动条件下用于沙淋(Sarin)(浓度低于1ppm)气体检测的SAW传感器系统,并对系统在单、多参数扰动下的性能进行了测试和分析。论文的基本内容:1 SAW传感器多参数信息敏感的理论基础SAW的压电振动理论、SAW传感器的扰动理论、SAW器件分析设计理论,分析了SAW信息敏感器件多参数信息敏感的理论基础,为SAW传感器多参数信息敏感系统的数学分析模型的建立奠定了理论基础。2 SAW传感器信息敏感和信号处理模型建立提出了SAW传感器信息—信号映射过程的三个划分:(1)外界扰动量I(信息)到压电基片物理参数ɑ的映射;(2)压电基片物理参数ɑ到SAW信号参数变化的映射;(3) SAW信号参数变化到电信号参数变化的映射。通过对SAW传感器信息—信号映射过程的三个划分,获得了SAW传感器信息敏感失真的主要环节,即外界扰动量I到压电基片物理参数ɑ映射。基于压电基片物理参数对扰动量的“度量”这一概念,提出了描述上述三个映射过程的数学表达,基于这三个数学表达式,建立了SAW传感器的信息敏感模型。在此信息敏感模型的基础上,基于SAW振荡器的电信号频率参数映射能力,建立了SAW传感器的基于信息—电信号频率参数的信号处理模型。该模型反映了SAW传感器失真信息敏感的本质、多参数信息敏感特征以及SAW传感器的抗干扰和误报率性能的理论基础。3 SAW多参数传感器信息敏感和信号处理模型建立基于SAW传感器信息敏感模型和空间阵列信号提供冗余信息的能力,建立了具有多参数信息敏感的SAW传感器多参数信息敏感模型;基于SAW振荡器的电信号频率参数映射能力,把通过SAW敏感器件加载于SAW信号上的任一多参数扰动ΔI j映射为电信号频率参数Δω,建立起了ΔI j到Δω的信号处理模型;基于此并根据SAW传感器多参数信息敏感模型,建立起了时空相关扰动矢量△I到电信号频率矢量△ω映射的SAW多参数传感器信号处理模型—K矩阵,奠定了SAW多参数传感器系统的分析和设计理论基础。4 SAW微量化学气体传感器系统设计及关键技术研究对温度(T)、沙林(G系列)等多扰动的SAW多参数传感器的功能要求、性能指标、环境制约、工艺制约等进行了系统的分析。对影响系统敏感精度、响应速度和信息识别能力等性能指标的关键技术,包括SAW敏感器件阵列设计、SAW振荡器设计、化学吸附膜材料的制备、吸附膜涂覆工艺、SAW传感器的结构设计、SAW传感器的信号处理与检测等进行了深入研究,获得了针对本试验系统性能目标的基本设计要求和最佳设计参数。SAW延迟线器件的最佳结构设计参数和它的最小Q值要求、SAW振荡器的最佳工作频率范围和最小频率稳定度、化学吸附膜材料的最佳吸附方式和其特性的红外表征、化学吸附膜材料的最佳涂覆工艺和旋涂工艺的最佳旋转速度、SAW传感器的最佳信号检测方式以及SAW传感器的结构设计等。在以上分析、研究的基础上,提出了温度(T)、沙林(G)扰动SAW多参数传感器系统的总体设计方案,奠定了SAW微量化学气体传感器系统设计的技术基础。5 SAW微量化学气体传感器系统实现及试验根据上述SAW多参数传感器系统的总体设计方案,实现了SAW微量化学气体传感器系统。并根据SAW微量化学气体传感器系统的性能要求,设计了对部件性能、温度T敏感性能、G化学气体敏感性能以及T、G多参数扰动敏感性能等进行测试的试验系统和方法。基于该试验系统和方法,对传感器系统的部件、温度T敏感、G化学气体敏感以及T、G多参数扰动敏感等性能进行了测试。6 SAW微量化学气体传感器系统性能分析对SAW微量化学气体传感器系统的高稳晶体振荡器、SAW器件温度变化、SAW振荡器的温度变化、化学吸附膜对SAW器件的影响、温度(T)敏感、沙淋(G)化学气体敏感以及T、G多参数扰动敏感等性能的测试数据进行定性和定量地分析。根据测试数据近似计算出了SAW多参数传感器温度(T)、沙林(G)敏感精度和识别误差,结果表明:系统完全达到了要求性能参数,证明了本文提出的SAW多参数传感器系统分析模型的有效性。论文基于信息敏感“度量”概念,针对SAW传感器的高误报率和低抗干扰性能,对SAW传感器课题的研究成果进行了系统的分析和总结,创新性地提出并建立了基于多参数信息敏感的SAW传感器系统的完整的数学分析模型,奠定了SAW多参数传感器系统的设计和分析的理论和技术基础;针对当前对沙淋(G)实时检测的需要,深入研究了影响SAW传感器性能的关键技术,完成了国内首个沙淋(G)和温度(T)多参数扰动下的SAW微量化学气体传感器系统的研制,其中“863”项目“新一代无线通信用SAW器件及材料研究”已于2006年通过国家科委组织的鉴定,课题成果获得2007年度国家发明二等奖;国防基金项目“SAW化学传感器理论与技术研究”项目于2007年6月通过部级鉴定,鉴定结论为“项目研究成果属国内首创,达到国际先进水平”;国防基础预先研究项目“SAW技术研究”已取得关键技术突破,将于近期向用户提供SAW传感器检测器芯片产品,满足用户需求。