基于ZnO單晶聲表面波壓力傳感器的特性研究*

吳文琪，胡芳仁，2，楊宇鑫

(1.南京郵電大學(xué) 光電工程學(xué)院，江蘇 南京 210046；2.南京郵電大學(xué)Peter Gruenberg中心，江蘇 南京 210023)

基于ZnO單晶聲表面波壓力傳感器的特性研究*

吳文琪1，胡芳仁1，2，楊宇鑫1

(1.南京郵電大學(xué) 光電工程學(xué)院，江蘇 南京 210046；2.南京郵電大學(xué)Peter Gruenberg中心，江蘇 南京 210023)

基于聲表面波(SAW)理論以及SAW諧振器的結(jié)構(gòu)和工作原理，設(shè)計(jì)了一種基于聲表面波(SAW)諧振式壓力傳感器。采用有限元軟件COMSOL Multiphysics對(duì)ZnO單晶聲表面波諧振器進(jìn)行建模和仿真，提出符合聲表面波振型的對(duì)稱模態(tài)和反對(duì)稱模態(tài)，計(jì)算出ZnO單晶的相速度為3 237.31 m/s。討論了ZnO基底厚度對(duì)此壓力傳感器的相速度的影響，得出ZnO基底厚度越大，相速度越小。最后通過(guò)加載0～1 000 kg/m2的質(zhì)量塊來(lái)模擬不同的壓力對(duì)器件的頻率響應(yīng)的影響，結(jié)果顯示壓力的變化與諧振頻率二者具有良好的負(fù)相關(guān)線性關(guān)系。通過(guò)擬合得出線性表達(dá)式。

聲表面波；ZnO單晶；壓力傳感器

0 引言

聲表面波(Surface Acoustic Wave,SAW)壓力傳感器所特有的高頻特性及器件基片材料的壓電、逆壓電效應(yīng),使其與傳統(tǒng)壓力傳感器相比，具有測(cè)量精度高、抗干擾性強(qiáng)、微型、無(wú)源無(wú)線及成本低等優(yōu)點(diǎn)，適用于易燃、易爆、密閉等特定環(huán)境下的遙測(cè)與傳感[1]。因此對(duì)于SAW壓力傳感器的研究具有重要的意義。

在SAW器件應(yīng)用方面，由于ZnO的光電耦合系數(shù)高，溫度系數(shù)低且廉價(jià)易得等特點(diǎn)[2]，非常適合于制造高頻聲表面波器件。

為研究這一類器件，本文依據(jù)壓電晶體的運(yùn)動(dòng)方程和壓電本構(gòu)方程[3]，建立ZnO/Al結(jié)構(gòu)SAW 2D模型，采用物理耦合場(chǎng)軟件COMSOL Multiphysics對(duì)SAW諧振器器件進(jìn)行了仿真[4]，確定了一種靈敏度較大的傳感器，為實(shí)現(xiàn)SAW壓力傳感器的制造提供了理論基礎(chǔ)以及數(shù)據(jù)參考。

1 工作原理

SAW傳感器的組成元件是叉指換能器(IDT)和聲反射柵[5]，結(jié)構(gòu)如圖1所示。其工作原理是：受空間電磁波的激勵(lì)后，在SAW諧振器基片表面激發(fā)與電磁波同頻的SAW，SAW在兩個(gè)反射柵之間來(lái)回多次反射。當(dāng)SAW諧振器基片受到壓力作用時(shí)，SAW諧振器尺寸發(fā)生變化，假設(shè)應(yīng)變?yōu)棣牛藭r(shí)的諧振頻率由(1)式算出。d是IDT兩相鄰電極中心距，可見(jiàn)壓力的變化會(huì)引起諧振頻率的變化，通過(guò)檢測(cè)fr的變化實(shí)現(xiàn)對(duì)外力的監(jiān)測(cè)。

(1)

圖1 SAW壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖

(2)

式(2)為有負(fù)載時(shí)壓電介質(zhì)的耦合波方程。其中，φ為電勢(shì)，ρ為介質(zhì)的密度, xj為介質(zhì)中的位置坐標(biāo), ui為彈性介質(zhì)的位移, cijkl為二階彈性剛度常數(shù)，ekij為壓電常數(shù)，εjk為介電常數(shù)。

