考慮封裝的SAW諧振式傳感器仿真研究

蔡飛達(dá)，李紅浪，柯亞兵，田亞會(huì)，盧孜筱

(1.中國(guó)科學(xué)院 聲學(xué)研究所，北京 100190；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100490)

0 引言

自20世紀(jì)70年代聲表面波(SAW)傳感器問(wèn)世以來(lái)，SAW傳感技術(shù)已在物理、化學(xué)、生物等各個(gè)領(lǐng)域中取得了廣泛的應(yīng)用[1-3]。SAW傳感器通常由叉指換能器(IDT)、基片和反射柵3部分組成，分為延遲線型和諧振型。其中，SAW諧振型傳感器的反射柵與IDT形成諧振腔，SAW信號(hào)在諧振腔中諧振。與延遲線型SAW傳感器相比，諧振型SAW傳感器具有低插入損耗,帶寬占用少及結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)勢(shì)，可以實(shí)現(xiàn)更小的封裝體積[4-5]。

隨著SAW器件體積的減小，SAW傳感器對(duì)封裝造成的影響更敏感。在433 MHz或更高的射頻頻段，SAW傳感器的封裝尺度已與電磁波信號(hào)的波長(zhǎng)可比，導(dǎo)致封裝的寄生參數(shù)影響顯著[6]。傳統(tǒng)的、只基于耦合模(COM)模型的仿真結(jié)果和實(shí)際封裝器件的測(cè)試結(jié)果差距逐漸增大。因此，在設(shè)計(jì)階段就必須對(duì)傳感器封裝帶來(lái)的電磁影響進(jìn)行仿真，進(jìn)而在制作前獲得更準(zhǔn)確的仿真結(jié)果，提高傳感器設(shè)計(jì)的成功率。

SAW器件封裝仿真通常是將管殼和焊點(diǎn)等結(jié)構(gòu)抽象成一個(gè)由集總參數(shù)原件及傳輸線組成的電路網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行模擬[7]。通過(guò)對(duì)集總原件參數(shù)的不斷調(diào)整，使仿真結(jié)果和測(cè)量數(shù)據(jù)相對(duì)應(yīng)。由于集總參數(shù)原件數(shù)量與網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜度的限制，這種方法不能精確地描述匯流條、焊盤(pán)連線、焊盤(pán)與壓電晶體等結(jié)構(gòu)之間的三維電磁場(chǎng)分布關(guān)系[6]。因此，本文提出使用COM模型對(duì)SAW諧振式傳感器芯片進(jìn)行仿真，同時(shí)聯(lián)合三維電磁場(chǎng)仿真軟件HFSS對(duì)匯流條及封裝進(jìn)行仿真，在ADS軟件中通過(guò)多端口參數(shù)級(jí)聯(lián)，得到考慮封裝的SAW諧振式傳感器的S參數(shù)響應(yīng)。

1 SAW諧振器COM模型仿真

COM理論是研究SAW 傳感器重要的理論方法之一[8]。采用COM仿真SAW諧振器的一般流程為:首先根據(jù)材料特性計(jì)算模型的參數(shù),再利用模型方程分別計(jì)算器件內(nèi)部IDT和反射柵的P矩陣，然后根據(jù)IDT和反射柵的連接關(guān)系將二者P矩陣級(jí)聯(lián)得到整個(gè)器件的P矩陣。最后利用P矩陣得出散射矩陣、導(dǎo)納矩陣等，進(jìn)而計(jì)算出器件的時(shí)域響應(yīng)和頻域響應(yīng)。

本文仿真的SAW諧振器工作在428.3 MHz左右，膜厚0.3 μm；叉指換能器指條對(duì)數(shù)為90對(duì)，金屬化比為0.4；雙側(cè)反射柵指條對(duì)數(shù)各為160對(duì)，反射柵金屬化比為0.4，COM模型仿真的S11結(jié)果如圖1所示。

圖1 COM模型仿真結(jié)果

2 傳感器封裝結(jié)構(gòu)的電磁仿真及其與COM模型的結(jié)合

傳統(tǒng)SAW諧振器COM模型仿真只計(jì)算出了IDT和反射柵共同組成諧振腔的S參數(shù)。針對(duì)封裝結(jié)構(gòu)對(duì)芯片整體電磁相應(yīng)的影響，提出在傳統(tǒng)COM模型基礎(chǔ)上，對(duì)傳感器封裝管殼進(jìn)行電磁仿真，并與COM模型結(jié)果進(jìn)行結(jié)合分析。對(duì)結(jié)構(gòu)中的陶瓷管殼、硅鋁絲邦線、匯流條、晶元基片均需在HFSS中進(jìn)行建模并仿真。本文仿真使用的封裝是NTK公司5 mm×5 mm 的表面貼裝器件(SMD)陶瓷管殼；仿真的芯片尺寸為3.60 mm×2.58 mm×0.48 mm，材料為石英，在HFSS中建模效果如圖2所示。

圖2 HFSS建模效果圖

材料方面，壓電基片采用石英參數(shù)，介電常數(shù)為3.78；陶瓷管殼根據(jù)生產(chǎn)廠家資料選取氧化鋁陶瓷仿真，介電常數(shù)為9.8；管殼中金屬層材料為鎳，硅鋁絲及匯流條仿真使用材料為鋁。

