王添仙,謝立強,邢建春,朱璽峰

(陸軍工程大學國防工程學院,南京 210007)

聲表面波器件的反射特性及性能*

王添仙,謝立強*,邢建春,朱璽峰

(陸軍工程大學國防工程學院,南京 210007)

為了準確分析反射型聲表面波器件參數(shù)對其性能的影響,基于耦合模理論和P矩陣方法建立了器件的耦合模模型,分析得到器件的電反射特性即反射系數(shù)S11曲線,并在128°Y-XLiNbO3壓電基片試制了頻率為90 MHz的多種參數(shù)的器件,分析與測試結(jié)果表明:單個叉指換能器器件的S11中心頻率為91.26 MHz,幅值為-20.58 dB,與理論分析結(jié)果91.44 MHz和-19.21 dB相近;帶有反射柵的器件比單個叉指換能器件在中心頻率處S11幅值增大約8.5 dB,諧振峰增多,時域曲線有明顯的反射峰信號,驗證了反射柵的反射特性;叉指換能器叉指對數(shù)減小使器件中心頻率處的S11幅值減小,時域中的回波信號更尖銳,信噪比明顯增大,表明對數(shù)較多的IDT具有較強的反射特性,對回波信號干擾較大,過小的叉指對數(shù)對器件聲電轉(zhuǎn)換效率影響很大,會使器件性能下降;較大的反射柵指條數(shù)對回波信號影響不大,但過小的指條數(shù)會降低反射柵反射系數(shù),使得回波信號信噪比減小,紋波增多。

聲表面波;叉指換能器;耦合模;反射系數(shù)

聲表面波SAW(Surface Acoustic Wave)技術(shù)作為聲學、微波、通信、微電子、材料、微機電系統(tǒng)MEMS(Micro Electro Mechanical System)等領(lǐng)域交叉的新興技術(shù),自20世紀60年代起一直持續(xù)高速發(fā)展,相繼出現(xiàn)了大量性能優(yōu)異、用途廣泛的SAW器件。SAW器件具有損耗低、穩(wěn)定好、靈敏度高、抗干擾能力強、體積小、易批量生產(chǎn),以及無源無線工作等優(yōu)點,使其應用范圍由傳統(tǒng)的濾波器、卷積器、諧振器、延遲線等信號處理器件拓展到傳感器、射頻識別標簽、微驅(qū)動器等功能器件,可用于溫濕度、壓力和氣體的感測以及物品的無源無線識別,并可制備成柔性器件用于生物醫(yī)療等領(lǐng)域[1-7]。目前應用于感知的無源無線SAW器件可分為諧振型和延遲線型兩種。諧振型SAW器件由叉指換能器IDT(Inter-Digital Transducer)和左右兩組反射柵組成,反射柵反射的信號相互疊加形成諧振腔,由IDT輸出諧振頻率的變化實現(xiàn)對外界量的感知。延遲線型SAW器件按聲波傳輸路徑的不同又可分為反射型和傳輸型。傳輸型延遲線由輸入、輸出兩組IDT組成,經(jīng)測量輸入和輸出IDT之間傳播時延的變化來實現(xiàn)信號感測。反射型SAW器件由IDT和反射柵組成,IDT完成電聲轉(zhuǎn)換,將電磁信號轉(zhuǎn)換為SAW信號并沿著壓電基片表面?zhèn)鞑?信號經(jīng)過反射柵反射,再由IDT轉(zhuǎn)換成電磁信號經(jīng)天線發(fā)射回閱讀器,通過閱讀器提取器件頻率、時延或相位的微小變化來實現(xiàn)器件的感知、識別與控制功能。

