聲表面波器件的反射特性及性能*

王添仙,謝立強(qiáng),邢建春,朱璽峰

(陸軍工程大學(xué)國(guó)防工程學(xué)院,南京 210007)

聲表面波器件的反射特性及性能*

王添仙,謝立強(qiáng)*,邢建春,朱璽峰

(陸軍工程大學(xué)國(guó)防工程學(xué)院,南京 210007)

為了準(zhǔn)確分析反射型聲表面波器件參數(shù)對(duì)其性能的影響,基于耦合模理論和P矩陣方法建立了器件的耦合模模型,分析得到器件的電反射特性即反射系數(shù)S11曲線,并在128°Y-XLiNbO3壓電基片試制了頻率為90 MHz的多種參數(shù)的器件,分析與測(cè)試結(jié)果表明:單個(gè)叉指換能器器件的S11中心頻率為91.26 MHz,幅值為-20.58 dB,與理論分析結(jié)果91.44 MHz和-19.21 dB相近;帶有反射柵的器件比單個(gè)叉指換能器件在中心頻率處S11幅值增大約8.5 dB,諧振峰增多,時(shí)域曲線有明顯的反射峰信號(hào),驗(yàn)證了反射柵的反射特性;叉指換能器叉指對(duì)數(shù)減小使器件中心頻率處的S11幅值減小,時(shí)域中的回波信號(hào)更尖銳,信噪比明顯增大,表明對(duì)數(shù)較多的IDT具有較強(qiáng)的反射特性,對(duì)回波信號(hào)干擾較大,過(guò)小的叉指對(duì)數(shù)對(duì)器件聲電轉(zhuǎn)換效率影響很大,會(huì)使器件性能下降;較大的反射柵指條數(shù)對(duì)回波信號(hào)影響不大,但過(guò)小的指條數(shù)會(huì)降低反射柵反射系數(shù),使得回波信號(hào)信噪比減小,紋波增多。

聲表面波;叉指換能器;耦合模;反射系數(shù)

聲表面波SAW(Surface Acoustic Wave)技術(shù)作為聲學(xué)、微波、通信、微電子、材料、微機(jī)電系統(tǒng)MEMS(Micro Electro Mechanical System)等領(lǐng)域交叉的新興技術(shù),自20世紀(jì)60年代起一直持續(xù)高速發(fā)展,相繼出現(xiàn)了大量性能優(yōu)異、用途廣泛的SAW器件。SAW器件具有損耗低、穩(wěn)定好、靈敏度高、抗干擾能力強(qiáng)、體積小、易批量生產(chǎn),以及無(wú)源無(wú)線工作等優(yōu)點(diǎn),使其應(yīng)用范圍由傳統(tǒng)的濾波器、卷積器、諧振器、延遲線等信號(hào)處理器件拓展到傳感器、射頻識(shí)別標(biāo)簽、微驅(qū)動(dòng)器等功能器件,可用于溫濕度、壓力和氣體的感測(cè)以及物品的無(wú)源無(wú)線識(shí)別,并可制備成柔性器件用于生物醫(yī)療等領(lǐng)域[1-7]。目前應(yīng)用于感知的無(wú)源無(wú)線SAW器件可分為諧振型和延遲線型兩種。諧振型SAW器件由叉指換能器IDT(Inter-Digital Transducer)和左右兩組反射柵組成,反射柵反射的信號(hào)相互疊加形成諧振腔,由IDT輸出諧振頻率的變化實(shí)現(xiàn)對(duì)外界量的感知。延遲線型SAW器件按聲波傳輸路徑的不同又可分為反射型和傳輸型。傳輸型延遲線由輸入、輸出兩組IDT組成,經(jīng)測(cè)量輸入和輸出IDT之間傳播時(shí)延的變化來(lái)實(shí)現(xiàn)信號(hào)感測(cè)。反射型SAW器件由IDT和反射柵組成,IDT完成電聲轉(zhuǎn)換,將電磁信號(hào)轉(zhuǎn)換為SAW信號(hào)并沿著壓電基片表面?zhèn)鞑?信號(hào)經(jīng)過(guò)反射柵反射,再由IDT轉(zhuǎn)換成電磁信號(hào)經(jīng)天線發(fā)射回閱讀器,通過(guò)閱讀器提取器件頻率、時(shí)延或相位的微小變化來(lái)實(shí)現(xiàn)器件的感知、識(shí)別與控制功能。

