高 楊，黃振華，尹汐漾

（1.中國工程物理研究院電子工程研究所，四川綿陽621999；2.西南科技大學信息工程學院，四川綿陽621010；

3.重慶大學新型微納器件與系統(tǒng)技術國防重點學科實驗室，重慶400044；4.核探測與核電子學國家重點實驗室（中國科學院高能物理研究所），北京100049）

新型體聲波傳感器讀出電路的實驗驗證*

高 楊1，4*，黃振華2，3，尹汐漾2

（1.中國工程物理研究院電子工程研究所，四川綿陽621999；2.西南科技大學信息工程學院，四川綿陽621010；

3.重慶大學新型微納器件與系統(tǒng)技術國防重點學科實驗室，重慶400044；4.核探測與核電子學國家重點實驗室（中國科學院高能物理研究所），北京100049）

為了實驗驗證此前通過仿真驗證的基于六端口反射計的新型BAW傳感器讀出電路的方案的可行性，本文制作了新型BAW傳感器讀出電路并對其進行了測試。以串聯(lián)諧振頻率約為1.5 GHz的薄膜體聲波諧振器（FBAR）為待測器件（DUT），設計、制作了一種能夠滿足該FBAR諧振頻率測量帶寬（1.3 GHz～1.7 GHz）要求的PCB上微帶六端口網絡和檢波器，配合射頻信號發(fā)生器和示波器，獲得了模擬DUT（50 Ω SMA匹配負載）的反射系數(shù)-頻率（Γ-f）曲線測量結果。與矢量網絡分析儀（VNA）的測量結果進行了對比，兩者吻合較好，實驗驗證了“基于六端口反射計的BAW傳感器讀出電路”可用于FBAR諧振頻率的測量。本文工作對實用化BAW傳感器的研制和片上矢量網絡分析儀（VNA-on-Chip）的設計都有借鑒意義。

BAW傳感器；薄膜體聲波諧振器；讀出電路；六端口網絡；六端口反射計；矢量網絡分析儀

薄膜體聲波諧振器FBAR（Thin-Film Bulk Acoustic Wave Resonator）具有靈敏度高、工作頻率高和功率損耗低等特點，是實現(xiàn)高精度和高靈敏度傳感器的理想技術。BAW傳感器已進入高速發(fā)展期，大量新型BAW傳感器［1］見于文獻報道，如：蛋白質檢測器［2］、片上實驗室［3］、氣體傳感器［4］、質量傳感器［5］、汞離子傳感器［6］、爆炸物探測器［7］和γ射線探測器［8］等。BAW傳感器是由前端換能器、FBAR和讀出電路組成，置于表頭中的FBAR用于實現(xiàn)待測物理量（往往需要一個前端換能器的能量域變換）的電聲諧振式檢測，讀出電路則用于檢測FBAR諧振頻率的偏移。由于FBAR的工作頻率在射頻頻段，通常為數(shù)GHz，導致BAW傳感器讀出電路的實現(xiàn)較為困難，文獻報道較少。2009年，德國Siemens公司和芬蘭VTT公司報道了一種采用阻抗分析技術實現(xiàn)的FBAR生化傳感器讀出電路［9］。FBAR阻抗特性曲線的極小/大值點分別對應于FBAR的串/并聯(lián)諧振頻率，采用阻抗分析法需要得到FBAR的阻抗特性曲線并根據其極值點獲得FBAR的諧振頻率。六端口反射計［10］可通過測量六端口網絡（sixport network）中4個端口的電壓值（標量），計算出待測件（DUT，device under test）的反射系數(shù)（矢量Γ），再通過反射系數(shù)-頻率（Γ-f）曲線得到阻抗特性［11］。高楊等［1］首次提出了采用六端口反射計（six-port reflectometer）實現(xiàn)BAW傳感器讀出電路的設想，黃振華等［12］仿真驗證了該設想的可行性。本文報道了文獻［12］所述六端口反射計的測試表征工作，實驗驗證采用六端口反射計構建BAW傳感器讀出電路方案的可行性。

