硅酸鎵鑭單晶材料的聲表面波標簽研究

徐夢茹，肖夏

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硅酸鎵鑭單晶材料的聲表面波標簽研究

徐夢茹，肖夏

(天津大學微電子學院，天津 300072)

聲表面波射頻識別標簽在射頻標簽領域獲得廣泛關注，其中對標簽基底材料的研究也成了研究熱點。文章旨在研究使用硅酸鎵鑭單晶材料為壓電基底的聲表面波標簽的標簽特性。對使用硅酸鎵鑭單晶材料為壓電基底的聲表面波標簽進行頻域和時域分析，并結合有限元分析方法，對標簽的特征頻率、叉指換能器(Interdigital Transducer, IDT)的反射系數(shù)、叉指電極金屬化比、金屬電極厚度以及標簽回波特性進行研究分析，提取了耦合模COM(Coupled-mode)模型參數(shù)。分析結果表明了壓電效應是聲表面波的諧振與反諧振頻率存在的根源，驗證了脈沖幅度編碼方式，并為使用硅酸鎵鑭材料作為壓電基底的聲表面波標簽的制作提供了仿真實驗依據(jù)。

聲表面波標簽；硅酸鎵鑭單晶；有限元方法

0 引言

聲表面波射頻識別標簽(Surface Acoustic Wave Radio Frequency Identification Tags, SAW RFID)與傳統(tǒng)的集成電路(Integrated Circuit, IC)標簽相比，具有可對運動物體進行識別、讀取距離遠、能在惡劣環(huán)境下工作以及對液體和金屬的抗干擾能力強等特點，因此對SAW RFID的研究逐漸成為熱點[1-5]。SAW標簽由壓電基片、反射柵和沉積在壓電基片上的叉指換能器(Interdigital Transducer, IDT)組成。目前對SAW標簽的研究主要集中于標簽結構設計[6]、編碼方式的設計[7]以及標簽的性能分析[8]。

壓電單晶材料是最早應用于聲表面波器件的壓電材料，目前仍廣泛應用于各類聲表面波器件中。硅酸鎵鑭(Langasite, LGS)晶體是一種橙色透明的新型壓電晶體，從20世紀80年代首次報道以來一直吸引著研究者的關注。LGS具有比石英大2～3倍的機電耦合系數(shù)，與石英的溫度穩(wěn)定性相當，LGS晶體從室溫到1 470℃都不發(fā)生相變，適合制作溫度穩(wěn)定性高的聲表面波器件[9-13]。此外，LGS晶體的聲表面波傳播速度低，適合器件的小型化[14]。這些優(yōu)點讓LGS材料備受國內(nèi)外研究機構的關注。

本文針對使用歐拉角為(0°, 138.5°, 26.7°)的LGS晶體材料作為壓電基片的SAW標簽進行有限元研究分析，研究分析內(nèi)容包括標簽的特征頻率、叉指電極金屬化比、金屬電極厚度以及標簽回波特性。借助有限元仿真軟件COMSOL Multiphysics完成研究內(nèi)容。對SAW標簽進行頻率和時域特性的仿真分析，結果表明，SAW標簽中壓電效應是諧振頻率和反諧振頻率存在的根源，電極尺寸會影響二者的具體數(shù)值大小。SAW標簽的表面波波速隨著電極厚度與波長比的增大而減小。對標簽的時域仿真分析驗證了脈沖幅度編碼方式。分析結果能夠指導SAW標簽的研究和制作。

1 SAW RFID工作原理

如圖1所示，SAW RFID的具體工作過程為：閱讀器發(fā)射出射頻詢問脈沖，當SAW標簽進入查詢范圍時標簽天線接收詢問脈沖射頻信號，與標簽天線直接相連的IDT通過逆壓電效應將接收到的電磁波轉化為SAW并且沿著標簽基片表面?zhèn)鞑?，傳播過程中SAW遇到反射柵產(chǎn)生反射和透射，反射信號通過正壓電效應由IDT轉換成電磁波經(jīng)由標簽天線發(fā)射出去，由閱讀器接收[15]。

圖1 聲表面波射頻標簽識別系統(tǒng)結構示意圖

SAW RFID系統(tǒng)中，閱讀器發(fā)出的查詢脈沖決定了查詢脈沖射頻信號的頻率，壓電基片材料和IDT決定了標簽的諧振頻率。當查詢脈沖射頻信號的頻率和標簽的諧振頻率相等時，SAW的激發(fā)效率最高[16]，標簽的插入損耗也最小。

2 有限元方法與結果分析

2.1 標簽二維結構模型

根據(jù)簡化之后的二維模型的參數(shù)，在有限元分析軟件COMSOL Multiphysics中建立了與之對應的二維模型結構。

圖2 聲表面波標簽特征頻率分析的簡化二維結構模型

表1 聲表面波標簽二維幾何結構參數(shù)(μm)

表2 聲表面波標簽二維幾何結構邊界條件

表3 LGS單晶彈性矩陣彈性系數(shù)(1010 N·m-2)

表4 LGS單晶壓電常數(shù)(C·m-2)

2.2 標簽頻域分析

2.2.1 標簽COM模型參數(shù)

SAW能量集中在基片表面1～2個波長內(nèi)，隨著基片深度的增加，SAW的振幅呈指數(shù)衰減，因此能夠把SAW振型從各個不同的波動陣型中提取出來，從而獲得特征頻率。利用頻率分析模塊，提取出符合SAW特性的對稱模態(tài)和反對稱模態(tài)，如圖3所示。