相比諧振型和傳輸型,反射型SAW器件具有多參數(shù)感測(cè)以及可編碼識(shí)別的優(yōu)勢(shì)。文獻(xiàn)[8]在一個(gè)反射型SAW器件上實(shí)現(xiàn)同時(shí)對(duì)CO2、NO2氣體和溫度的感測(cè);文獻(xiàn)[9]則實(shí)現(xiàn)同時(shí)對(duì)CO2、濕度的感測(cè)和器件編碼;文獻(xiàn)[10]則實(shí)現(xiàn)同時(shí)對(duì)磁場(chǎng)、溫度和濕度的感測(cè)。針對(duì)反射型SAW優(yōu)異的性能和廣闊的應(yīng)用前景,本文在理論分析的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)試制了多種不同參數(shù)的反射型SAW器件,對(duì)理論結(jié)果與測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析,從而驗(yàn)證了理論分析的正確性,并進(jìn)一步分析了不同叉指對(duì)數(shù)和反射柵條數(shù),以及有無(wú)反射柵等情況下的器件特性。

圖1 反射型SAW器件結(jié)構(gòu)圖

1 反射型SAW器件及理論分析

1.1 反射型SAW器件

反射型SAW器件由壓電基片及其表面的叉指狀金屬電極構(gòu)成。如圖1所示,電極結(jié)構(gòu)由一組IDT和多組反射柵組成。當(dāng)壓電基片受到外界環(huán)境擾動(dòng)時(shí)(如應(yīng)力、應(yīng)變、溫度等發(fā)生變化),其幾何尺寸、內(nèi)應(yīng)力、密度、彈性模量等物理參量會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變化,從而使其上傳播的聲表面波的頻率、相速度產(chǎn)生相應(yīng)的變化。因此,通過(guò)解析各組反射柵回波信號(hào)的幅值、頻率和相位的變化即可實(shí)現(xiàn)對(duì)外界被測(cè)量的感知。

圖1所示的反射型SAW器件的主要參數(shù)有中心頻率f0,IDT叉指對(duì)數(shù)N0,反射柵指條數(shù)N1、N2,延遲距離Ld1、Ld2以及聲孔徑W。器件中心頻率f0與聲表面波速度v和波長(zhǎng)λ的關(guān)系如式(1)所示。

f0=v/λ

(1)

叉指對(duì)數(shù)N0則與中心頻率f0和帶寬Δf的關(guān)系如式(2)所示。

N0=f0/Δf

(2)

聲孔徑W結(jié)合器件尺寸確定,常取10λ～100λ。反射柵指條數(shù)N1、N2以及延遲距離Ld1、Ld2通常根據(jù)回波信號(hào)強(qiáng)弱和感知靈敏度進(jìn)行綜合考慮確定。

1.2 理論分析

耦合模COM(Coupling Of Modes)模型用于描述正、反向傳播的兩列波相互耦合,非常適用于SAW器件的分析,其可以將SAW的反射、波速變化、損耗衰減等二階效應(yīng)考慮在內(nèi),使分析的結(jié)果更準(zhǔn)確、有效。本文基于COM理論對(duì)聲表面波傳播路徑上各單元的P矩陣進(jìn)行級(jí)聯(lián),對(duì)器件的頻響特性進(jìn)行模擬,再通過(guò)傅里葉反變換得到反射信號(hào)的時(shí)域波形。

反射型SAW器件的COM模型如圖2所示,其中R(x),S(x)表示IDT激勵(lì)的正向和反向(即±x方向)傳播的聲表面波,Rr(x),Sr(x)則表示反射柵正向和反向傳播的聲表面波,輸入的電壓信號(hào)為V,用于激勵(lì)I(lǐng)DT產(chǎn)生聲表面波。IDT的基本耦合模方程如式(3)所示[11-16]。

2017年，面對(duì)受外賣(mài)沖擊的方便面市場(chǎng)，康師傅果斷進(jìn)行行業(yè)轉(zhuǎn)型創(chuàng)新，針對(duì)消費(fèi)群體的不同需求，研發(fā)了一款名為“DIY面”的新產(chǎn)品。通過(guò)對(duì)制面工藝、料理包、包裝設(shè)計(jì)的改進(jìn)，引導(dǎo)方便面食用場(chǎng)景家庭化，消費(fèi)者可自主選擇個(gè)性化食材，輕松搭配營(yíng)養(yǎng)餐。談到“DIY面”產(chǎn)品研發(fā)的初衷，康師傅控股有限公司中央研究所方便面研發(fā)中心處長(zhǎng)張彥濤介紹說(shuō)：“從調(diào)查來(lái)看，家庭規(guī)?？s小加上人口老齡化，人們對(duì)健康和便利的需求提升，外賣(mài)食品安全與深度料理耗時(shí)等問(wèn)題愈發(fā)突出，簡(jiǎn)單、安心的簡(jiǎn)易料理需求也日漸提升。”