BAW傳感器的工作原理是：置于表頭中的FBAR在不同的敏感機理作用下，其諧振頻率將隨待測物理量（質量、溫度、應力/應變等）變化；讀出電路通過測量FBAR的諧振頻率偏移量，提取待測物理量。由于六端口反射計能夠在一定的頻帶內，通過測量其中4個端口的電壓值（標量）獲得FBAR的反射系數(shù)（矢量），掃頻后得到FBAR的反射系數(shù)-頻率（Γ-f）曲線，進一步轉換為阻抗特性曲線后搜索其極值點，提取出FBAR的諧振頻率。

圖1（a）是基于六端口反射計的BAW傳感器讀出電路的總體結構示意圖，圖1（b）是實物圖以及測試裝置。FBAR作為待測件（DUT），連接到六端口網絡的端口2（Port 2）；圖1（b）中的FBAR是研制的一種L波段通孔型AlN FBAR，采用射頻探針臺和矢量網絡分析儀測得其串聯(lián)諧振頻率為～1.5 GHz［13］。作為讀出電路核心的六端口網絡，其工作頻帶的中心頻率與FBAR的空載諧振頻率（本例中即～1.5 GHz）一致，實物如圖中的PCB微帶電路照片所示，由4個正交混合器（Quadrature Hybrid）和5條微帶線構成［12］。正交混合器用作移相器和3 dB定向耦合器，配合微帶線的長度設計，實現(xiàn)4組頻率相同且相位差分別為0、π/2、π和3π/2的4對射頻信號的相干；相干信號從六端口網絡的端口3～6（Port 3～6）輸出到各自的功率計（圖1（b）中示出了單端口檢波器的實物照片，配合示波器，可以實現(xiàn)單端口的功率測量），直接下變頻得到4個基帶信號，藉此在數(shù)字域重構出反射系數(shù)Γ的幅度和相位［10］。六端口網絡的端口1（Port 1）連接一個射頻信號源。

圖1 基于六端口反射計的BAW傳感器讀出電路

采用圖1所示電路實測一只頻帶范圍在1.3 GHz～1.7 GHz（即1.5 GHz）的FBAR，能夠從六端口網絡Port 3～6測得4個功率讀數(shù)、并進一步解算出FBAR的反射系數(shù)Γ，即可實驗驗證電路方案的可行性。由于此前研制的L波段通孔型AlN FBAR芯片已交付用戶，采用50 Ω SMA匹配負載代替AlN FBAR芯片作為DUT。

1 方法

1.1 采用矢量網絡分析儀測試六端口網絡的性能

六端口網絡是圖1所示BAW傳感器讀出電路的核心功能模塊，因此，首先實驗驗證六端口網絡的S參數(shù)與仿真結果［14］是否吻合。

測試流程如下：①矢量網絡分析儀校準（本文校準1 GHz～2 GHz頻段即可）；②將六端口網絡的Port 1、Port 2對應連接到矢量網絡分析儀的Port 1、Port 2，其它4個端口Port 3～6分別接一個50 Ω SMA匹配負載，即可用矢量網絡分析儀測得1 GHz～2 GHz頻段內六端口網絡的反射系數(shù)S11和透射系數(shù)S21曲線；在此基礎上，將六端口網絡的Port 3連接矢量網絡分析儀的Port 2、六端口網絡的Port 2接一個50 Ω SMA匹配負載，則可測得六端口網絡的透射系數(shù)S31，同理測得六端口網絡的透射系數(shù)S41、S51和S61；③類似地，測得六端口網絡的反射系數(shù)S22，透射系數(shù)S32、S42和S52和S62。

實驗裝置包括：六端口網絡（DUT），1臺0～3 GHz頻段的矢量網絡分析儀，1臺0～3 GHz的射頻信號發(fā)生器，4只50 Ω SMA匹配負載，4只檢波器和2臺雙通道示波器（組合構成4通道功率計，實現(xiàn)六端口網絡Port 3～6的4通道功率測量）。