圖3 對稱模態(tài)和反對稱模態(tài)圖

可通過式(3)計算出標簽IDT的反射系數(shù)：

反射系數(shù)的計算結果為0.85%，對稱模態(tài)和反對稱模態(tài)下的頻率可以用于分析IDT的二次效應。

在表面波器件的頻率效應分析中，主要分析器件的輸入導納，導納值的計算公式為

通過頻域仿真分析，可以獲得導納和頻率的關系，如圖5所示。圖5中兩個極點處，表示導納無窮大，兩極點對應的頻率為標簽的諧振頻率。越靠近諧振頻率附近，IDT的導納越大，距離較遠則對應導納越小。

可以通過有限元仿真提取用于分析SAW標簽的COM模型參數(shù)，進行進一步的標簽模型分析和計算。此外，對導納的分析有助于對SAW器件的阻抗匹配進行研究。

圖4 反對稱模態(tài)下SAW振幅圖

圖5 均勻IDT相對聲輻射導納

2.2.2 叉指電極金屬化比對SAW波速的影響

表5 SAW波速隨MR的變化

2.2.3 金屬電極厚度對SAW波速的影響

SAW波速隨電極厚度與波長比的變化如表6所示。從表6可見，隨著電極厚度與波長比的增大，SAW器件的波速減小，進而SAW標簽的中心頻率減小。為了滿足實際的應用需求，需要選擇合適的SAW標簽電極厚度與波長比。

表6 SAW波速隨電極厚度與波長比的變化

2.3 標簽的時域回波特性分析

SAW標簽利用固定位置反射柵的有無實現(xiàn)脈沖幅度編碼，反射柵的有和無分別代表著編碼1和0。通過分析標簽的回波特性獲得標簽的編碼信息，這是研究SAW射頻識別標簽的關鍵。

標簽回波的仿真模型如圖6所示。選用5個金屬電極作為IDT，在IDT上分別加載不同的電壓激勵模擬查詢脈沖，模型中有3個等間距分布的反射柵。建立111和110兩種標簽編碼用于仿真對應的回波特性。標簽回波特性仿真的幾何結構參數(shù)見表7。壓電基片選用LGS單晶材料，IDT和反射柵的金屬電極使用金屬鉑材料。標簽回波特性仿真時域圖如圖7所示。從圖7(a)、7(b)中可以看出，時域上回波脈沖的波形和反射柵的有無存在對應關系。因此，通過設置反射柵的有無可以完成對標簽的編碼。對回波特性的時域仿真結果的分析證實了脈沖幅度編碼的正確性。

圖6 標簽回波特性仿真結構圖

表7 標簽回波特性仿真結構參數(shù)(μm)

圖7 兩種編碼的回波特性時域圖

3 結論

本文對使用歐拉角為(0°, 138.5°, 26.7°)的硅酸鎵鑭單晶作為壓電基底材料的聲表面波標簽進行研究分析，借助有限元仿真軟件COMSOL Multiphysics，計算不同叉指電極金屬化比下標簽的中心頻率與波速，結果證明壓電效應是聲表面波的諧振與反諧振頻率存在的根源，電極尺寸會影響二者數(shù)值的大小。對標簽金屬電極厚度的計算分析，說明了標簽波速隨著電極厚度與波長比的增大而減小，針對實際應用環(huán)境要選擇合適的金屬電極厚度。在對標簽的時域分析中，驗證了脈沖幅度的編碼方式。這些分析為使用LGS作為壓電基片材料的聲表面波標簽的設計制作提供了指導。

在實際制作中，SAW器件是三維器件，本文所進行的研究針對理想化的二維SAW器件，在計算中忽略了IDT周期對數(shù)對SAW激發(fā)效率的影響，以及SAW衰減、體波散射等對器件的影響，因此計算結果與實際測試結果存在誤差，但仿真計算結果能夠反映SAW器件的特性，并且能夠用于分析SAW器件的編碼方法，存在實際的應用價值。

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The study of langasite based surface acoustic wave tag

XU Meng-ru, XIAO Xia

(School of Microelectronics Tianjin University, Tianjin 300072, China)

Surface acoustic wave (SAW) radio frequency identification tags have attracted widely attention in the field of radio frequency tags, and the study of the tag substrate materials also becomes a hotspot. The purpose of this paper is to study the tag properties of surface acoustic wave tags using langasite (LGS) as piezoelectric substrate. The surface acoustic wave tag based on LGS (0°, 138.5°, 26.7°) is analyzed in frequency domain and time domain. The tag characteristic frequency, deposit ratio of interdigital electrode, metal electrode thickness and echo pulse characteristics are analyzed by the finite element analysis method. The analysis results show that the resonance and anti-resonance frequencies of surface acoustic wave are caused by the piezoelectric effect, and the pulse amplitude encoding mode is also verified. These results provide a basis for the fabrication of surface acoustic wave tags.

surface acoustic wave tag; langasite; finite element simulation

TN47

A

1000-3630(2019)-01-0108-05

10.16300/j.cnki.1000-3630.2019.01.018

2018-01-15;

2018-03-08

國家自然科學基金資助項目(61571319)。

徐夢茹(1994－), 女, 安徽六安人, 碩士研究生, 研究方向為聲表面波射頻識別標簽。

肖夏,E-mail: xiaxiao@tju.edu.cn