相比諧振型和傳輸型,反射型SAW器件具有多參數(shù)感測以及可編碼識別的優(yōu)勢。文獻[8]在一個反射型SAW器件上實現(xiàn)同時對CO2、NO2氣體和溫度的感測;文獻[9]則實現(xiàn)同時對CO2、濕度的感測和器件編碼;文獻[10]則實現(xiàn)同時對磁場、溫度和濕度的感測。針對反射型SAW優(yōu)異的性能和廣闊的應用前景,本文在理論分析的基礎(chǔ)上,設(shè)計試制了多種不同參數(shù)的反射型SAW器件,對理論結(jié)果與測試結(jié)果進行了對比分析,從而驗證了理論分析的正確性,并進一步分析了不同叉指對數(shù)和反射柵條數(shù),以及有無反射柵等情況下的器件特性。

圖1 反射型SAW器件結(jié)構(gòu)圖

1 反射型SAW器件及理論分析

1.1 反射型SAW器件

反射型SAW器件由壓電基片及其表面的叉指狀金屬電極構(gòu)成。如圖1所示,電極結(jié)構(gòu)由一組IDT和多組反射柵組成。當壓電基片受到外界環(huán)境擾動時(如應力、應變、溫度等發(fā)生變化),其幾何尺寸、內(nèi)應力、密度、彈性模量等物理參量會產(chǎn)生相應的變化,從而使其上傳播的聲表面波的頻率、相速度產(chǎn)生相應的變化。因此,通過解析各組反射柵回波信號的幅值、頻率和相位的變化即可實現(xiàn)對外界被測量的感知。

圖1所示的反射型SAW器件的主要參數(shù)有中心頻率f0,IDT叉指對數(shù)N0,反射柵指條數(shù)N1、N2,延遲距離Ld1、Ld2以及聲孔徑W。器件中心頻率f0與聲表面波速度v和波長λ的關(guān)系如式(1)所示。

f0=v/λ

(1)

叉指對數(shù)N0則與中心頻率f0和帶寬Δf的關(guān)系如式(2)所示。

N0=f0/Δf

(2)

聲孔徑W結(jié)合器件尺寸確定,常取10λ～100λ。反射柵指條數(shù)N1、N2以及延遲距離Ld1、Ld2通常根據(jù)回波信號強弱和感知靈敏度進行綜合考慮確定。

1.2 理論分析

耦合模COM(Coupling Of Modes)模型用于描述正、反向傳播的兩列波相互耦合,非常適用于SAW器件的分析,其可以將SAW的反射、波速變化、損耗衰減等二階效應考慮在內(nèi),使分析的結(jié)果更準確、有效。本文基于COM理論對聲表面波傳播路徑上各單元的P矩陣進行級聯(lián),對器件的頻響特性進行模擬,再通過傅里葉反變換得到反射信號的時域波形。

反射型SAW器件的COM模型如圖2所示,其中R(x),S(x)表示IDT激勵的正向和反向(即±x方向)傳播的聲表面波,Rr(x),Sr(x)則表示反射柵正向和反向傳播的聲表面波,輸入的電壓信號為V,用于激勵I(lǐng)DT產(chǎn)生聲表面波。IDT的基本耦合模方程如式(3)所示[11-16]。

2017年，面對受外賣沖擊的方便面市場，康師傅果斷進行行業(yè)轉(zhuǎn)型創(chuàng)新，針對消費群體的不同需求，研發(fā)了一款名為“DIY面”的新產(chǎn)品。通過對制面工藝、料理包、包裝設(shè)計的改進，引導方便面食用場景家庭化，消費者可自主選擇個性化食材，輕松搭配營養(yǎng)餐。談到“DIY面”產(chǎn)品研發(fā)的初衷，康師傅控股有限公司中央研究所方便面研發(fā)中心處長張彥濤介紹說：“從調(diào)查來看，家庭規(guī)?？s小加上人口老齡化，人們對健康和便利的需求提升，外賣食品安全與深度料理耗時等問題愈發(fā)突出，簡單、安心的簡易料理需求也日漸提升?！?/p>

