基于SH-SAW諧振器的無(wú)線溫度傳感器研究

房 賽，彭 斌，楊云濤，何 鵬，朱加良

(1.電子科技大學(xué)電子薄膜與集成器件國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川成都 610054；2.中國(guó)核動(dòng)力研究設(shè)計(jì)院，四川成都 610213)

0 引言

聲表面波(surface acoustic wave，SAW)諧振器[1-2]是利用壓電材料制作的一類聲表面波器件，其諧振頻率和環(huán)境溫度、壓力、應(yīng)變等物理參數(shù)相關(guān)[3-5]，通過(guò)檢測(cè)諧振頻率的變化即可實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、壓力和應(yīng)變等參數(shù)的檢測(cè)?；赟AW諧振器[6]的傳感器具有無(wú)線測(cè)試、無(wú)需電源、耐輻照等技術(shù)優(yōu)勢(shì)，在實(shí)際的工程應(yīng)用中，可以減少探測(cè)線纜的使用，進(jìn)而在復(fù)雜環(huán)境中降低安全隱患；該種傳感器能夠在高溫、輻照等惡劣環(huán)境下正常工作。因此，SAW無(wú)線傳感技術(shù)作為一種新型的傳感技術(shù)具有研究?jī)r(jià)值，其在航空、航天、核動(dòng)力等領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用前景。

水平剪切聲表面波(shear horizontal surface acoustic wave，SH-SAW)[7-8]是聲表面波的一種，它與通常所說(shuō)的聲表面波即瑞利波(Rayleigh)不同。瑞利波是質(zhì)點(diǎn)垂直剪切運(yùn)動(dòng)與沿傳播方向的擠壓運(yùn)動(dòng)的疊加，而SH-SAW則只具有水平剪切運(yùn)動(dòng)，即質(zhì)點(diǎn)的位移平行于襯底表面，垂直于波的傳播方向[9]。SH-SAW的振動(dòng)不具有垂直于表面的法向分量，從而相較于瑞利波在界面處引起的損耗較小，制作的器件具有更高的Q值。SH-SAW的聲速通常高于Rayleigh波，具有較高溫度靈敏度優(yōu)勢(shì)。因此，基于SH-SAW的諧振器作為傳感器具有高Q值、高靈敏度的優(yōu)勢(shì)。

SH-SAW的激發(fā)通常取決于襯底材料的性質(zhì)，常見用于激發(fā)SH-SAW的襯底材料有41°YX鈮酸鋰、128°YX鈮酸鋰、36°YX鉭酸鋰、ST-X石英等。本文采用歐拉角為(0°,38°,0°)的128°YX鈮酸鋰壓電晶體材料，設(shè)計(jì)并制作了基于SH-SAW模式的窄帶、高Q值諧振器，研究了其溫度特性，并利用該諧振器制作了無(wú)線溫度傳感器，研究了其無(wú)線測(cè)溫特性。

1 器件設(shè)計(jì)仿真

本文采用的器件結(jié)構(gòu)為如圖1所示的單端口諧振器，其結(jié)構(gòu)由叉指換能器(IDT)和兩側(cè)的反射柵組成。其諧振頻率由式(1)決定：

(1)

式中：v為聲表面波的相速度；λ為叉指的周期。

圖1 單端口諧振器基本結(jié)構(gòu)

通過(guò)多物理場(chǎng)有限元仿真對(duì)叉指換能器進(jìn)行三維模型仿真，以確定叉指換能器在128°YX鈮酸鋰壓電襯底上所激發(fā)的波模式以及其中心頻率。叉指電極的寬度為3 μm，叉指間空隙為3 μm，理論波長(zhǎng)為12 μm，叉指電極的厚度為140 nm。襯底在長(zhǎng)度和寬度方向設(shè)置周期性邊界條件，叉指在長(zhǎng)度方向設(shè)置周期性邊界條件，理論上聲孔徑為無(wú)限長(zhǎng)。

叉指電極的材料為Au，襯底材料為128°YX鈮酸鋰，其密度為4 700 kg/m3。鈮酸鋰材料的彈性矩陣、耦合矩陣、相對(duì)介電常數(shù)矩陣分別通過(guò)歐拉角為(0 °,0 °,0 °)的鈮酸鋰材料經(jīng)過(guò)坐標(biāo)變換后得到[10]，分別為：

