高楊，黃振華，蔡洵

(1.中國(guó)工程物理研究院電子工程研究所，四川綿陽(yáng)621999;2.西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院，四川綿陽(yáng)621010; 3.重慶大學(xué)新型微納器件與系統(tǒng)技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，重慶400044;4.中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所核探測(cè)與核電子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100049)

FBAR振蕩器作為六端口反射計(jì)射頻源的BAW傳感器讀出電路

高楊1，4，黃振華2，3，蔡洵2

(1.中國(guó)工程物理研究院電子工程研究所，四川綿陽(yáng)621999;2.西南科技大學(xué)信息工程學(xué)院，四川綿陽(yáng)621010; 3.重慶大學(xué)新型微納器件與系統(tǒng)技術(shù)國(guó)防重點(diǎn)學(xué)科實(shí)驗(yàn)室，重慶400044;4.中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所核探測(cè)與核電子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100049)

為解決由于FBAR的諧振頻率處于射頻頻段，導(dǎo)致BAW傳感器讀出電路難以實(shí)現(xiàn)的問(wèn)題，將FBAR振蕩器作為六端口反射計(jì)射頻源，以檢測(cè)FBAR諧振頻率，從而實(shí)現(xiàn)BAW傳感器信號(hào)讀出的新型讀出電路。在ADS軟件中，通過(guò)建立FBAR的MBVD模型并采用Pierce拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)FBAR振蕩器的仿真模型，以及建立六端口反射計(jì)的仿真模型，并結(jié)合兩個(gè)仿真模型建立BAW傳感器的最小系統(tǒng)模型。BAW傳感器最小系統(tǒng)模型的仿真結(jié)果表明:由FBAR振蕩器和六端口反射計(jì)實(shí)現(xiàn)BAW傳感器讀出電路的可行性。為實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證該結(jié)構(gòu)，搭建一個(gè)基于微帶六端口網(wǎng)絡(luò)實(shí)物的六端口反射計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置，準(zhǔn)確地測(cè)得1個(gè)案例FBAR振蕩器的振蕩頻率為1.5 GHz，該振蕩頻率就是傳感器表頭中FBAR的諧振頻率。

體聲波傳感器;讀出電路;薄膜體聲波諧振器;振蕩器;六端口反射計(jì)

0 引言

體聲波(bulk acoustic wave，BAW)傳感器是由薄膜體聲波諧振器(thin－film bulk acoustic resonator，F(xiàn)BAR)的諧振頻率感應(yīng)待測(cè)物理量的變化，BAW傳感器讀出電路檢測(cè)FBAR諧振頻率偏移量的新型諧振式傳感器。由于FBAR具有靈敏度高，準(zhǔn)數(shù)字量輸出，便于集成和工作頻率高等特點(diǎn)，可用于質(zhì)量［1］、紫外線［2］、汞離子［3］、氣體［4］、生物［5］和加速度［6］等傳感器。但是，BAW傳感器的發(fā)展依然存在許多待解決的關(guān)鍵技術(shù)，其中一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)就是缺少BAW傳感器的讀出電路。有文獻(xiàn)報(bào)道利用六端口反射計(jì)的基本原理為BAW傳感器設(shè)計(jì)了一款讀出電路。六端口反射計(jì)的基本原理是通過(guò)測(cè)量6個(gè)端口中4個(gè)端口的電壓值，獲得待測(cè)件(device under test，DUT)的反射系數(shù)，然后得到反射系數(shù)(Γ)－頻率(f)曲線并通過(guò)阻抗分析方法測(cè)量FBAR的諧振頻率［7－8］。但阻抗分析方法實(shí)現(xiàn)的讀出電路需要一個(gè)頻帶較寬的射頻信號(hào)發(fā)生器提供射頻信號(hào)，而寬帶的射頻信號(hào)發(fā)生器難以實(shí)現(xiàn)集成化，且在測(cè)量過(guò)程中需要針對(duì)一個(gè)較寬的頻帶內(nèi)的所有頻點(diǎn)進(jìn)行掃頻測(cè)量，所需測(cè)量時(shí)間長(zhǎng)難以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)測(cè)量。除了阻抗分析方法常用的還有FBAR振蕩器方法，F(xiàn)BAR振蕩器方法實(shí)現(xiàn)的讀出電路是將FBAR設(shè)計(jì)成一個(gè)單頻點(diǎn)的射頻信號(hào)發(fā)生器，即FBAR振蕩器，并通過(guò)六端口反射計(jì)檢測(cè)得到FBAR振蕩器的振蕩頻率，只需進(jìn)行單頻點(diǎn)測(cè)量，所需測(cè)量時(shí)間極短可用于實(shí)時(shí)測(cè)量?；诹丝诜瓷溆?jì)的阻抗分析法和FBAR振蕩器法，本文提出了一種采用FBAR振蕩器作為六端口反射計(jì)射頻源，用于檢測(cè)FBAR諧振頻率的BAW傳感器讀出電路。