2 仿真與結(jié)果分析

本文采用有限元軟件COMSOL，結(jié)合壓電晶體的運(yùn)動(dòng)方程和壓電本構(gòu)方程，對(duì)ZnO單晶聲表面波諧振器進(jìn)行建模和仿真，對(duì)其特征頻率進(jìn)行仿真分析，并分析壓力加載下器件的頻率響應(yīng)，以探討壓力的變化與諧振頻率的關(guān)系，對(duì)使用SAW諧振器實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力的測(cè)量提供了支持。

2.1 二維結(jié)構(gòu)模型建立

首先，建立單端口諧振器的二維幾何模型(見(jiàn)圖2)，叉指換能器和聲反射柵的材料為Al，基底材料為ZnO。假設(shè)設(shè)計(jì)波長(zhǎng)為20 μm，基片厚度為80 μm，寬度為215 μm。IDT與反射柵的寬度為5 μm，厚度為0.3 μm。IDT與反射柵的間隔為5 μm。邊界條件如表1所示。

圖2 聲表面波諧振器二維模型

邊界條件ΓΒ固定邊界條件ΓL,ΓR周期性邊界條件電極1,3,5,7,91V電極2,4,6,8,10接地

2.2 特征頻率研究

利用COMSOL對(duì)ZnO單晶聲表面波諧振器進(jìn)行多物理域耦合建模與仿真，得到兩個(gè)聲表面波模態(tài)(即對(duì)稱模態(tài)與反對(duì)稱模態(tài))所對(duì)應(yīng)的諧振頻率(fsc+)與反諧振頻率(fsc-)。圖3和圖4分別為對(duì)稱模態(tài)和反對(duì)稱模態(tài)，縱坐標(biāo)為總位移，圖中最右邊的標(biāo)尺表示總位移的大小，從上往下逐漸減小。

圖3 對(duì)稱模態(tài)變形圖

圖4 反對(duì)稱模態(tài)變形圖

從圖3中可以看出對(duì)稱模態(tài)對(duì)應(yīng)的諧振頻率為1.618 511×108Hz，振動(dòng)最強(qiáng)的質(zhì)點(diǎn)總位移有1.04×10-3μm。圖4為反對(duì)稱模態(tài)變形圖，反對(duì)稱模態(tài)對(duì)應(yīng)的諧振頻率為1.618 799×108Hz,最強(qiáng)的質(zhì)點(diǎn)總位移有9.65×10-4μm。ZnO單晶材料沿縱坐標(biāo)軸0～60 μm的區(qū)域內(nèi)各質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)位移幾乎為0，聲表面波能量主要集中在1～2個(gè)波長(zhǎng)范圍，符合聲表面波的特性。

由式(3)所示的聲表面波波速與正反模態(tài)諧振頻率的公式，可計(jì)算出ZnO單晶的聲表面波的相速度νeff=3 237.31 m/s。

νeff=d×(fsc++fsc-)

(3)

其中，d是IDT兩相鄰電極中心距，下面利用COMSOL的頻率分析模塊研究在諧振頻率附近不同頻率下的總位移。圖5是總位移與頻率的關(guān)系圖，橫坐標(biāo)頻率為160～163 MHz，縱坐標(biāo)的單位是總位移。由圖可知，當(dāng)器件處于諧振狀態(tài)時(shí)，IDT激發(fā)出的聲表面波總位移最大，叉指換能器所產(chǎn)生的聲波是最強(qiáng)的，與叉指換能器的工作原理相符合。

圖5 總位移與頻率關(guān)系圖

2.3 ZnO基底厚度對(duì)聲表面波波速的影響

通過(guò)改變ZnO基底的厚度，得到khZnO與聲表面波波速的關(guān)系，其中，k=2π/λ為波速。由圖6可見(jiàn)，當(dāng)khZnO從0增加到6時(shí)，聲表面波波速逐漸變小。因此在設(shè)計(jì)ZnO單晶SAW諧振器時(shí)，可以通過(guò)調(diào)節(jié)基底厚度得到不同的聲表面波波速。

圖6 ZnO厚度與波速關(guān)系圖

2.4 壓力加載下的頻率響應(yīng)分析

在ZnO基底上依次加載0～1 000 kg/m2的質(zhì)量塊來(lái)模擬壓力的變化。加載質(zhì)量塊后，找到正反模態(tài)對(duì)應(yīng)的諧振頻率，由公式(4)可以得到諧振頻率。不同壓力下的諧振頻率如表2所示。