2 傳感器設(shè)計(jì)制作及測(cè)試

在鈮酸鋰襯底上制作了設(shè)計(jì)的SAW器件，其中聲孔徑為100個(gè)波長(zhǎng)，叉指對(duì)數(shù)150對(duì)，叉指與兩側(cè)反射柵的距離為15 μm，反射柵條數(shù)為200，反射柵采用短路結(jié)構(gòu)。采用電子束蒸發(fā)工藝在襯底上依次沉積20 nm的Ti和120 nm的Au作為薄膜電極，采用光刻剝離工藝實(shí)現(xiàn)薄膜電極的圖形化。

采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(agilent N5234A)測(cè)試了所制備的SAW器件的頻率特性。為了測(cè)試其溫度特性，將制作的SAW器件置于熱板上，采用高溫同軸線將器件和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀連接，在設(shè)定溫度穩(wěn)定后保溫15 min，確保矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀顯示的諧振頻率不再漂移后，測(cè)試器件在該溫度下的頻率特性。

為進(jìn)行無(wú)線測(cè)試，設(shè)計(jì)了傳感器天線，采用耐高溫氧化鋁陶瓷封裝基座將SAW器件和天線進(jìn)行封裝。將封裝完成的傳感器放置于電熱板上，在升溫過(guò)程中測(cè)試其無(wú)線傳輸性能。使用單極子天線作探測(cè)天線，傳感器與探測(cè)天線的距離為100 cm，測(cè)試環(huán)境如圖2所示。

圖2 無(wú)線傳感器測(cè)試

3 結(jié)果與討論

圖3為叉指換能器的頻率響應(yīng)仿真結(jié)果，從圖中可以看到在316 MHz和328 MHz附近均有諧振，即存在2種諧振模式。圖4為316 MHz和328 MHz這兩種諧振模式的位移仿真結(jié)果，圖中位移數(shù)值的單位為m。從圖4(a)中可以看到，襯底表面的質(zhì)點(diǎn)上下起伏像波浪一樣向前傳播，是典型的Rayleigh波振動(dòng)形式；圖4(b)中，襯底表面的質(zhì)點(diǎn)在垂直于波傳播方向做水平剪切運(yùn)動(dòng)，且能量大部分集中于襯底表面半個(gè)波長(zhǎng)以內(nèi)，由此確定該波為SH-SAW。從圖中仿真結(jié)果的對(duì)比還可以發(fā)現(xiàn)，Rayleigh波的諧振點(diǎn)(fr)與反諧振點(diǎn)(fa)頻率間隔較SH-SAW的更遠(yuǎn)，意味著SH-SAW激發(fā)的諧振帶寬更窄，因此基于SH-SAW模式的諧振器將表現(xiàn)出更高的Q值。

圖3 仿真頻率響應(yīng)圖

(a)Rayleigh波

圖5是制作的SAW諧振器在室溫下(15 ℃)實(shí)測(cè)的回波損耗(S11)曲線，從圖中可以看到2個(gè)明顯的諧振峰，左側(cè)諧振峰頻率在320 MHz左右，其3 dB帶寬為0.501 MHz，Q值為640；右側(cè)諧振峰頻率在328 MHz左右，3 dB帶寬為0.009 MHz，Q值為34 500。與仿真結(jié)果對(duì)比，可以發(fā)現(xiàn)左側(cè)諧振峰為Rayleigh波模式諧振，右側(cè)諧振峰為SH-SAW模式諧振。實(shí)測(cè)諧振頻率與仿真結(jié)果相比，SH-SAW諧振峰出現(xiàn)的頻率位置較接近，而Rayleigh波諧振頻率位置則有4 MHz左右的偏離，其可能是由于不同廠家的壓電材料本身參數(shù)的偏差以及器件制作工藝的偏差所導(dǎo)致，整體實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與仿真結(jié)果基本符合。

上述分析中，發(fā)現(xiàn)SH-SAW具有良好的諧振性能，其Q值更高，因此下面僅對(duì)其進(jìn)行進(jìn)一步的溫度特性研究。圖6是不同溫度下SAW器件的S11曲線測(cè)試結(jié)果。從圖中可以看出，在不同溫度下測(cè)試的S11曲線有明顯的SH-SAW諧振峰，在測(cè)試溫度范圍內(nèi)，SAW諧振器始終保持著優(yōu)良的諧振性能。隨著溫度的升高，可以看到諧振峰逐漸向低頻移動(dòng)，即諧振頻率隨溫度升高而逐漸降低，這是由于當(dāng)溫度上升時(shí)襯底材料聲速下降，以及熱膨脹導(dǎo)致波長(zhǎng)變大，從而引起諧振頻率降低。

