蔡飛達，李紅浪，柯亞兵，田亞會，盧孜筱

(1.中國科學院 聲學研究所，北京 100190；2.中國科學院大學，北京 100490)

0 引言

自20世紀70年代聲表面波(SAW)傳感器問世以來，SAW傳感技術已在物理、化學、生物等各個領域中取得了廣泛的應用[1-3]。SAW傳感器通常由叉指換能器(IDT)、基片和反射柵3部分組成，分為延遲線型和諧振型。其中，SAW諧振型傳感器的反射柵與IDT形成諧振腔，SAW信號在諧振腔中諧振。與延遲線型SAW傳感器相比，諧振型SAW傳感器具有低插入損耗,帶寬占用少及結構緊湊等優(yōu)勢，可以實現(xiàn)更小的封裝體積[4-5]。

隨著SAW器件體積的減小，SAW傳感器對封裝造成的影響更敏感。在433 MHz或更高的射頻頻段，SAW傳感器的封裝尺度已與電磁波信號的波長可比，導致封裝的寄生參數(shù)影響顯著[6]。傳統(tǒng)的、只基于耦合模(COM)模型的仿真結果和實際封裝器件的測試結果差距逐漸增大。因此，在設計階段就必須對傳感器封裝帶來的電磁影響進行仿真，進而在制作前獲得更準確的仿真結果，提高傳感器設計的成功率。

SAW器件封裝仿真通常是將管殼和焊點等結構抽象成一個由集總參數(shù)原件及傳輸線組成的電路網(wǎng)絡進行模擬[7]。通過對集總原件參數(shù)的不斷調(diào)整，使仿真結果和測量數(shù)據(jù)相對應。由于集總參數(shù)原件數(shù)量與網(wǎng)絡復雜度的限制，這種方法不能精確地描述匯流條、焊盤連線、焊盤與壓電晶體等結構之間的三維電磁場分布關系[6]。因此，本文提出使用COM模型對SAW諧振式傳感器芯片進行仿真，同時聯(lián)合三維電磁場仿真軟件HFSS對匯流條及封裝進行仿真，在ADS軟件中通過多端口參數(shù)級聯(lián)，得到考慮封裝的SAW諧振式傳感器的S參數(shù)響應。

1 SAW諧振器COM模型仿真

COM理論是研究SAW 傳感器重要的理論方法之一[8]。采用COM仿真SAW諧振器的一般流程為:首先根據(jù)材料特性計算模型的參數(shù),再利用模型方程分別計算器件內(nèi)部IDT和反射柵的P矩陣，然后根據(jù)IDT和反射柵的連接關系將二者P矩陣級聯(lián)得到整個器件的P矩陣。最后利用P矩陣得出散射矩陣、導納矩陣等，進而計算出器件的時域響應和頻域響應。

本文仿真的SAW諧振器工作在428.3 MHz左右，膜厚0.3 μm；叉指換能器指條對數(shù)為90對，金屬化比為0.4；雙側反射柵指條對數(shù)各為160對，反射柵金屬化比為0.4，COM模型仿真的S11結果如圖1所示。

圖1 COM模型仿真結果

2 傳感器封裝結構的電磁仿真及其與COM模型的結合

傳統(tǒng)SAW諧振器COM模型仿真只計算出了IDT和反射柵共同組成諧振腔的S參數(shù)。針對封裝結構對芯片整體電磁相應的影響，提出在傳統(tǒng)COM模型基礎上，對傳感器封裝管殼進行電磁仿真，并與COM模型結果進行結合分析。對結構中的陶瓷管殼、硅鋁絲邦線、匯流條、晶元基片均需在HFSS中進行建模并仿真。本文仿真使用的封裝是NTK公司5 mm×5 mm 的表面貼裝器件(SMD)陶瓷管殼；仿真的芯片尺寸為3.60 mm×2.58 mm×0.48 mm，材料為石英，在HFSS中建模效果如圖2所示。

圖2 HFSS建模效果圖

材料方面，壓電基片采用石英參數(shù)，介電常數(shù)為3.78；陶瓷管殼根據(jù)生產(chǎn)廠家資料選取氧化鋁陶瓷仿真，介電常數(shù)為9.8；管殼中金屬層材料為鎳，硅鋁絲及匯流條仿真使用材料為鋁。