1 原理

新型的BAW傳感器讀出電路是由FBAR振蕩器和六端口反射計(jì)構(gòu)成，其中FBAR振蕩器工作原理:由于FBAR在串/并聯(lián)諧振頻率間是呈現(xiàn)感性的，若將FBAR與電容串聯(lián)可得到總阻抗為零的振蕩回路，再將振蕩回路連入放大電路中即可得到FBAR振蕩器。這里使用的振蕩器是將FBAR、三極管和集總元件通過(guò)Pierce拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)連接而成FBAR振蕩器，如圖1(a)所示。其中FBAR與兩個(gè)電容C1，C2構(gòu)成了振蕩回路，電阻R1，R2，Re和Rc為三極管提供工作所需的直流偏置使其工作在放大區(qū)，電感L1防止高頻信號(hào)干擾直流電源，L2防止高頻信號(hào)到地，Cb耦合電容的作用是將反饋信號(hào)耦合到放大器的輸入端。

圖1 BAW傳感器最小系統(tǒng)框圖

六端口反射計(jì)的核心器件是六端口網(wǎng)絡(luò)，且其端口1接信號(hào)發(fā)生器，端口2接DUT(對(duì)于BAW傳感器即為FBAR)，其余4個(gè)端口分別接上4個(gè)功率計(jì)，如圖2所示。六端口反射計(jì)的工作原理:當(dāng)信號(hào)發(fā)生器為六端口網(wǎng)絡(luò)提供某一頻率的信號(hào)源(功率穩(wěn)定)時(shí)，六端口反射計(jì)能夠通過(guò)4個(gè)功率計(jì)得到4個(gè)功率讀數(shù)記為P3、P4、P5、P6，六端口反射計(jì)可以將這個(gè)4個(gè)功率讀數(shù)代入式(1)中求解，可以得到信號(hào)源頻率所對(duì)應(yīng)的DUT的反射系數(shù)(不同頻率對(duì)應(yīng)不同的DUT反射系數(shù))。

式中:?！瓷湎禂?shù);

P3、P4、P5、P6——功率計(jì)讀數(shù)(已知);

|A3|、|A5|、|A6|——六端口網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)參數(shù)(隨頻率變化，已知);

q3、q4、q5、q6——六端口網(wǎng)絡(luò)的系統(tǒng)參數(shù)(隨頻率變化，已知)。

圖2 六端口反射計(jì)

由式(1)中的系統(tǒng)參數(shù)會(huì)隨頻率變化可知，當(dāng)信號(hào)發(fā)生器為六端口反射計(jì)提供不同頻率的射頻信號(hào)時(shí)，功率計(jì)取得的功率讀數(shù)都不相同。因此，為得到DUT在1.5 GHz(舉例說(shuō)明，其他頻率同理)所對(duì)應(yīng)的反射系數(shù)，需先得到1.5 GHz對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)參數(shù)和功率讀數(shù)，代入式(1)計(jì)算即可。由此，若將1.5 GHz得到的功率讀數(shù)依次與1.3～1.7 GHz對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)參數(shù)代入到式(1)中，可計(jì)算得DUT在1.3～1.7 GHz內(nèi)的Γ－f曲線，但由于功率讀數(shù)是1.5 GHz取得，所以該曲線只在1.5 GHz對(duì)應(yīng)的反射系數(shù)是正確的。

