本发明涉及半导体、谐振器，尤其涉及一种基于声波谐振器的无源无线传感器。
背景技术：
1、声表面波（saw）和体声波（baw）技术在传感器领域已经有广泛的应用。它们通过声波在压电材料中的传播和反射，实现对温度、压力、湿度和气体浓度等物理量的检测。传统的saw和baw传感器通常依赖于外部激励源来工作，这种方式要求外部信号的频率与传感器的谐振频率严格匹配。然而，在实际应用中，由于环境因素的变化以及传感器自身特性的差异，导致激励信号与传感器固有频率不匹配，进而影响传感器的工作效率和精度。
2、发明专利cn107727125b公开了一种基于薄膜体声波传感器的无线无源测试系统及测试方法，其中无线无源测试系统包括无线收发器、与无线收发器电连接的问询天线、基底、设置于基底上且通过阻抗匹配网络连接的薄膜体声波传感器与接收天线，无线收发器将通过问询天线发射无线脉冲问询信号，接收天线将接收的无线脉冲问询信号作为激励薄膜体声波传感器的能量。该发明采用脉冲信号去激励薄膜体声波传感器工作，其中传感器端由接收天线和薄膜体声波传感器构成，内部无变频电路，基于薄膜体声波传感器工作原理，外部激励信号需要与传感器固有频率一致时，传感器才能启动，因此外部发出的脉冲信号也必须是扫频信号才能有效激励传感器工作。
3、此外，现有技术中的saw和baw传感器抗干扰能力有限，尤其是在复杂电磁环境中，容易受到外界噪声和其他电磁信号的影响，导致传感器的测量结果不准确。同时传感器的返回信号和激励信号频率接近，互相的干扰也较大。另外，这些传感器的传输距离通常受到外部激励信号强度的限制，因此在远距离无线传输场景中，效果较为有限。
4、为了解决上述问题，许多研究尝试通过优化谐振器的设计或改善激励信号的稳定性来提高传感器的性能。然而，这些方法通常涉及复杂的电路设计或高精度的信号源，增加了系统的复杂性和成本。因此，设计一种能够在不依赖精确外部激励信号的情况下稳定工作，并具有较强抗干扰能力的无源无线传感器，成为了当前技术发展的一个重要方向。
技术实现思路
1、为了解决上述问题，本发明提出一种基于声波谐振器的无源无线传感器，通过外部发射的固定频率，即可激励声波谐振器工作，解决上述背景技术中的应用限制。
2、本发明采用的技术方案如下：
3、一种基于声波谐振器的无源无线传感器，包括输入匹配网络、自动扫频模块、声波谐振器以及输出匹配网络，所述输入匹配网络和输出匹配网络均连接自动扫频模块，所述自动扫频模块连接声波谐振器；所述输入匹配网络被配置为对频率为的交变信号进行阻抗匹配，并通过自动扫频模块产生调谐波；当调谐波的频率与声波谐振器的固有振动频率相同时引起声波共振，从而使声波放大并形成驻波；同时由于压电效应，谐振后的声信号将转换成频率为的电信号；频率为的信号由于自动扫频模块中非线性器件的非线性特性将产生相应的混频信号，最后通过输出匹配网络滤波后进行输出。
4、进一步地，所述声波谐振器的固有振动频率与物理量的变化呈可表达关系，通过物理量的变化将引起固有振动频率偏移，导致谐振频率变化，从而通过分析谐振频率的变化实现物理量的采集及传输。
5、进一步地，所述声波谐振器包括声表面波谐振器，所述声表面波谐振器包括压电基底材料层以及设置于压电基底材料层上的金属电极；所述金属电极包括叉指换能器和反射栅，所述叉指换能器和反射栅横向设置于压电基底材料层上不同位置；所述叉指换能器能够将调谐波信号转换成声表面波，所述声表面波在压电基底材料层表面以驻波形式横向传播，并通过叉指换能器转换成频率的电信号进行输出。
6、需要说明的是，当调谐波信号输入到声表面波谐振器的叉指换能器上时，由于逆压电效应的存在，压电基底开始产生周期性的弹性形变，输入的电信号就被叉指换能器转变成声信号，从而激发出声表面波。自此声表面波在压电基底材料层的表面开始传播，当声表面波传播至两侧的反射栅时，声表面波在反射栅内叠加增强形成谐振，之后由反射栅进行反射，再次回到叉指换能器中。此时在叉指换能器中存在经过谐振后的声表面波，由于正压电效应，谐振后的声信号再次转化为频率的电信号输出。