矢量網絡分析儀實測與ADS軟件仿真得到的［14］六端口網絡的各個S參數(shù)，對比示于圖2中。

圖2 一個六端口網絡實例S參數(shù)的實測與仿真結果對比

從圖2可以看出，實測與仿真得到的六端口網絡S參數(shù)基本吻合，某些頻率點上實測數(shù)據甚至更優(yōu)。導致兩者偏差的來源有：基板的材料參數(shù)（介電常數(shù)）和結構參數(shù)（厚度），金屬微帶線的結構參數(shù)（厚度和寬度），以及50 Ω SMA匹配負載、矢量網絡分析儀射頻探頭連接到六端口網絡引起的射頻信號干擾。

1.2 采用六端口反射計測試DUT

用50 Ω SMA匹配負載代替AlN FBAR芯片作為DUT，按照圖1的實驗裝置配置，采用六端口反射計測量DUT的反射系數(shù)Γ，并以矢量網絡分析儀測量結果為標準進行對比。

實驗裝置包括：六端口反射計，由微帶六端口網絡（經上一節(jié)驗證過的實物）、0～3 GHz的射頻信號發(fā)生器（接六端口網絡Port 1）、4只檢波器+2臺雙通道示波器（分別接六端口網絡Port 3～6）構成；50 Ω SMA匹配負載（DUT，模擬FBAR，接六端口網絡Port 2）；0～3 GHz的矢量網絡分析儀，測量結果作為標準，用于對比；4個開路校準件，用于六端口網絡的校準。

六端口反射計用于測試之前，需要進行校準，得到六端口反射計的11個系統(tǒng)參數(shù)。六端口反射系數(shù)的計算公式［11］是：

式中，需要校準確定的11個系統(tǒng)參數(shù)是：A3、A5和A6，共計3個參數(shù)；復數(shù)q3、q4、q5和q6的實部（記為Reqi,i=3,4,5,6）和虛部（記為Imqi,i=3,4,5,6），共計8個參數(shù)。

六端口反射計的校準是采用4個反射系數(shù)Γ不同且已知的開路校準件，獲得4組測試數(shù)據，再利用式（1）建立4個方程組，求解式（1）中的11個系統(tǒng)參數(shù)。校準時，每個方程中已知的參數(shù)為：測得的功率P3、P4、P5和P6，已知的開路校準件反射系數(shù)Γj,j=1,2,3,4。

六端口反射計的校準裝置，對比圖1唯一的差異是：六端口網絡Port 2不連接DUT，而是分4次分別連接4個反射系數(shù)Γ不同且已知（Γj,j=1,2,3,4）的開路校準件。校準流程如下：①每次接入一個開路校準件，射頻信號發(fā)生器在1 GHz～2 GHz頻段掃頻，示波器記錄每個頻點的功率（直流輸出電壓）；②根據式（1），聯(lián)立4組方程（4個開路校準件），計算得到11個系統(tǒng)參數(shù)-頻率的曲線。本次校準所得的系統(tǒng)參數(shù)-頻率曲線，如圖3所示。

圖3 一個六端口反射計實例的校準結果11個系統(tǒng)參數(shù)-頻率曲線

2 結果與討論

采用校準后的六端口反射計測量DUT的反射系數(shù)Γ（測量裝置配置如圖1所示），并與矢量網絡分析儀測量（直接測試DUT）結果對比。本次測量得到的Γ-f曲線，如圖4所示。

圖4 六端口反射計測得DUT的Γ-f曲線及其與矢量網絡分析儀測量結果的對比

從圖4中可以看出，六端口反射計測得DUT的Γ-f曲線，與矢量網絡分析儀的測量結果（作為標準）吻合較好，實驗驗證了圖1所示的“基于六端口反射計的BAW傳感器讀出電路”可用于FBAR諧振頻率的測量。

需要注意的是，盡管圖2中實測與仿真的六端口網絡S參數(shù)存在一定偏差，但圖4中Γ-f曲線的測量結果仍然比較準確，原因是六端口反射計的校準修正了系統(tǒng)參數(shù)偏差。