若要得到某一未知頻率的射頻源的頻率，可將其加載于六端口反射計(jì)的信號(hào)發(fā)生器端口，而六端口反射計(jì)的DUT端口連接一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載(標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載的Γ－f曲線已知)。然后通過(guò)六端口反射計(jì)的4功率計(jì)得到4個(gè)功率讀數(shù)(未知頻率對(duì)應(yīng)的功率讀數(shù))，并將功率讀數(shù)依次與某一頻帶內(nèi)(包含未知頻率)對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)參數(shù)代入到式(1)中，可計(jì)算得標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載在該頻帶內(nèi)的一條Γ－f曲線。由上可知，該Γ－f曲線只在未知頻率點(diǎn)為正確值，因此將該曲線與標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載的已知曲線進(jìn)行對(duì)比，可得唯一交點(diǎn)，該交點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頻率即為未知頻率。

在此基礎(chǔ)上，將六端口反射計(jì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改變得到了本文所需的六端口反射計(jì)，即在六端口網(wǎng)路的DUT端口連接上一個(gè)已知反射系數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)負(fù)載，以及將信號(hào)發(fā)生器端口變?yōu)槲粗l率的射頻信號(hào)輸入端口，如圖1(b)所示。

2 仿真

為了驗(yàn)證上述理論的可行性，根據(jù)上節(jié)給出的BAW傳感器最小系統(tǒng)框圖，在ADS軟件中對(duì)FBAR振蕩器和六端口反射計(jì)進(jìn)行建模，進(jìn)而構(gòu)建了BAW傳感器最小系統(tǒng)的仿真模型，如圖3所示。其中FBAR振蕩器中的FBAR元件采用MBVD模型，原因是FBAR振蕩器進(jìn)行仿真時(shí)，需要使用的是瞬態(tài)仿真，而FBAR的Mason模型是基于頻域建立的，因而無(wú)法使用Mason模型;而六端口反射計(jì)中的六端口網(wǎng)絡(luò)是采用文獻(xiàn)［9］給出的微帶六端口網(wǎng)絡(luò)的等效電路模型。

在BAW最小系統(tǒng)的仿真模型建立前，還需要考慮FBAR振蕩器的振蕩頻率以及是否能夠起振，六端口反射計(jì)的工作頻率是否包含F(xiàn)BAR振蕩器的振蕩頻率。由于FBAR振蕩器的振蕩頻率是位于FBAR的串/并聯(lián)諧振頻率之間的感性區(qū)域，因此可以通過(guò)設(shè)計(jì)確定FBAR的諧振頻率并限制振蕩頻率;而FBAR振蕩器能否起振主要與振蕩電路中的C1和C2有關(guān)，因此對(duì)FBAR振蕩器進(jìn)行仿真時(shí)主要通過(guò)調(diào)節(jié)C1和C2的電容值來(lái)使其工作;本文通過(guò)調(diào)節(jié)FBAR的諧振頻率與振蕩電路中的元件參數(shù)，設(shè)計(jì)出了頻率分別為1.40，1.45，1.50，1.55，1.60 GHz的5個(gè)FBAR振蕩器。六端口反射計(jì)的工作頻帶主要取決于微帶六端口網(wǎng)路，而微帶六端口網(wǎng)絡(luò)的工作頻帶是根據(jù)文獻(xiàn)［10］給出的最佳設(shè)計(jì)準(zhǔn)則來(lái)判定的，由此根據(jù)六端口網(wǎng)路的最佳設(shè)計(jì)準(zhǔn)則仿真設(shè)計(jì)一個(gè)工作頻帶為1.47～1.54 GHz的六端口反射計(jì)。然后，將這5個(gè)FBAR振蕩器分別與六端口反射計(jì)組合成如圖3所示的5個(gè)BAW傳感器最小系統(tǒng)仿真模型。最后對(duì)這5個(gè)BAW傳感器最小系統(tǒng)仿真模型進(jìn)行瞬態(tài)仿真，并通過(guò)模型中的4個(gè)電阻R4～R7讀取微帶六端口網(wǎng)絡(luò)的4個(gè)輸出功率。