環(huán)境設(shè)置方面，根據(jù)器件在印刷電路板(PCB)上的實(shí)際工作情況，將管殼默認(rèn)接地管腳和諧振器其中一側(cè)信號(hào)管腳使用理想地平面進(jìn)行連接，另一側(cè)連接信號(hào)的引腳懸空。封裝仿真時(shí)，采用集總參數(shù)端口的激勵(lì)方式，求解各端口S參數(shù)。由于信號(hào)管腳到諧振器匯流條的電器連接均為非理想導(dǎo)體，所以，在諧振器匯流條處和理想地平面之間分別設(shè)置兩個(gè)集總參數(shù)端口，仿真其傳輸特性[9]。連接信號(hào)管腳的匯流條設(shè)置為端口3、連接至接地引腳的匯流條設(shè)置為端口2，在信號(hào)管腳與理想地平面之間設(shè)置端口1。設(shè)置情況如圖3所示。

圖3 端口設(shè)置

為了在不影響計(jì)算精度的情況下，減少HFSS在有限元求解過(guò)程中的計(jì)算量，本文對(duì)傳感器結(jié)構(gòu)模型建立的過(guò)程中網(wǎng)格的劃分主要進(jìn)行了兩方面簡(jiǎn)化：

1) 將實(shí)際截面為圓柱形的硅鋁絲抽象成為3個(gè)六棱柱的組合。

2) 將芯片側(cè)邊半圓管狀金屬鍍層簡(jiǎn)化為片狀鍍膜。

上述簡(jiǎn)化在保證仿真精度的前提下，加快了仿真速度[10]。仿真結(jié)果如圖4所示，圖中虛線表示端口1與端口3之間的插入損耗，由于兩個(gè)端口之間通過(guò)管殼中的金屬結(jié)構(gòu)短接，故插入損耗較小，約為0.1 dB；圖中實(shí)線表示端口2與端口3之間的信號(hào)泄漏，由于無(wú)SAW諧振器相連，故呈現(xiàn)斷路狀態(tài)，泄漏約為-52.2 dB。

圖4 端口插損

在得到芯片的單端口S參數(shù)和HFSS仿真的3個(gè)端口的S參數(shù)后，在電路仿真軟件ADS中進(jìn)行級(jí)聯(lián)，仿真芯片與管殼整體級(jí)聯(lián)后的的單端口S參數(shù)響應(yīng)，端口負(fù)載設(shè)置為50 Ω，掃頻頻段為427～429 MHz，步進(jìn)1 kHz，仿真電路設(shè)置如圖5所示。

圖5 ADS電路原理圖

3 仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比對(duì)

本文使用網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)仿真的SAW諧振型傳感器進(jìn)行實(shí)際測(cè)試，該傳感器對(duì)溫度、壓力敏感，因此，測(cè)試環(huán)境應(yīng)保證恒溫、恒壓。封裝為密閉結(jié)構(gòu)，認(rèn)為壓力不變，溫度方面則使用高精度恒溫箱保證恒溫。同時(shí)，為了排除網(wǎng)絡(luò)分析儀及射頻同軸電纜的影響，在連接測(cè)試PCB前，對(duì)網(wǎng)絡(luò)分析儀及射頻同軸電纜進(jìn)行開(kāi)路校準(zhǔn)。測(cè)試使用的PCB如圖6所示。

圖6 PCB測(cè)試板

最終將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)、SAW諧振器仿真數(shù)據(jù)、考慮封裝的SAW諧振器數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖7、8所示。由圖8可知，僅使用COM模型進(jìn)行仿真的S11幅度最小值對(duì)應(yīng)的頻率為428.290 MHz，吸收峰幅度約為-12.5 dB；實(shí)際器件S11幅度最小值對(duì)應(yīng)的頻率為428.282 MHz，吸收峰幅度約為-17 dB；兩者頻率相差8 kHz，吸收峰幅度相差4.5 dB?？紤]封裝的SAW傳感器仿真結(jié)果的S11幅度最小值對(duì)應(yīng)的頻率為428.283 MHz，吸收峰幅度約為-15 dB，與實(shí)際情況頻率相差1 kHz，吸收峰幅度相差2 dB。因此，考慮封裝的SAW傳感器仿真結(jié)果比僅使用COM模型進(jìn)行的仿真更接近實(shí)際情況。

圖7 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)史密斯圓圖對(duì)比

圖8 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)幅度對(duì)比

4 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)帶封裝、小體積射頻聲表面波傳感器的精確仿真，本文在COM模型的基礎(chǔ)上，使用三維電磁波仿真軟件HFSS對(duì)傳感器封裝結(jié)構(gòu)進(jìn)行仿真，使用電路仿真軟件ADS對(duì)COM模型仿真結(jié)果和傳感器封裝結(jié)構(gòu)的S參數(shù)進(jìn)行結(jié)合，考慮了封裝對(duì)傳感器電學(xué)響應(yīng)的影響，實(shí)際測(cè)量結(jié)果與改進(jìn)仿真方法后的仿真結(jié)果更吻合。