徐夢(mèng)茹，肖夏

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硅酸鎵鑭單晶材料的聲表面波標(biāo)簽研究

徐夢(mèng)茹，肖夏

(天津大學(xué)微電子學(xué)院，天津 300072)

聲表面波射頻識(shí)別標(biāo)簽在射頻標(biāo)簽領(lǐng)域獲得廣泛關(guān)注，其中對(duì)標(biāo)簽基底材料的研究也成了研究熱點(diǎn)。文章旨在研究使用硅酸鎵鑭單晶材料為壓電基底的聲表面波標(biāo)簽的標(biāo)簽特性。對(duì)使用硅酸鎵鑭單晶材料為壓電基底的聲表面波標(biāo)簽進(jìn)行頻域和時(shí)域分析，并結(jié)合有限元分析方法，對(duì)標(biāo)簽的特征頻率、叉指換能器(Interdigital Transducer, IDT)的反射系數(shù)、叉指電極金屬化比、金屬電極厚度以及標(biāo)簽回波特性進(jìn)行研究分析，提取了耦合模COM(Coupled-mode)模型參數(shù)。分析結(jié)果表明了壓電效應(yīng)是聲表面波的諧振與反諧振頻率存在的根源，驗(yàn)證了脈沖幅度編碼方式，并為使用硅酸鎵鑭材料作為壓電基底的聲表面波標(biāo)簽的制作提供了仿真實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

聲表面波標(biāo)簽；硅酸鎵鑭單晶；有限元方法

0 引言

聲表面波射頻識(shí)別標(biāo)簽(Surface Acoustic Wave Radio Frequency Identification Tags, SAW RFID)與傳統(tǒng)的集成電路(Integrated Circuit, IC)標(biāo)簽相比，具有可對(duì)運(yùn)動(dòng)物體進(jìn)行識(shí)別、讀取距離遠(yuǎn)、能在惡劣環(huán)境下工作以及對(duì)液體和金屬的抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)，因此對(duì)SAW RFID的研究逐漸成為熱點(diǎn)[1-5]。SAW標(biāo)簽由壓電基片、反射柵和沉積在壓電基片上的叉指換能器(Interdigital Transducer, IDT)組成。目前對(duì)SAW標(biāo)簽的研究主要集中于標(biāo)簽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[6]、編碼方式的設(shè)計(jì)[7]以及標(biāo)簽的性能分析[8]。

壓電單晶材料是最早應(yīng)用于聲表面波器件的壓電材料，目前仍廣泛應(yīng)用于各類聲表面波器件中。硅酸鎵鑭(Langasite, LGS)晶體是一種橙色透明的新型壓電晶體，從20世紀(jì)80年代首次報(bào)道以來一直吸引著研究者的關(guān)注。LGS具有比石英大2～3倍的機(jī)電耦合系數(shù)，與石英的溫度穩(wěn)定性相當(dāng)，LGS晶體從室溫到1 470℃都不發(fā)生相變，適合制作溫度穩(wěn)定性高的聲表面波器件[9-13]。此外，LGS晶體的聲表面波傳播速度低，適合器件的小型化[14]。這些優(yōu)點(diǎn)讓LGS材料備受國內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)的關(guān)注。

本文針對(duì)使用歐拉角為(0°, 138.5°, 26.7°)的LGS晶體材料作為壓電基片的SAW標(biāo)簽進(jìn)行有限元研究分析，研究分析內(nèi)容包括標(biāo)簽的特征頻率、叉指電極金屬化比、金屬電極厚度以及標(biāo)簽回波特性。借助有限元仿真軟件COMSOL Multiphysics完成研究內(nèi)容。對(duì)SAW標(biāo)簽進(jìn)行頻率和時(shí)域特性的仿真分析，結(jié)果表明，SAW標(biāo)簽中壓電效應(yīng)是諧振頻率和反諧振頻率存在的根源，電極尺寸會(huì)影響二者的具體數(shù)值大小。SAW標(biāo)簽的表面波波速隨著電極厚度與波長比的增大而減小。對(duì)標(biāo)簽的時(shí)域仿真分析驗(yàn)證了脈沖幅度編碼方式。分析結(jié)果能夠指導(dǎo)SAW標(biāo)簽的研究和制作。

