[发明专利]基于薄膜体声波谐振器的无线微小质量传感器网络节点

说明书

技术领域

本发明涉及无线传感器网络领域中的一种质量传感器，特别是薄膜体声波谐振器的无线微小质量传感器网络节点。

背景技术

目前质量传感器的测量电路都是采用双路差分测量的方法，即一路待测FBAR传感器，一路参考FBAR传感器。

待测FBAR传感器随着所感知质量的变化而改变待测FBAR传感器振荡电路输出信号的频率，从而通过测量此信号频率来确定质量的变化量。但是，由于温度、压力、湿度和一些环境因素以及测量过程中不确定干扰的影响，这些因素也会导致待测FBAR传感器振荡电路输出信号频率的变化。所以，就用另一路参考FBAR传感器和待测FBAR传感器处于同一环境中，不同的是参考FBAR传感器对质量变化的传感功能被封闭起来，使参考FBAR传感器信号只对温度、压力、湿度和一些环境因素以及测量过程中不确定干扰的影响而改变参考FBAR传感器振荡电路输出信号的频率。

因此，参考FBAR传感器振荡电路输出信号频率的变化实际上就是外界干扰对传感器传感质量的量化值。用待测FBAR传感器振荡电路输出信号的频率变化值减去参考FBAR传感器振荡电路输出信号的频率变化值就等于待测FBAR传感器振荡电路输出信号由质量变化而导致的频率变化值，这个频率的差值和待测物质质量的变化量成对应关系，而不受温度、压力、湿度和一些环境因素以及测量过程中不确定干扰的影响。

见图6，待测FBAR传感器振荡电路和参考FBAR传感器振荡电路有着相同的谐振频率，两者输出信号的频率大小都是F0，然后通过混频(即将两路信号的频率相减)、滤波，输出信号频率为零。

见图7，当测量质量的过程中，待测质量变化了ΔM，引起待测FBAR传感器振荡电路的输出信号频率变化了Δf1。另外，由于外界因素的干扰引起待测FBAR传感器振荡电路的输出信号频率变化了Δf2，所以待测FBAR传感器振荡电路的输出信号的频率为“F0+Δf1+Δf2”。

在测量质量的过程中，待测质量变化了ΔM，由于参考FBAR传感器对外界质量变化的传感功能被封闭起来，所以待测质量变化了ΔM没有引起参考FBAR传感器振荡电路输出信号的频率。另外，由于外界因素的干扰也会引起参考FBAR传感器振荡电路的输出信号变化，因为待测FBAR传感器和参考FBAR传感器处于同一环境中，所以参考FBAR传感器振荡电路的输出信号频率的变化量也是Δf2，参考FBAR传感器振荡电路的输出信号的频率为“F0+Δf2”。

然后将待测FBAR传感器振荡电路的输出信号和参考FBAR传感器振荡电路的输出信号通过混频器进行混频(即将两路信号的频率相减)、通过低通滤波器进行滤波，输出信号频率为(F0+Δf1+Δf2)枺`0+Δf2)＝Δf1，而Δf1正是待测质量变化ΔM而引起待测FBAR传感器振荡电路的输出信号频率改变的变化量，Δf1和ΔM是成对应关系的，所以通过测量Δf1从而测量到了待测物质质量的变化ΔM。

上述测量方法就是双路差分测量方法，抵消了敏感的FBAR传感器受到的外界因素的干扰，这是一种在高精度质量传感测量电路中常用的方法。

目前对质量传感器的频率测量电路有分频法结构，参见图8。分频法结构也是采用双路差分测量方法，待测FBAR传感器振荡电路的输出信号Fs通过放大电路后，被分频电路直接分频，转化为低频信号FLs。同理，参考FBAR传感器振荡电路的输出信号Fr通过放大电路后，被分频电路直接分频，转化为低频信号FLr。FLs和FLr两个低频信号直接进入可编程逻辑器件进行计数和相减运算，得出FLs和FLr两个低频信号的差值，然后再除以分频电路的分频比率，得出代表质量变化信息的信号频率差值。

这种结构虽然简单快捷，但是带有其与之俱来的致命缺陷，就是测量精度与分频比率是成完全的比例的。而由于可编程逻辑器件输入端口所允许输入信号的频率限制，导致了分频比一般在2~4个数量级，所以对应的测量精度也就下降2~4个数量级。分频法精度差，测量频率低，且对振荡电路中传感器的压电特性要求高。

目前对质量传感器的频率测量电路有三混频器结构，参见图9。待测FBAR传感器振荡电路的输出信号Fs与本振电路的输出信号Fo1进入混频器，混频器输出信号Fi1，其中Fi1的频率＝|Fs的频率Fo1的频率|；参考FBAR传感器振荡电路的输出信号Fr与本振电路68的输出信号Fo2进入混频器，混频器输出信号Fi2，其中Fi2的频率|＝Fr的频率-Fo2的频率|。