7、进一步地，所述声波谐振器包括体声波谐振器，所述体声波谐振器包括依次连接的第一金属电极、压电材料层、第二金属电极以及反射层；所述第一金属电极、压电材料层和第二金属电极能够将调谐波信号转换成体声波，所述体声波在压电材料层的厚度方向上进行传播，并形成声波振荡，最终通过第一金属电极和第二金属电极转换成频率的电信号进行输出。
8、需要说明的是，当调谐波信号施加于体声波谐振器的上下两电极之间并满足适当的边界条件时，在压电振荡堆内产生相应的交变电场；由于逆压电效应，压电材料发生形变，微观上体现为声子的振动，宏观上部分电能在压电材料内转化为体声波，并在压电材料厚度的方向上传播；当被电信号激励出的体声波达到电极与声波反射层的界面时，会反射回压电材料内，从而形成来回反射，进而形成声波振荡。随后，声波振荡又因为正压电效应而产生电信号，使机械能又转化为电能，这样两个过程的不断转换，促使产生频率的电信号。
9、进一步地，所述自动扫频模块包括电感器和非线性器件，所述电感器串联或并联非线性元器件；当输入频率为的交变信号时，由于非线性元器件的非线性特性，所述自动扫频模块将产生若干调谐波，并激励声波谐振器持续振荡，从而产生稳定频率为的电信号。
10、进一步地，所述自动扫频模块的非线性器件包括但不限于二极管、变容二极管、双极性晶体管以及金属氧化物半导体场效应晶体管。
11、进一步地，由于自动扫频模块中非线性器件的非线性特性，频率为的信号将产生相应的混频信号，所述混频信号包括上变频即和频信号、下变频即差频信号以及和差频的倍频信号。
12、进一步地，所述混频信号的频率符合门雷-罗威公式规律：
13、
14、
15、其中，是频率的信号功率，m、n为整数，且频率与和满足以下关系：
16、。
17、进一步地，所述输出匹配网络根据选取的不同输出节点，能够输出混频信号，或直接输出声波谐振器产生的频率为的电信号。
18、进一步地，所述输入匹配网络和输出匹配网络能够通过两个独立端口分别进行信号传输，或通过一个兼容端口进行信号传输。
19、本发明的有益效果在于：
20、本发明通过自动扫频模块能够在输入固定频率信号的情况下，自行产生丰富的调谐波，从而激发谐振器工作，克服了传统声表面波或体声波传感器对外部激励信号依赖的缺陷。此外，通过非线性器件的非线性特征，实现变频传输，增强了传感器的抗干扰能力，并能够在复杂环境中稳定工作。同时，本发明的设计简化了系统结构，降低了成本，提升了传感器的应用范围和可靠性。具体说明如下：
21、（1）创新实现微波驱动的自动扫频技术：本发明的自动扫频模块，使得传感器在输入固定频率信号的情况下，能够自行产生多种调谐波频率。这一创新有效解决了传统saw和baw传感器依赖外部精确激励信号的局限性，使得传感器能够在不同工作环境下更加灵活地工作。自动扫频模块通过非线性元件的使用，自动适应并找到与谐振器固有频率相匹配的调谐波，从而激发谐振器工作。这不仅简化了系统设计，也降低了对高精度信号源的依赖，提高了系统的稳定性和鲁棒性。
22、（2）变频传输增强抗干扰能力：本发明的自动扫频模块不仅能够激发传感器工作，还能生成一系列混频信号，实现变频传输，从而提高传感器的抗干扰能力。该设计使得传感器在恶劣环境下仍能稳定工作，确保了测量结果的可靠性。
23、（3）无源无线传感传输：本发明的传感器无需外部电源即可工作，且传感器能够通过无线方式远距离传输数据。这种无源无线的设计大大扩展了传感器的应用场景，特别适用于难以布线或维护的环境，如高温、高压、化学腐蚀等极端条件下的监测，打破了传统传感器因能量供应受限而导致应用受限的瓶颈。
24、（4）多功能集成设计：本发明适用于声表面波（saw）和体声波（baw）谐振器，这两种谐振器可以分别或同时用于不同的物理量测量，如温度、湿度、压力、气体浓度等。通过分析谐振频率的变化，传感器可以实现多种物理量的监测，提高了传感器的功能性和应用的灵活性，适合于需要多参数监测的复杂应用场景。