1 SAW RFID工作原理

如圖1所示，SAW RFID的具體工作過程為：閱讀器發(fā)射出射頻詢問脈沖，當(dāng)SAW標(biāo)簽進(jìn)入查詢范圍時(shí)標(biāo)簽天線接收詢問脈沖射頻信號(hào)，與標(biāo)簽天線直接相連的IDT通過逆壓電效應(yīng)將接收到的電磁波轉(zhuǎn)化為SAW并且沿著標(biāo)簽基片表面?zhèn)鞑?，傳播過程中SAW遇到反射柵產(chǎn)生反射和透射，反射信號(hào)通過正壓電效應(yīng)由IDT轉(zhuǎn)換成電磁波經(jīng)由標(biāo)簽天線發(fā)射出去，由閱讀器接收[15]。

圖1 聲表面波射頻標(biāo)簽識(shí)別系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

SAW RFID系統(tǒng)中，閱讀器發(fā)出的查詢脈沖決定了查詢脈沖射頻信號(hào)的頻率，壓電基片材料和IDT決定了標(biāo)簽的諧振頻率。當(dāng)查詢脈沖射頻信號(hào)的頻率和標(biāo)簽的諧振頻率相等時(shí)，SAW的激發(fā)效率最高[16]，標(biāo)簽的插入損耗也最小。

2 有限元方法與結(jié)果分析

2.1 標(biāo)簽二維結(jié)構(gòu)模型

根據(jù)簡化之后的二維模型的參數(shù)，在有限元分析軟件COMSOL Multiphysics中建立了與之對(duì)應(yīng)的二維模型結(jié)構(gòu)。

圖2 聲表面波標(biāo)簽特征頻率分析的簡化二維結(jié)構(gòu)模型

表1 聲表面波標(biāo)簽二維幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)(μm)

表2 聲表面波標(biāo)簽二維幾何結(jié)構(gòu)邊界條件

表3 LGS單晶彈性矩陣彈性系數(shù)(1010 N·m-2)

表4 LGS單晶壓電常數(shù)(C·m-2)

2.2 標(biāo)簽頻域分析

2.2.1 標(biāo)簽COM模型參數(shù)

SAW能量集中在基片表面1～2個(gè)波長內(nèi)，隨著基片深度的增加，SAW的振幅呈指數(shù)衰減，因此能夠把SAW振型從各個(gè)不同的波動(dòng)陣型中提取出來，從而獲得特征頻率。利用頻率分析模塊，提取出符合SAW特性的對(duì)稱模態(tài)和反對(duì)稱模態(tài)，如圖3所示。

圖3 對(duì)稱模態(tài)和反對(duì)稱模態(tài)圖

可通過式(3)計(jì)算出標(biāo)簽IDT的反射系數(shù)：

反射系數(shù)的計(jì)算結(jié)果為0.85%，對(duì)稱模態(tài)和反對(duì)稱模態(tài)下的頻率可以用于分析IDT的二次效應(yīng)。

在表面波器件的頻率效應(yīng)分析中，主要分析器件的輸入導(dǎo)納，導(dǎo)納值的計(jì)算公式為

通過頻域仿真分析，可以獲得導(dǎo)納和頻率的關(guān)系，如圖5所示。圖5中兩個(gè)極點(diǎn)處，表示導(dǎo)納無窮大，兩極點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頻率為標(biāo)簽的諧振頻率。越靠近諧振頻率附近，IDT的導(dǎo)納越大，距離較遠(yuǎn)則對(duì)應(yīng)導(dǎo)納越小。

可以通過有限元仿真提取用于分析SAW標(biāo)簽的COM模型參數(shù)，進(jìn)行進(jìn)一步的標(biāo)簽?zāi)Ｐ头治龊陀?jì)算。此外，對(duì)導(dǎo)納的分析有助于對(duì)SAW器件的阻抗匹配進(jìn)行研究。

圖4 反對(duì)稱模態(tài)下SAW振幅圖

圖5 均勻IDT相對(duì)聲輻射導(dǎo)納

2.2.2 叉指電極金屬化比對(duì)SAW波速的影響

表5 SAW波速隨MR的變化

2.2.3 金屬電極厚度對(duì)SAW波速的影響

SAW波速隨電極厚度與波長比的變化如表6所示。從表6可見，隨著電極厚度與波長比的增大，SAW器件的波速減小，進(jìn)而SAW標(biāo)簽的中心頻率減小。為了滿足實(shí)際的應(yīng)用需求，需要選擇合適的SAW標(biāo)簽電極厚度與波長比。

表6 SAW波速隨電極厚度與波長比的變化

2.3 標(biāo)簽的時(shí)域回波特性分析

SAW標(biāo)簽利用固定位置反射柵的有無實(shí)現(xiàn)脈沖幅度編碼，反射柵的有和無分別代表著編碼1和0。通過分析標(biāo)簽的回波特性獲得標(biāo)簽的編碼信息，這是研究SAW射頻識(shí)別標(biāo)簽的關(guān)鍵。