圖6 不同溫度下器件的S11曲線

圖7是常溫至250 ℃的溫度范圍內(nèi)器件的SH-SAW諧振頻率和Q值?？梢钥闯?，器件的SH-SAW諧振頻率隨溫度的升高而線性降低。進(jìn)行線性擬合后，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與擬合曲線非常吻合，表明器件具有很好的線性特性。曲線斜率即SAW器件在整個(gè)溫度范圍內(nèi)的頻率溫度系數(shù)為-24.33 kHz/℃(-73.2 ppm/℃)。N. Naumenko等[11]在128°YX鈮酸鋰襯底上制作的Rayleigh波模式諧振器的頻率溫度系數(shù)為-56 ppm/℃，可以發(fā)現(xiàn)本文的SH-SAW器件的頻率溫度系數(shù)更大，提升了約30%。1 ppm=10-6。

圖7 器件諧振頻率隨溫度的變化

圖7還給出了器件在不同溫度下的Q值?？梢钥闯?，在整個(gè)溫度范圍內(nèi)Q值均大于8 000，高Q值有利于提升SAW傳感器的無(wú)線測(cè)試距離和測(cè)試準(zhǔn)確性。當(dāng)溫度持續(xù)上升超過(guò)150 ℃時(shí)，Q值有增大的趨勢(shì)，其原因可能是金屬電極電導(dǎo)率和襯底材料的介電常數(shù)的變化引起器件阻抗與50 Ω更加匹配，加強(qiáng)了諧振峰的幅值，同時(shí)諧振峰隨著溫度升高而向低頻移動(dòng)，3 dB帶寬相應(yīng)減小，綜合以上因素，諧振峰變得更加尖銳，Q值更高。該器件的SH-SAW諧振峰在溫度測(cè)試中表現(xiàn)出高線性度和高Q值，有利于制作無(wú)線溫度傳感器。

圖8是不同溫度下無(wú)線測(cè)試得到的SAW傳感器的群時(shí)延曲線，從圖中可以看出，在每個(gè)溫度下均有明顯的諧振峰。本文中SAW傳感器的無(wú)線測(cè)試距離達(dá)到100 cm，S. Kim等[12]設(shè)計(jì)的使用磁性線圈作天線的SAW溫度傳感器的探測(cè)距離為50 cm，本文與之相比有1倍的提升。采用群時(shí)延曲線確定的諧振頻率和S11幅值曲線確定的諧振頻率有很小的差別，但是其隨溫度變化特性均一致，因此，本文無(wú)線測(cè)試時(shí)采用群時(shí)延曲線來(lái)確定諧振頻率不影響傳感器測(cè)試結(jié)果。

圖8 不同溫度下傳感器群時(shí)延

圖9是傳感器諧振頻率隨溫度的變化曲線，頻率溫度系數(shù)為-24.24 kHz/℃，與圖7中的結(jié)果基本保持一致，諧振頻率隨溫度的升高而線性降低。圖10是SH-SAW無(wú)線傳感器從常溫至250 ℃連續(xù)3次的測(cè)試結(jié)果，從圖中可以看出，3次測(cè)試的結(jié)果非常一致。同一溫度點(diǎn)之間最大頻率偏差僅為0.051 MHz，對(duì)應(yīng)的溫度偏差為2.1 ℃，滿量程誤差僅為0.93%。這表明，本文制作的SH-SAW溫度傳感器在無(wú)線測(cè)溫時(shí)表現(xiàn)出優(yōu)良的重復(fù)性和穩(wěn)定性。

圖9 傳感器頻率隨溫度的變化

圖10 傳感器重復(fù)性實(shí)驗(yàn)

4 結(jié)論

本文在128°YX鈮酸鋰壓電襯底上制作了線寬為3 μm的叉指換能器，研究發(fā)現(xiàn)可以同時(shí)激發(fā)Rayleigh波和SH-SAW 2種模式的諧振，且SH-SAW諧振峰具有更窄的帶寬和更高的Q值。研究了基于該襯底諧振器的SH-SAW諧振峰的溫度特性，并利用該諧振模式設(shè)計(jì)制作了無(wú)線溫度傳感器。結(jié)果表明，SH-SAW諧振器的諧振頻率隨溫度升高而線性降低，其頻率溫度系數(shù)為-24.33 kHz/℃。在100 cm距離下實(shí)現(xiàn)了常溫至250 ℃的無(wú)線測(cè)試溫度，測(cè)溫誤差僅為0.93%，且具有良好的重復(fù)性。