環(huán)境設置方面，根據(jù)器件在印刷電路板(PCB)上的實際工作情況，將管殼默認接地管腳和諧振器其中一側信號管腳使用理想地平面進行連接，另一側連接信號的引腳懸空。封裝仿真時，采用集總參數(shù)端口的激勵方式，求解各端口S參數(shù)。由于信號管腳到諧振器匯流條的電器連接均為非理想導體，所以，在諧振器匯流條處和理想地平面之間分別設置兩個集總參數(shù)端口，仿真其傳輸特性[9]。連接信號管腳的匯流條設置為端口3、連接至接地引腳的匯流條設置為端口2，在信號管腳與理想地平面之間設置端口1。設置情況如圖3所示。

圖3 端口設置

為了在不影響計算精度的情況下，減少HFSS在有限元求解過程中的計算量，本文對傳感器結構模型建立的過程中網(wǎng)格的劃分主要進行了兩方面簡化：

1) 將實際截面為圓柱形的硅鋁絲抽象成為3個六棱柱的組合。

2) 將芯片側邊半圓管狀金屬鍍層簡化為片狀鍍膜。

上述簡化在保證仿真精度的前提下，加快了仿真速度[10]。仿真結果如圖4所示，圖中虛線表示端口1與端口3之間的插入損耗，由于兩個端口之間通過管殼中的金屬結構短接，故插入損耗較小，約為0.1 dB；圖中實線表示端口2與端口3之間的信號泄漏，由于無SAW諧振器相連，故呈現(xiàn)斷路狀態(tài)，泄漏約為-52.2 dB。

圖4 端口插損

在得到芯片的單端口S參數(shù)和HFSS仿真的3個端口的S參數(shù)后，在電路仿真軟件ADS中進行級聯(lián)，仿真芯片與管殼整體級聯(lián)后的的單端口S參數(shù)響應，端口負載設置為50 Ω，掃頻頻段為427～429 MHz，步進1 kHz，仿真電路設置如圖5所示。

圖5 ADS電路原理圖

3 仿真與實驗結果比對

本文使用網(wǎng)絡分析儀對仿真的SAW諧振型傳感器進行實際測試，該傳感器對溫度、壓力敏感，因此，測試環(huán)境應保證恒溫、恒壓。封裝為密閉結構，認為壓力不變，溫度方面則使用高精度恒溫箱保證恒溫。同時，為了排除網(wǎng)絡分析儀及射頻同軸電纜的影響，在連接測試PCB前，對網(wǎng)絡分析儀及射頻同軸電纜進行開路校準。測試使用的PCB如圖6所示。

圖6 PCB測試板

最終將實測數(shù)據(jù)、SAW諧振器仿真數(shù)據(jù)、考慮封裝的SAW諧振器數(shù)據(jù)進行對比，結果如圖7、8所示。由圖8可知，僅使用COM模型進行仿真的S11幅度最小值對應的頻率為428.290 MHz，吸收峰幅度約為-12.5 dB；實際器件S11幅度最小值對應的頻率為428.282 MHz，吸收峰幅度約為-17 dB；兩者頻率相差8 kHz，吸收峰幅度相差4.5 dB?？紤]封裝的SAW傳感器仿真結果的S11幅度最小值對應的頻率為428.283 MHz，吸收峰幅度約為-15 dB，與實際情況頻率相差1 kHz，吸收峰幅度相差2 dB。因此，考慮封裝的SAW傳感器仿真結果比僅使用COM模型進行的仿真更接近實際情況。

圖7 實測數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)史密斯圓圖對比

圖8 實測數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)幅度對比

4 結束語

針對帶封裝、小體積射頻聲表面波傳感器的精確仿真，本文在COM模型的基礎上，使用三維電磁波仿真軟件HFSS對傳感器封裝結構進行仿真，使用電路仿真軟件ADS對COM模型仿真結果和傳感器封裝結構的S參數(shù)進行結合，考慮了封裝對傳感器電學響應的影響，實際測量結果與改進仿真方法后的仿真結果更吻合。