25、（5）简化的系统架构：本发明通过将自动扫频功能集成到传感器内部，减少了对外部复杂电路和设备的依赖。这种简化的系统架构降低了整体成本，提高了系统的可靠性，同时也降低了维护的复杂性。并且本发明可用一个端口实现信号输入和信号输出，将进一步简化天线和电路的设计。由于传感器的设计更加紧凑，能够适应更小的安装空间，使其在现代工业自动化、智能制造等领域具有更广泛的应用前景。
26、（6）创新地将传感器制作成结构件：本发明可以选用抗压性能高的材料作为声表面波或体声波谐振器中的压电材料，可直接把结构件制作成传感器，如用于螺栓的垫片传感器、结合桥梁支座的压力传感器等。
27、综上所述，以上创新点使得本发明的无源无线传感器在功能、稳定性、适应性和应用范围等方面都显著优于现有技术，满足了各类应用环境监测对高精度、多功能、长距离传感器的需求。
1.一种基于声波谐振器的无源无线传感器，其特征在于，包括输入匹配网络、自动扫频模块、声波谐振器以及输出匹配网络，所述输入匹配网络和输出匹配网络均连接自动扫频模块，所述自动扫频模块连接声波谐振器；所述输入匹配网络被配置为对频率为的交变信号进行阻抗匹配，并通过自动扫频模块产生调谐波；当调谐波的频率与声波谐振器的固有振动频率相同时引起声波共振，从而使声波放大并形成驻波；同时由于压电效应，谐振后的声信号将转换成频率为的电信号；频率为的信号由于自动扫频模块中非线性器件的非线性特性将产生相应的混频信号，最后通过输出匹配网络滤波后进行输出。
2.根据权利要求1所述的一种基于声波谐振器的无源无线传感器，其特征在于，所述声波谐振器的固有振动频率与物理量的变化呈可表达关系，通过物理量的变化将引起固有振动频率偏移，导致谐振频率变化，从而通过分析谐振频率的变化实现物理量的采集及传输。
3.根据权利要求1所述的一种基于声波谐振器的无源无线传感器，其特征在于，所述声波谐振器包括声表面波谐振器，所述声表面波谐振器包括压电基底材料层以及设置于压电基底材料层上的金属电极；所述金属电极包括叉指换能器和反射栅，所述叉指换能器和反射栅横向设置于压电基底材料层上不同位置；所述叉指换能器能够将交变信号转换成声表面波，所述声表面波在压电基底材料层表面以驻波形式横向传播，并通过叉指换能器转换成频率的电信号进行输出。
4.根据权利要求1所述的一种基于声波谐振器的无源无线传感器，其特征在于，所述声波谐振器包括体声波谐振器，所述体声波谐振器包括依次连接的第一金属电极、压电材料层、第二金属电极以及反射层；所述第一金属电极、压电材料层和第二金属电极能够将交变信号转换成体声波，所述体声波在压电材料层的厚度方向上进行传播，并形成声波振荡，最终通过压电效应换成频率的电信号进行输出。
5.根据权利要求1所述的一种基于声波谐振器的无源无线传感器，其特征在于，所述自动扫频模块包括电感器和非线性器件，所述电感器串联或并联非线性元器件；当输入频率为的交变信号时，由于非线性元器件的非线性特性，所述自动扫频模块将产生若干调谐波，并激励声波谐振器持续振荡，从而产生稳定频率为的电信号。
6.根据权利要求1所述的一种基于声波谐振器的无源无线传感器，其特征在于，所述自动扫频模块的非线性器件包括但不限于二极管、变容二极管、双极性晶体管以及金属氧化物半导体场效应晶体管。
7.根据权利要求1所述的一种基于声波谐振器的无源无线传感器，其特征在于，由于自动扫频模块中非线性器件的非线性特性，频率为的信号将产生相应的混频信号，所述混频信号包括上变频即和频信号、下变频即差频信号以及和差频的倍频信号。
8.根据权利要求7所述的一种基于声波谐振器的无源无线传感器，其特征在于，所述混频信号的频率符合门雷-罗威公式规律：
9.根据权利要求1所述的一种基于声波谐振器的无源无线传感器，其特征在于，所述输出匹配网络根据选取的不同输出节点，能够输出混频信号，或直接输出声波谐振器产生的频率为的电信号。
10.根据权利要求1所述的一种基于声波谐振器的无源无线传感器，其特征在于，所述输入匹配网络和输出匹配网络能够通过两个独立端口分别进行信号传输，或通过一个兼容端口进行信号传输。