圖2 IDT和反射柵耦合模模型圖

(3)

式中:δ為調(diào)諧系數(shù),κ為反射率,α為換能系數(shù),C為單位周期電極電容,其與器件參數(shù)之間的關(guān)系如下:

δ=ω/ve-jγ

(4)

(5)

(6)

式中:ve=v(1+Δv/v)為擾動后的SAW速度,v為自由表面SAW速度,γ為傳播損耗,Re和Rm為電負載和質(zhì)量負載對反射率的影響,a為電極寬度,p=λ/2,h為膜厚,式(6)中介電常數(shù)ε∞近似為

(7)

式中:ε0是真空介電常數(shù),εp是壓電基片有效介電常數(shù)。則式(3)的解可用一個3×3的混合P矩陣來表示,如式(8)所示。

(8)

式中:P矩陣的各個元素值由下式得到:

(9)

式中:

(10)

由互易關(guān)系關(guān)系可得P31=-2P13,P32=-2P23。同理,開路反射柵的耦合模方程可表示為[16]:

(11)

式中:

(12)

(13)

式中:P矩陣各元素計算方式與式(8)一致,此處不再贅述。而對于聲表面波在無電極的自由表面上傳播并產(chǎn)生延遲,也可用P矩陣表示為[15]:

(14)

式中:Ld為延遲距離,kf=ω/v-jγ。

通過上述模理論推導可得到IDT的P矩陣PI,反射柵的P矩陣Pr1、Pr2,以及自由表面延遲距離的P矩陣Pd1、Pd2。根據(jù)P矩陣的級聯(lián)關(guān)系,假設(shè)R1,Ld2,R2級聯(lián)的P矩陣為PR,再將其與PI、Pd級聯(lián),由此可得到整個器件的P矩陣。則器件的導納矩陣Y可以用P矩陣中的元素表示為[9]:

(15)

式中:

(16)

則器件的反射系數(shù)S11可用Y矩陣的解表示為:

(17)

再經(jīng)傅里葉反變換可將頻域信號S11變換為時域信號,可以得到器件回波信號的時域特性。

基于上述理論分析,本文用MATLAB建立了SAW器件的耦合模模型,模擬了中心頻率約為90 MHz的不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的SAW器件,并假定基片不受外界環(huán)境干擾,基片表面干凈無污染,基片邊緣涂抹吸聲膠,邊緣反射的聲表面波可忽略不計,電極圖形分布均勻,無斷路、短路。壓電基片采用128°Y-X切向LiNbO3,厚度為500 μm,機電耦合系數(shù)K2為5.5%,自由表面聲表面波波速為3 980 m/s[15]。電極材料為銀,電極周期43.7 μm,電極寬度10.9 μm,厚度為200 nm。延遲距離Ld1=4 000 μm,Ld2=2 000 μm,聲孔徑W=50λ=2 000 μm。器件其他參數(shù)如表1所示。

分析得到的表1中四種器件的S11特性曲線如圖3所示。后文第4節(jié)對理論分析結(jié)果與測試結(jié)果進行了詳細地對比討論。

表1 器件參數(shù)

圖3 各參數(shù)SAW器件S11理論分析結(jié)果

圖4 試制SAW器件圖

2 器件研制

基于第1節(jié)理論分析所確定的結(jié)構(gòu)參數(shù),本文試制了相應的SAW器件。器件制作采用剝離(lift-off)工藝,通過晶向?qū)?、光刻、濺射鍍膜、剝離去膠,精確控制電極尺寸,確保電極圖形轉(zhuǎn)移過程中的分辨率和可靠性。制作的3英寸樣片如圖4(a)、4(b)所示。圖4(c)、4(d)為利用光學顯微鏡得到的電極結(jié)構(gòu)細節(jié)圖,所制作器件的電極周期為43.7 μm,電極寬度為10.9 μm,與設(shè)計值44 μm和11 μm相近。