(4)

通過(guò)對(duì)表2數(shù)據(jù)的擬合，畫出諧振頻率的擬合線如圖7所示，以得到諧振頻率與外加壓力之間呈負(fù)相關(guān)的線性關(guān)系，即當(dāng)壓力增加時(shí)，頻率呈近似線性下降。通過(guò)擬合可以得出線性表達(dá)式：

圖7 壓力與諧振頻率關(guān)系圖

y=161.87-0.0125x

3 結(jié)論

本文根據(jù)諧振器的結(jié)構(gòu)和工作原理，結(jié)合壓電晶體的運(yùn)動(dòng)方程和壓電本構(gòu)方程，利用有限元分析軟件COMSOL對(duì)ZnO單晶聲表面波諧振器進(jìn)行建模與仿真，提出了符合聲表面波振型的對(duì)稱模態(tài)和反對(duì)稱模態(tài)。通過(guò)對(duì)壓力加載下的頻率響應(yīng)進(jìn)行分析，得到壓力與SAW諧振器頻率成負(fù)相關(guān)的線性關(guān)系，這對(duì)使用SAW諧振器實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力的測(cè)量提供了支持。

[1] BENSMAINE S, BENYOUCEF B. Experimental characterization of ZnO thins films and identification of frequency peaks in ZnO/SiO2/Si SAW devices[J]. American Journal of Materials Science, 2013, 3(4):100-103.

[2] 周劍, 何興理, 金浩,等. 基于ZnO壓電薄膜的柔性聲表面波器件[J]. 光學(xué)精密工程, 2014, 22(2):346-350.

[3] Zhao Yiyu, Li Honglang, He Shitang. Optimal cut of quartz for a surface acoustic wave pressure sensor with non-uniform pressure load[C]. 2013 Symposium on Piezoelectrioity, Acoustic waues and Device Applications (SPAWDA), 2013:1-3.

[4] NAMDEO A K, NEMADE H B. FEM study on the effect of metallic interdigital transducers on surface acoustic wave (SAW) Velocity in SAW Devices[D]. Guwahati, India: Indian Institute of Technology, 2009.

[5] 潘峰. 聲表面波材料與器件[M]. 北京：科學(xué)出版社, 2012.

Research on characteristic of the surface acoustic wave pressure sensor based on ZnO single crystal

Wu Wenqi1, Hu Fangren1,2, Yang Yuxin1

(1.School of Optoelectronic Engineering, Nanjing University of post &Telecommunications, Nanjing 2010046,China；2.Peter Gruenberg Center, Nanjing University of Post &Telecommunications, Nanjing 2010046,China)

Based on the theory of surface acoustic wave (SAW), and the structure and principle of SAW resonator, a SAW resonant pressure sensor is designed. A finite element software COMSOL Multiphysics was used to model and simulate the single crystal ZnO-based SAW resonator. Symmetric mode and anti-symmetric mode of the ZnO-based SAW resonator are established. By calculation, the phase velocity of the ZnO single crystal is 3 237.31m/s by analyzing the resonance response. The effect of the ZnO substrate thickness on the phase velocity of the pressure sensor is discussed. It is concluded that the larger the thickness of ZnO, the smaller the phase velocity. Finally,the effect of different pressure to the frequency response is simulated by loading the 0～1 000 kg/m2mass block on the device in order to study the relationship between the pressure and the resonant frequency. The results show that the pressure and the resonant frequency have a good linear relationship. The linear expression can be obtained.

surface acoustic wave; ZnO single crystal; pressure sensor

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61274121,61574080)

TP391.9；TP211+.51

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.24.024

吳文琪，胡芳仁，楊宇鑫. 基于ZnO單晶聲表面波壓力傳感器的特性研究[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2016,35(24)：84-86.

2016-07-28)

吳文琪(1991-)，通信作者，女，碩士研究生，主要研究方向：氧化鋅單晶聲表面波器件。E-mail：18752030875@163.com。

胡芳仁(1960-)男，博士，教授，主要研究方向：高速大容量光纖通信與全光信號(hào)處理、硅基化合物半導(dǎo)體光電器件、氧化物功能薄膜與器件。

楊宇鑫(1995-)，女，本科生，主要研究方向：氧化鋅單晶聲表面波器件。