3 結論

結合文獻［11］報道的BAW傳感器讀出電路，針對串聯(lián)諧振頻率為～1.5 GHz的FBAR，制作了能夠滿足FBAR諧振頻率測量需求的微帶六端口反射計。采用微帶六端口反射計對模擬DUT（50 Ω SMA匹配負載）進行了測量，得到了DUT的Γ-f曲線，并與矢量網絡分析儀的測量結果進行了對比，兩者吻合較好，實驗驗證了“基于六端口反射計的BAW傳感器讀出電路”可用于FBAR諧振頻率的測量。后續(xù)工作包括：實現(xiàn)一個完整的微帶六端口反射計，采用六端口反射計測試下一輪FBAR樣品，評估讀出電路的檢測精度和分辨率等。本文工作對實用化BAW傳感器的研制和片上矢量網絡分析儀（VNA-on-chip）的設計都有借鑒意義。

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高 楊（1972-），男，四川綿陽人，博士，研究員，碩士生導師，中國微米納米技術學會理事。主要研究方向為微電子機械系統(tǒng)（MEMS）、機電引信。承擔863、國防預研、國防基礎研究、部級基金等科研項目10余項；獲部級一等獎1項、部級二等獎1項、部級三等獎5項。授權或申請發(fā)明專利20余項；發(fā)表學術論文70余篇，其中SCI/EI/CA檢索30余篇；主講《微系統(tǒng)導論》研究生課程，gaoyang@caep.cn；

黃振華（1989-），男，湖南婁底人，碩士生，從事射頻微電子機械系統(tǒng)研究；

尹汐漾（1991-），男，四川達州人，碩士研究生，主要研究方向為射頻微電子機械系統(tǒng)（RF MEMS）。

Experimental Validation of Novel Bulk Acoustic Wave Sensor Read-Out Circuit*

GAO Yang1，4*，HUANG Zhenhua2，3，YIN Xiyang2
（1.School of Information Engineering，Southwest University of Science and Technology，Mianyang Sichuan621010，China；2.Institute of Electronic Engineering，China Academy of Engineering Physics，Mianyang Sichuan621999，China；3.National Key Lab.of Fundamental Science of Micro/Nano-Device and System Technology，Chongqing University，Chongqing400044，China；4.Key Lab.of Optoelectronic Technology&Systems of Ministry of Education，Chongqing University，Chongqing400044，China）

In order to experimentally verify the feasibility of the scheme of the new BAW sensor readout circuit based on six-port reflector，a new type of BAW sensor readout circuit was fabricated and tested.The film bulk acoustic resonator（FBAR）with series resonant frequency is about 1.5 GHz is the device under test（DUT）.Microstrip six port network and detector on PCB are designed and fabricated，which can meet the requirements of FBAR resonant frequency measurement bandwidth（1.3 GHz～1.7 GHz）.Measurement result of the reflection coefficient frequency（Γ-f）curve of the simulated DUT（50 Ω SMA matched load）is obtained by using radio frequency signal generator and oscilloscope.The measurement result from six-port reflectometer is quite consistent with the measurement result from vector network analyzer（VNA）.Thus the scheme that“the BAW sensor readout circuit based on six-port reflectometer”can be used for the measurement of FBAR resonant frequency is verified by experiment.The work reported is useful for the practical BAW sensor development and the vector network analyzer on the chip（VNA-onchip）design.

bulk acoustic wave（BAW）sensor；thin-film bulk acoustic wave resonator（FBAR）；read-out circuit；sixport network；six-port reflectometer；vector network analyzer

TN41；TN405；TM931

A

1004-1699（2016）12-1822-05

??7310N；2210D

10.3969/j.issn.1004-1699.2016.12.007

項目來源：國家自然科學基金項目（61574131）；中國工程物理研究院超精密加工技術重點實驗室基金項目（2014ZA001）；核探測與核電子學國家重點實驗室開放課題基金項目（2016KF02）；西南科技大學特殊環(huán)境機器人技術四川省重點實驗室開放基金項目（14zxtk01）

2016-05-24修改日期：2016-06-30