標(biāo)簽回波的仿真模型如圖6所示。選用5個(gè)金屬電極作為IDT，在IDT上分別加載不同的電壓激勵(lì)模擬查詢脈沖，模型中有3個(gè)等間距分布的反射柵。建立111和110兩種標(biāo)簽編碼用于仿真對(duì)應(yīng)的回波特性。標(biāo)簽回波特性仿真的幾何結(jié)構(gòu)參數(shù)見表7。壓電基片選用LGS單晶材料，IDT和反射柵的金屬電極使用金屬鉑材料。標(biāo)簽回波特性仿真時(shí)域圖如圖7所示。從圖7(a)、7(b)中可以看出，時(shí)域上回波脈沖的波形和反射柵的有無存在對(duì)應(yīng)關(guān)系。因此，通過設(shè)置反射柵的有無可以完成對(duì)標(biāo)簽的編碼。對(duì)回波特性的時(shí)域仿真結(jié)果的分析證實(shí)了脈沖幅度編碼的正確性。

圖6 標(biāo)簽回波特性仿真結(jié)構(gòu)圖

表7 標(biāo)簽回波特性仿真結(jié)構(gòu)參數(shù)(μm)

圖7 兩種編碼的回波特性時(shí)域圖

3 結(jié)論

本文對(duì)使用歐拉角為(0°, 138.5°, 26.7°)的硅酸鎵鑭單晶作為壓電基底材料的聲表面波標(biāo)簽進(jìn)行研究分析，借助有限元仿真軟件COMSOL Multiphysics，計(jì)算不同叉指電極金屬化比下標(biāo)簽的中心頻率與波速，結(jié)果證明壓電效應(yīng)是聲表面波的諧振與反諧振頻率存在的根源，電極尺寸會(huì)影響二者數(shù)值的大小。對(duì)標(biāo)簽金屬電極厚度的計(jì)算分析，說明了標(biāo)簽波速隨著電極厚度與波長比的增大而減小，針對(duì)實(shí)際應(yīng)用環(huán)境要選擇合適的金屬電極厚度。在對(duì)標(biāo)簽的時(shí)域分析中，驗(yàn)證了脈沖幅度的編碼方式。這些分析為使用LGS作為壓電基片材料的聲表面波標(biāo)簽的設(shè)計(jì)制作提供了指導(dǎo)。

在實(shí)際制作中，SAW器件是三維器件，本文所進(jìn)行的研究針對(duì)理想化的二維SAW器件，在計(jì)算中忽略了IDT周期對(duì)數(shù)對(duì)SAW激發(fā)效率的影響，以及SAW衰減、體波散射等對(duì)器件的影響，因此計(jì)算結(jié)果與實(shí)際測(cè)試結(jié)果存在誤差，但仿真計(jì)算結(jié)果能夠反映SAW器件的特性，并且能夠用于分析SAW器件的編碼方法，存在實(shí)際的應(yīng)用價(jià)值。

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The study of langasite based surface acoustic wave tag

XU Meng-ru, XIAO Xia

(School of Microelectronics Tianjin University, Tianjin 300072, China)

Surface acoustic wave (SAW) radio frequency identification tags have attracted widely attention in the field of radio frequency tags, and the study of the tag substrate materials also becomes a hotspot. The purpose of this paper is to study the tag properties of surface acoustic wave tags using langasite (LGS) as piezoelectric substrate. The surface acoustic wave tag based on LGS (0°, 138.5°, 26.7°) is analyzed in frequency domain and time domain. The tag characteristic frequency, deposit ratio of interdigital electrode, metal electrode thickness and echo pulse characteristics are analyzed by the finite element analysis method. The analysis results show that the resonance and anti-resonance frequencies of surface acoustic wave are caused by the piezoelectric effect, and the pulse amplitude encoding mode is also verified. These results provide a basis for the fabrication of surface acoustic wave tags.

surface acoustic wave tag; langasite; finite element simulation

TN47

A

1000-3630(2019)-01-0108-05

10.16300/j.cnki.1000-3630.2019.01.018

2018-01-15;

2018-03-08

國家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(61571319)。

徐夢(mèng)茹(1994－), 女, 安徽六安人, 碩士研究生, 研究方向?yàn)槁暠砻娌ㄉ漕l識(shí)別標(biāo)簽。

肖夏,E-mail: xiaxiao@tju.edu.cn