3 實驗與結(jié)果討論

本文搭建了SAW器件的測試系統(tǒng)如圖5所示。通過引線將器件電極與SMA接口連通,用安捷倫E5063A矢量網(wǎng)絡分析儀測試器件S參數(shù),掃頻范圍為80 MHz～100 MHz,時域測試范圍為0～7 μs。

圖5 測試系統(tǒng)圖

本文對各器件的測試結(jié)果與第1節(jié)理論分析結(jié)果進行對比分析。圖6為表1中器件1(單個IDT,沒有反射柵結(jié)構(gòu))的S11參數(shù)的測試結(jié)果與理論分析結(jié)果對比圖,測試得到的中心頻率為91.26 MHz,幅值為-20.58 dB,與理想情況下的理論分析結(jié)果91.44 MHz和-19.21 dB相近,驗證了理論分析的正確性。

圖6 單個IDT的頻域S11分析與測試

圖8 IDT指對數(shù)對器件S11的影響

在對單個IDT分析的基礎(chǔ)上,進一步分析帶兩組反射柵的SAW器件,參數(shù)如表1器件2所示,理論分析與測試結(jié)果如圖7所示。圖7(a)為頻域下的S11特征曲線,測試結(jié)果與理論分析結(jié)果的整體趨勢吻合較好。與圖6進行對比可以看出,帶有反射柵的器件比單個IDT的反射系數(shù)在中心頻率處增大了約8.5 dB,由于反射柵反射回波信號,使中心頻率附近的諧振峰增多。將頻域S11曲線做傅里葉反變換得到時域曲線,如圖7(b)所示的兩個反射峰進一步驗證了兩個反射柵反射的回波信號。

圖7 反射型SAW器件S11分析與測試結(jié)果

表1中器件2與器件3的IDT叉指對數(shù)不同,兩種器件的測試與理論分析結(jié)果如圖8所示。從圖8可以看出,在頻域中叉指對數(shù)減小使得S11在中心頻率附近的幅值減小,減小幅度約為7 dB,諧振峰增多。在時域中叉指對數(shù)由50對減少至25對時,反射柵回波信號幅值增大約14.5 dB,信號更尖銳,信噪比明顯增大。這說明IDT存在反射效應,減小叉指對數(shù)可以降低IDT的反射現(xiàn)象,從而使得回波信號更加清晰。而當叉指對數(shù)為5對時,與叉指對數(shù)為25對相比,反射柵回波信號幅值反而減小,信噪比減小,且波形出現(xiàn)畸變,不利于信號的有效識別。這說明過小叉指對數(shù)使激發(fā)的聲表面波大幅減少,聲電轉(zhuǎn)換效率明顯下降,器件性能下降。因此,設(shè)計器件時需根據(jù)目標合理選擇叉指對數(shù)。

表1中器件2與器件4的反射柵指條數(shù)不同,圖9(a)為兩種器件的測試結(jié)果對比圖。反射柵指條數(shù)的變化對器件影響在頻域下較難區(qū)分,這是由于相比于反射柵,IDT的轉(zhuǎn)換與反射特性很強,導致反射柵回波信號淹沒在IDT特性信號中。在時域中回波信號信噪比幾乎沒有變化,只是因為指條數(shù)的不同使得反射柵中心位置發(fā)生偏移,導致回波信號反射峰時延的變化。為了進一步分析反射柵指條數(shù)對器件性能的影響,對反射柵指條數(shù)更小的器件(N1=6,N2=8)進行了理論分析。

圖9 反射柵指條數(shù)對器件S11的影響

三種器件的分析結(jié)果如圖9(b)所示,可見反射柵指條數(shù)進一步減小降低了反射系數(shù),使得回波信號幅值減小約7 dB,信噪比減小,紋波增多,不利于信號的有效識別。因此,在設(shè)計器件時應適當選取反射柵指條數(shù),在回波信號滿足設(shè)計要求的前提下,可降低器件反射柵復雜度。