在功率讀取完成之后，會(huì)得到含有4個(gè)功率讀數(shù)的5組數(shù)據(jù)，并將5組數(shù)據(jù)依次代入到步長(zhǎng)為1 MHz頻率范圍為1.3～1.7 GHz的所有頻率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的式(1)中進(jìn)行計(jì)算，得到了5條Γ－f曲線，并將其與參考Γ－f曲線進(jìn)行比較，如圖4所示。

從圖中可以看出，從仿真得到的功率讀數(shù)，進(jìn)一步計(jì)算得到的5條Γ－f曲線都和參考曲線只有唯一的交點(diǎn)，且交點(diǎn)處的頻率正好是5個(gè)FBAR振蕩器各自的振蕩頻率，即1.40，1.45，1.50，1.55，1.60 GHz。雖然只有1.50 GHz的振蕩頻率在六端口反射計(jì)的工作頻帶1.47～1.54 GHz之內(nèi)，圖中還給出了其余4個(gè)FBAR振蕩器振蕩頻率的求解結(jié)果以驗(yàn)證上述算法的普適性。

圖3 BAW傳感器最小系統(tǒng)模型

圖4 利用仿真的Γ－f曲線求解FBAR振蕩器振蕩頻率的5個(gè)案例

3 實(shí)驗(yàn)

為了進(jìn)一步驗(yàn)證采用FBAR振蕩器作為六端口反射計(jì)射頻源，用于檢測(cè)FBAR諧振頻率的BAW傳感器讀出電路的可行性，對(duì)上述仿真設(shè)計(jì)得到的微帶六端口反射計(jì)進(jìn)行了制作。微帶六端口反射計(jì)制作完成后，首先采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)微帶六端口網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了S參數(shù)測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如圖5所示，從圖中可以看出在頻率1.5 GHz附近滿足六端口反射計(jì)的最佳設(shè)計(jì)準(zhǔn)則(Sn1＞－10 dB，n=2，3，…，6和Sn2＞－10 dB，n=1，3，5，6，而S42＜－20 dB)。然后在制作的微帶六端口網(wǎng)絡(luò)的1端口連接FBAR振蕩器(頻率設(shè)計(jì)為1.5 GHz)，2端口連接SMA匹配負(fù)載(反射系數(shù)已知)，3、4、5和6端口分別連接功率計(jì)(由檢波器和示波器構(gòu)成)，如圖6所示，用來(lái)測(cè)量FBAR振蕩器的振蕩頻率(1.5 GHz);通過(guò)功率計(jì)得到4個(gè)功率讀數(shù)，并將4個(gè)功率讀數(shù)依次代入到步長(zhǎng)為100 MHz頻率范圍為1.0～2.0 GHz的所有頻率點(diǎn)對(duì)應(yīng)的式(1)中進(jìn)行計(jì)算，得到了1條Γ－f曲線，并將其與參考Γ－f曲線進(jìn)行比較，如圖7所示。

圖5 采用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)得的微帶六端口網(wǎng)絡(luò)S參數(shù)曲線

圖6 基于一個(gè)微帶六端口的六端口反射計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置

圖7 利用六端口反射計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置測(cè)得的Γ－f曲線求解FBAR振蕩器振蕩頻率的1個(gè)案例