圖2 IDT和反射柵耦合模模型圖

(3)

式中:δ為調(diào)諧系數(shù),κ為反射率,α為換能系數(shù),C為單位周期電極電容,其與器件參數(shù)之間的關(guān)系如下:

δ=ω/ve-jγ

(4)

(5)

(6)

式中:ve=v(1+Δv/v)為擾動(dòng)后的SAW速度,v為自由表面SAW速度,γ為傳播損耗,Re和Rm為電負(fù)載和質(zhì)量負(fù)載對(duì)反射率的影響,a為電極寬度,p=λ/2,h為膜厚,式(6)中介電常數(shù)ε∞近似為

(7)

式中:ε0是真空介電常數(shù),εp是壓電基片有效介電常數(shù)。則式(3)的解可用一個(gè)3×3的混合P矩陣來(lái)表示,如式(8)所示。

(8)

式中:P矩陣的各個(gè)元素值由下式得到:

(9)

式中:

(10)

由互易關(guān)系關(guān)系可得P31=-2P13,P32=-2P23。同理,開(kāi)路反射柵的耦合模方程可表示為[16]:

(11)

式中:

(12)

(13)

式中:P矩陣各元素計(jì)算方式與式(8)一致,此處不再贅述。而對(duì)于聲表面波在無(wú)電極的自由表面上傳播并產(chǎn)生延遲,也可用P矩陣表示為[15]:

(14)

式中:Ld為延遲距離,kf=ω/v-jγ。

通過(guò)上述模理論推導(dǎo)可得到IDT的P矩陣PI,反射柵的P矩陣Pr1、Pr2,以及自由表面延遲距離的P矩陣Pd1、Pd2。根據(jù)P矩陣的級(jí)聯(lián)關(guān)系,假設(shè)R1,Ld2,R2級(jí)聯(lián)的P矩陣為PR,再將其與PI、Pd級(jí)聯(lián),由此可得到整個(gè)器件的P矩陣。則器件的導(dǎo)納矩陣Y可以用P矩陣中的元素表示為[9]:

(15)

式中:

(16)

則器件的反射系數(shù)S11可用Y矩陣的解表示為:

(17)

再經(jīng)傅里葉反變換可將頻域信號(hào)S11變換為時(shí)域信號(hào),可以得到器件回波信號(hào)的時(shí)域特性。

基于上述理論分析,本文用MATLAB建立了SAW器件的耦合模模型,模擬了中心頻率約為90 MHz的不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的SAW器件,并假定基片不受外界環(huán)境干擾,基片表面干凈無(wú)污染,基片邊緣涂抹吸聲膠,邊緣反射的聲表面波可忽略不計(jì),電極圖形分布均勻,無(wú)斷路、短路。壓電基片采用128°Y-X切向LiNbO3,厚度為500 μm,機(jī)電耦合系數(shù)K2為5.5%,自由表面聲表面波波速為3 980 m/s[15]。電極材料為銀,電極周期43.7 μm,電極寬度10.9 μm,厚度為200 nm。延遲距離Ld1=4 000 μm,Ld2=2 000 μm,聲孔徑W=50λ=2 000 μm。器件其他參數(shù)如表1所示。

分析得到的表1中四種器件的S11特性曲線如圖3所示。后文第4節(jié)對(duì)理論分析結(jié)果與測(cè)試結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)地對(duì)比討論。

表1 器件參數(shù)

圖3 各參數(shù)SAW器件S11理論分析結(jié)果

圖4 試制SAW器件圖

2 器件研制

基于第1節(jié)理論分析所確定的結(jié)構(gòu)參數(shù),本文試制了相應(yīng)的SAW器件。器件制作采用剝離(lift-off)工藝,通過(guò)晶向?qū)?zhǔn)、光刻、濺射鍍膜、剝離去膠,精確控制電極尺寸,確保電極圖形轉(zhuǎn)移過(guò)程中的分辨率和可靠性。制作的3英寸樣片如圖4(a)、4(b)所示。圖4(c)、4(d)為利用光學(xué)顯微鏡得到的電極結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)圖,所制作器件的電極周期為43.7 μm,電極寬度為10.9 μm,與設(shè)計(jì)值44 μm和11 μm相近。