4 結(jié)論

本文基于耦合模理論,建立了反射型SAW器件的耦合模模型,利用MATLAB軟件對中心頻率約為90 MHz的不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的SAW器件進行了模擬,試制了不同結(jié)構(gòu)參數(shù)的SAW器件,并搭建了相應的測試系統(tǒng)。對比測試與分析結(jié)果得到:①對叉指對數(shù)為50的單個IDT測試得到的中心頻率為91.26 MHz,幅值為-20.58 dB,與理想情況下的理論分析結(jié)果91.44 MHz和-19.21 dB較為接近,驗證了耦合模參數(shù)選取的準確性和理論分析的正確性;②帶有反射柵的器件比單個IDT器件的反射系數(shù)S11在中心頻率處增大了約8.5 dB,時域曲線存在明顯的由兩個反射柵反射的回波信號,進一步證明了理論分析的正確性;③分析IDT叉指對數(shù)對器件性能的影響,可以觀察到IDT的反射效應,減小叉指對數(shù)可以降低IDT的反射現(xiàn)象,從而使得回波信號更尖銳、信噪比更大,但過小的叉指對數(shù)會降低IDT的聲電轉(zhuǎn)換率,使得激發(fā)的聲表面大幅減少,回波信號幅值和信噪比減小,使器件性能下降;④分析了反射柵對器件性能的影響,得到較大的反射柵指條數(shù)對回波信號影響不大,但過小的指條數(shù)會降低反射柵反射系數(shù),使得回波信號信噪比減小,紋波增多。

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ReflectionPropertyandPerformanceofSurfaceAcousticWaveDevices*

WANGTianxian,XIELiqiang*,XINGJianchun,ZHUXifeng

(College of Defense Engineering,Army Engineering University,Nanjing 210007,China)

In order to analyze the effect of the device parameters on the performance of the SAW(Surface Acoustic Wave)reflective device,COM(coupling of modes)model of SAW device was established by using COM and P matrix theory. Then,the reflective coefficientsS11of SAW device was deduced. Different parameters of SAW devices were designed and fabricated on 128°Y-Xcut LiNbO3piezoelectric wafer. The conclusions are as follows. Firstly,the measuredS11results of single inter-digital transducer(IDT)shows that the center frequency is 91.26 MHz and the amplitude is -20.58 dB,which matched well with the simulated results 91.44 MHz and -19.21 dB. Secondly,compared with single IDT device,the amplitude of the device with reflectors is greater 8.5 dB at the center frequency,and more resonance peaks in frequency domain and sharp peaks in time domain are presented. Thirdly,for the device with small IDT finger pairs,more resonance peaks in frequency domain and clear sharp peaks,larger signal-to noise ratio in time domain can be observed. This shows that the IDT with more finger pairs has stronger reflection property. Fourthly,when the electrode numbers of reflectors decreased,the signal-to noise ratio is decreased and the ripple is increased. The above conclusion can help researchers to optimize device parameters when designing SAW devices.

surface acoustic wave;inter-digital transducer;coupling of modes;reflective coefficient

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.12.012

項目來源:國家自然科學基金項目(51505499);江蘇省自然科學基金項目(BK20150712)

2017-01-18修改日期2017-03-21

TP212.3

A

1004-1699(2017)12-1850-07

王添仙(1992-),男,福建莆田人,碩士研究生,2015年于南昌大學獲得學士學位,主要從事MEMS傳感器研究,wtx0256@sina.com;

謝立強(1980-),男,通訊作者,吉林舒蘭人,博士,碩士生導師,2003年、2005年、2010年于國防科技大學分別獲得學士、碩士、博士學位,現(xiàn)為陸軍工程大學國防工程學院講師,主要從事微機電系統(tǒng)以及建筑智能化技術(shù)等方向的研究,xielq@outlook.com。