從圖中可以看出，利用上述的六端口反射計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置實(shí)測(cè)得到的功率讀數(shù)，沿用圖4中相同的解算方法得到一條Γ－f曲線，和參考曲線只有唯一交點(diǎn)，且交點(diǎn)處的頻率為FBAR振蕩器的振蕩頻率1.50 GHz。由此，說(shuō)明圖6所示的微帶六端口反射計(jì)能夠測(cè)量FBAR振蕩器的振蕩頻率。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出了一種FBAR振蕩器作為六端口反射計(jì)射頻源的BAW傳感器讀出電路新架構(gòu)，該架構(gòu)的特點(diǎn)是:首先采用Pierce振蕩器電路結(jié)構(gòu)，將嵌入在BAW傳感器表頭中的FBAR構(gòu)成1個(gè)FBAR振蕩器;再將FBAR振蕩器接入六端口反射計(jì)的射頻源端口Port 1，六端口反射計(jì)的Port 2連接SMA匹配負(fù)載(反射系數(shù)已知)、Port 3～6分別連接4個(gè)功率計(jì);當(dāng)FBAR振蕩器起振后，使用1組功率讀數(shù)和1種新的解算方法，可以解算出FBAR振蕩器的振蕩頻率，這個(gè)振蕩頻率就是傳感器表頭中FBAR的諧振頻率，從而實(shí)現(xiàn)了BAW傳感器檢測(cè)信號(hào)的讀出。綜合利用FBAR的MBVD等效電路模型、Pierce振蕩器與六端口反射計(jì)的電路模型，在ADS軟件中仿真驗(yàn)證了該結(jié)構(gòu)的可行性。此外，還搭建了一個(gè)基于微帶六端口網(wǎng)絡(luò)實(shí)物的六端口反射計(jì)實(shí)驗(yàn)裝置，準(zhǔn)確地測(cè)得了1個(gè)案例FBAR振蕩器的振蕩頻率為1.5 GHz，完成了初步的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

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［3］ZHANG H.Micromachined bulk acoustic resonators for radio－frequency systems and biochem mass sensing［D］.LA:University of Southern California，2006.

［4］BENETTI M，CANNATA D，DAMICO A，et al.Thin film bulk acoustic wave resonator(TFBAR)gas sensor［C］// IEEE Ultrasonics Symposium，2004，3:1581－1584.

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［10］ENGEN G F.The six－port reflectometer:an alternative network analyzer［J］.IEEE Trans on Microwave＆Tech，1977，25(12):1075－1080.

(編輯:李妮)

BAW sensor read－out circuit with a FBAR oscillator as RF source of six－port reflectometer

GAO Yang1，4，HUANG Zhenhua2，3，CAI Xun2
(1.Institute of Electronic Engineering，China Academy of Engineering Physics，Mianyang 621999，China; 2.School of Information Engineering，Southwest University of Science and Technology，Mianyang 621010，China; 3.National Key Laboratory of Fundamental Science of Micro/Nano－Device and System Technology，Chongqing University，Chongqing 400044，China;4.State Key Laboratory of Particle Detection and Electronics，Institute of High Energy Physics，CAS，Beijing 100049，China)

Due to the resonance frequency of FBAR at RF frequency bands，causing BAW sensor read－out circuit is difficult to be achieved.To solve this problem，a new type BAW sensor read－out circuit is proposed by using the six－port reflectometer to test FBAR oscillator frequency.In ADS software，the FBAR oscillator simulation model is established by using the MBVD model of FBAR and the topology of Pierce，as well as six－port reflectometer simulation model is established，the minimum system model of the BAW sensor is established by these two simulation model.The simulation results of the minimum system model of the BAW sensor show that the read－out circuit of BAW sensor is implemented by using the FBAR oscillator and the six－port reflectometer based on six－port reflectometer is feasible.In order to experimentally validate this structure，a six－port reflectometer experimental setup based on a real microstrip six－port network is constructed，and the oscillation frequency 1.5 GHz of a FBAR oscillator case is measured.This measured oscillation frequency is just the resonant frequency of the FBAR embedded in a sensor head.

bulk acoustic wave sensor;read－out circuit;film bulk acoustic wave resonator(FBAR); oscillator;six－port reflectometer

A

1674－5124(2016)11－0060－05

10.11857/j.issn.1674－5124.2016.11.013

2016－04－12

2016－05－13

國(guó)家自然科學(xué)基金(61574131);中國(guó)工程物理研究院超精密加工技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室基金(2014ZA001);核探測(cè)與核電子學(xué)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)開放課題基金(2016KF02);西南科技大學(xué)特殊環(huán)境機(jī)器人技術(shù)四川省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金(14zxtk01)

高楊(1972－)，男，四川綿陽(yáng)市人，研究員，博士，從事微電子機(jī)械系統(tǒng)研究。