3 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果討論

本文搭建了SAW器件的測(cè)試系統(tǒng)如圖5所示。通過(guò)引線將器件電極與SMA接口連通,用安捷倫E5063A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試器件S參數(shù),掃頻范圍為80 MHz～100 MHz,時(shí)域測(cè)試范圍為0～7 μs。

圖5 測(cè)試系統(tǒng)圖

本文對(duì)各器件的測(cè)試結(jié)果與第1節(jié)理論分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析。圖6為表1中器件1(單個(gè)IDT,沒(méi)有反射柵結(jié)構(gòu))的S11參數(shù)的測(cè)試結(jié)果與理論分析結(jié)果對(duì)比圖,測(cè)試得到的中心頻率為91.26 MHz,幅值為-20.58 dB,與理想情況下的理論分析結(jié)果91.44 MHz和-19.21 dB相近,驗(yàn)證了理論分析的正確性。

圖6 單個(gè)IDT的頻域S11分析與測(cè)試

圖8 IDT指對(duì)數(shù)對(duì)器件S11的影響

在對(duì)單個(gè)IDT分析的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步分析帶兩組反射柵的SAW器件,參數(shù)如表1器件2所示,理論分析與測(cè)試結(jié)果如圖7所示。圖7(a)為頻域下的S11特征曲線,測(cè)試結(jié)果與理論分析結(jié)果的整體趨勢(shì)吻合較好。與圖6進(jìn)行對(duì)比可以看出,帶有反射柵的器件比單個(gè)IDT的反射系數(shù)在中心頻率處增大了約8.5 dB,由于反射柵反射回波信號(hào),使中心頻率附近的諧振峰增多。將頻域S11曲線做傅里葉反變換得到時(shí)域曲線,如圖7(b)所示的兩個(gè)反射峰進(jìn)一步驗(yàn)證了兩個(gè)反射柵反射的回波信號(hào)。

圖7 反射型SAW器件S11分析與測(cè)試結(jié)果

表1中器件2與器件3的IDT叉指對(duì)數(shù)不同,兩種器件的測(cè)試與理論分析結(jié)果如圖8所示。從圖8可以看出,在頻域中叉指對(duì)數(shù)減小使得S11在中心頻率附近的幅值減小,減小幅度約為7 dB,諧振峰增多。在時(shí)域中叉指對(duì)數(shù)由50對(duì)減少至25對(duì)時(shí),反射柵回波信號(hào)幅值增大約14.5 dB,信號(hào)更尖銳,信噪比明顯增大。這說(shuō)明IDT存在反射效應(yīng),減小叉指對(duì)數(shù)可以降低IDT的反射現(xiàn)象,從而使得回波信號(hào)更加清晰。而當(dāng)叉指對(duì)數(shù)為5對(duì)時(shí),與叉指對(duì)數(shù)為25對(duì)相比,反射柵回波信號(hào)幅值反而減小,信噪比減小,且波形出現(xiàn)畸變,不利于信號(hào)的有效識(shí)別。這說(shuō)明過(guò)小叉指對(duì)數(shù)使激發(fā)的聲表面波大幅減少,聲電轉(zhuǎn)換效率明顯下降,器件性能下降。因此,設(shè)計(jì)器件時(shí)需根據(jù)目標(biāo)合理選擇叉指對(duì)數(shù)。

表1中器件2與器件4的反射柵指條數(shù)不同,圖9(a)為兩種器件的測(cè)試結(jié)果對(duì)比圖。反射柵指條數(shù)的變化對(duì)器件影響在頻域下較難區(qū)分,這是由于相比于反射柵,IDT的轉(zhuǎn)換與反射特性很強(qiáng),導(dǎo)致反射柵回波信號(hào)淹沒(méi)在IDT特性信號(hào)中。在時(shí)域中回波信號(hào)信噪比幾乎沒(méi)有變化,只是因?yàn)橹笚l數(shù)的不同使得反射柵中心位置發(fā)生偏移,導(dǎo)致回波信號(hào)反射峰時(shí)延的變化。為了進(jìn)一步分析反射柵指條數(shù)對(duì)器件性能的影響,對(duì)反射柵指條數(shù)更小的器件(N1=6,N2=8)進(jìn)行了理論分析。

圖9 反射柵指條數(shù)對(duì)器件S11的影響

三種器件的分析結(jié)果如圖9(b)所示,可見(jiàn)反射柵指條數(shù)進(jìn)一步減小降低了反射系數(shù),使得回波信號(hào)幅值減小約7 dB,信噪比減小,紋波增多,不利于信號(hào)的有效識(shí)別。因此,在設(shè)計(jì)器件時(shí)應(yīng)適當(dāng)選取反射柵指條數(shù),在回波信號(hào)滿足設(shè)計(jì)要求的前提下,可降低器件反射柵復(fù)雜度。

