[发明专利]声表面波电流传感器

说明书

技术领域

本发明涉及半导体领域，尤其涉及一种SAW电流传感器。

背景技术

磁阻效应即是在外磁场中，半导体磁敏感材料受到了与电流方向相垂直方向的磁场作用时，由于洛伦兹力的作用，电子流动的方向发生改变，使路径加长，从而使得磁敏元件电阻值增大。这样通过选择具有较高电子迁移率的磁敏材料如锑化铟(InSb)和砷化铟(InAs)等，可以实现对电流产生磁场的灵敏检测。近些年随着声表面波(Surface Acoustic Wave，SAW)技术的不断发展，无线识别技术日趋成熟，一种结合磁敏电阻技术的SAW反射型延迟线开始应用于SAW电流传感研究。这种SAW反射型延迟线结构由一个压电基片与沿声波传播方向设置的一个叉指换能器和两个叉指型反射器构成，其中一个叉指型反射器耦合了磁敏电阻，叉指换能器通过无线天线接收来自无线读取单元发射的电磁波信号，并转换成沿压电基片表面传播的SAW信号，并被另外两个叉指型反射器反射，反射的SAW通过叉指换能器重新转换为电磁波信号，通过无线天线发送回无线读取单元，在外界电流产生的磁场的作用下，由于磁敏电阻的阻值变换导致了SAW反射型延迟线时域响应的线性变化，以此来实现对于电流的无线检测。

作为例子，现有应用于无线无源电流传感的常规结构为一个SAW反射型延迟线，如图1所示，其中包括：压电基片21，连接天线的叉指换能器22，叉指型反射器23和24，磁敏电阻25，叉指型反射器23、24与叉指换能器22之间的距离根据实验要求确定，27是从叉指型反射器23反射的第一反射回波信号，28是从叉指型反射器24反射的第二反射回波信号。

目前基于上述结构的原型SAW无线电流传感器已在(文献1：Hans Hauser,Reinhard Steindl,Christian Hausleitner,Alfred Pohl,Johann Nicolics：Wirelessly interrogable magnetic field sensor utilizing giant magneto-impedance effect and surface acoustic wave devices,IEEE Transactions on INSTRUMENTATION AND MEASUREMENT,VOL.49,NO.3,JUNE2000PP:648-652)中实现，文献1将巨磁阻耦合在双端的延迟线结构SAW器件中的叉指换能器上，验证了无线电流传感器的基本功能。此外在(文献2：Leonhard Reindl,Gerd Scholl,Thomas Ostertag,Holger Scherr,Ulrich Wolff,and Frank Schmidt：Theory and Application of Passive SAW Radio Transponders as Sensors,IEEE Transactions on Ultrasonics,Ferroelectrics and Frequency Control,VOL.45,NO.5,SEPTEMBER1998,PP：1281-1292)中描述了同时包含三个叉指换能器和两个磁敏电阻的对称型延迟线结构SAW器件，运用相关信号处理方法，实现了约为-800A-800A的电流测量测量范围，测量精度约为5％。上述SAW传感器由单个器件构成，结构相对简单，利用适当的分析检测方法，可以有效地获取外界电流产生磁场的强度检测，具有较好的灵敏度分辨率。此外，SAW电流传感器因其自身可以实现绝对无源，适宜在高压高温等恶劣条件下工作，因此这种SAW无线电流传感器具有良好的应用前景。但是目前应用于无线电流传感器的SAW反射型延迟线相关结构设计依然存在较多问题，例如：

在复杂环境中，特别是环境温度的剧烈变化(一般在零下45度到100度之间)对电流传感器稳定性的影响巨大，上述常规的SAW传感器多采用LiNbO₃等高灵敏度高压电系数的晶体材料，但是伴随而来的是很高的温度系数(-72ppm/℃)，变化的环境温度严重影响到传感器本身的温度稳定性。

由于声波传播衰减作用，延迟线结构的设计会影响电流传感器整体性能。通常延迟线较长的传播路径会导致源自各个反射器的反射峰均一性差，并且离源换能器越远，反射器能量损耗越大，反射信号信噪比越低，这将直接影响到时域有效信号的提取。

发明内容

本发明的目的是解决上述的SAW电流传感器所存在的问题，实现无线无源的SAW电流传感器，且该无线无源的SAW电流传感器具有较高的检测灵敏度和良好的温度稳定性。