4 結(jié)論

本文基于耦合模理論,建立了反射型SAW器件的耦合模模型,利用MATLAB軟件對(duì)中心頻率約為90 MHz的不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的SAW器件進(jìn)行了模擬,試制了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的SAW器件,并搭建了相應(yīng)的測(cè)試系統(tǒng)。對(duì)比測(cè)試與分析結(jié)果得到:①對(duì)叉指對(duì)數(shù)為50的單個(gè)IDT測(cè)試得到的中心頻率為91.26 MHz,幅值為-20.58 dB,與理想情況下的理論分析結(jié)果91.44 MHz和-19.21 dB較為接近,驗(yàn)證了耦合模參數(shù)選取的準(zhǔn)確性和理論分析的正確性;②帶有反射柵的器件比單個(gè)IDT器件的反射系數(shù)S11在中心頻率處增大了約8.5 dB,時(shí)域曲線存在明顯的由兩個(gè)反射柵反射的回波信號(hào),進(jìn)一步證明了理論分析的正確性;③分析IDT叉指對(duì)數(shù)對(duì)器件性能的影響,可以觀察到IDT的反射效應(yīng),減小叉指對(duì)數(shù)可以降低IDT的反射現(xiàn)象,從而使得回波信號(hào)更尖銳、信噪比更大,但過(guò)小的叉指對(duì)數(shù)會(huì)降低IDT的聲電轉(zhuǎn)換率,使得激發(fā)的聲表面大幅減少,回波信號(hào)幅值和信噪比減小,使器件性能下降;④分析了反射柵對(duì)器件性能的影響,得到較大的反射柵指條數(shù)對(duì)回波信號(hào)影響不大,但過(guò)小的指條數(shù)會(huì)降低反射柵反射系數(shù),使得回波信號(hào)信噪比減小,紋波增多。

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ReflectionPropertyandPerformanceofSurfaceAcousticWaveDevices*

WANGTianxian,XIELiqiang*,XINGJianchun,ZHUXifeng

(College of Defense Engineering,Army Engineering University,Nanjing 210007,China)

In order to analyze the effect of the device parameters on the performance of the SAW(Surface Acoustic Wave)reflective device,COM(coupling of modes)model of SAW device was established by using COM and P matrix theory. Then,the reflective coefficientsS11of SAW device was deduced. Different parameters of SAW devices were designed and fabricated on 128°Y-Xcut LiNbO3piezoelectric wafer. The conclusions are as follows. Firstly,the measuredS11results of single inter-digital transducer(IDT)shows that the center frequency is 91.26 MHz and the amplitude is -20.58 dB,which matched well with the simulated results 91.44 MHz and -19.21 dB. Secondly,compared with single IDT device,the amplitude of the device with reflectors is greater 8.5 dB at the center frequency,and more resonance peaks in frequency domain and sharp peaks in time domain are presented. Thirdly,for the device with small IDT finger pairs,more resonance peaks in frequency domain and clear sharp peaks,larger signal-to noise ratio in time domain can be observed. This shows that the IDT with more finger pairs has stronger reflection property. Fourthly,when the electrode numbers of reflectors decreased,the signal-to noise ratio is decreased and the ripple is increased. The above conclusion can help researchers to optimize device parameters when designing SAW devices.

surface acoustic wave;inter-digital transducer;coupling of modes;reflective coefficient

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.12.012

項(xiàng)目來(lái)源:國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51505499);江蘇省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(BK20150712)

2017-01-18修改日期2017-03-21

TP212.3

A

1004-1699(2017)12-1850-07

王添仙(1992-),男,福建莆田人,碩士研究生,2015年于南昌大學(xué)獲得學(xué)士學(xué)位,主要從事MEMS傳感器研究,wtx0256@sina.com;

謝立強(qiáng)(1980-),男,通訊作者,吉林舒蘭人,博士,碩士生導(dǎo)師,2003年、2005年、2010年于國(guó)防科技大學(xué)分別獲得學(xué)士、碩士、博士學(xué)位,現(xiàn)為陸軍工程大學(xué)國(guó)防工程學(xué)院講師,主要從事微機(jī)電系統(tǒng)以及建筑智能化技術(shù)等方向的研究,xielq@outlook.com。