崔柏樂王 文?單長鎖曲 波

(1.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100190；2.中國科學(xué)院聲學(xué)研究所，北京 100190；3.江蘇聲立傳感技術(shù)有限公司，江蘇 南通 226000；4.蘇州大學(xué)電子信息學(xué)院，江蘇 蘇州 215000)

目前，溫度傳感器的類型包括電容式、光纖式、紅外式、聲表式等幾種[1－2]，但隨著工業(yè)化的不斷發(fā)展，測溫環(huán)境的多樣性，復(fù)雜性以及危險(xiǎn)性，對(duì)測溫器件的性能要求不斷提高，特別是傳統(tǒng)的有源測溫方式難以滿足高溫高壓、高輻射以及無人值守的應(yīng)用環(huán)境。 聲表面波(SAW)技術(shù)提供了一種新型溫度傳感方式，具有高穩(wěn)定性、快速響應(yīng)、高靈敏度等優(yōu)點(diǎn)[3]，并且利用其可通過接收電磁波激勵(lì)的特點(diǎn)可結(jié)合射頻雷達(dá)技術(shù)實(shí)現(xiàn)無源無線的溫度傳感方式，在工業(yè)制造、電力傳輸、航空航天、毒氣檢測等領(lǐng)域備受關(guān)注[4－5]。

SAW 是利用壓電效應(yīng)在壓電晶體表面沉積金屬叉指電極所激勵(lì)的沿晶體表面?zhèn)鞑サ臋C(jī)械聲波。壓電晶體的線性熱膨脹效應(yīng)將會(huì)導(dǎo)致SAW 傳播速度與溫度的線性關(guān)聯(lián)，利用這一特點(diǎn)即可構(gòu)建基于SAW 的溫度傳感器。 其獨(dú)特優(yōu)勢在于，SAW 可通過接收電磁波信號(hào)激勵(lì)，傳感信號(hào)則可通過無線傳輸，由此可實(shí)現(xiàn)無源無線的傳感方式。 無源無線SAW 溫度傳感系統(tǒng)如圖1 所示。

圖1 無源無線SAW 溫度傳感器系統(tǒng)

射頻讀取模塊發(fā)射特征頻率的電磁波信號(hào)，由SAW 器件的叉指換能器(IDT)接收并轉(zhuǎn)換成沿壓電晶體表面?zhèn)鞑サ腟AW。 傳播SAW 再經(jīng)由叉指換能器轉(zhuǎn)換成可接收的電磁波信號(hào)。 由于壓電晶體自身的熱膨脹效應(yīng)可導(dǎo)致SAW 傳播速度的變化，因此，對(duì)接收的電磁波信號(hào)解耦即可提取溫度信號(hào)。 鞏凡[6]等開展了無源無線SAW 溫度傳感器的研究，通過多條耦合器抑制體聲波(BAW)的信號(hào)干擾，在不同聲路增加反射柵，利用延遲信號(hào)提高測溫精度，但器件插入損耗較大。 王睿[7]等對(duì)無源無線SAW器件的系統(tǒng)測試進(jìn)行研究，通過檢測回波信號(hào)的包絡(luò)變化實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度信號(hào)解耦，頻率誤差>10 kHz。 中北大學(xué)張利威[8]在鈮酸鋰晶體上實(shí)現(xiàn)無源無線SAW 溫度器件設(shè)計(jì)并開展相關(guān)優(yōu)化，但器件具有較低的溫度靈敏度(1.34 kHz/℃)，且優(yōu)化未考慮電極相對(duì)膜厚對(duì)器件損耗的影響。 Zhang K[9]等設(shè)計(jì)了中心頻率為24 MHz 的諧振型無源無線SAW 溫度傳感器件，在10 ℃～70 ℃下，測溫誤差～0.3 ℃。Kim S[10]等設(shè)計(jì)了諧振型SAW 溫度器件，實(shí)現(xiàn)了無線地下測溫，溫度系數(shù)達(dá)到0.3 MHz/℃，線性度0.96，具有較高的靈敏度，但是器件測溫范圍小，測溫誤差大。 綜上，無源無線SAW 溫度傳感器件設(shè)計(jì)存在溫度靈敏度低，測溫范圍受限，測溫誤差大以及系統(tǒng)測試不準(zhǔn)確等問題。 典型的無源無線SAW 溫度傳感器件結(jié)構(gòu)一般采用單端諧振器，其品質(zhì)因子與頻率溫度特性決定了傳感器的檢測靈敏度和無線傳輸性能。 開展SAW 諧振器型傳感器件的優(yōu)化設(shè)計(jì)，并結(jié)合射頻讀取模塊，構(gòu)建高精度的無源無線測溫系統(tǒng)是本文的主要內(nèi)容。

基于以上考慮，本文優(yōu)化設(shè)計(jì)了基于YX 石英基底的單端對(duì)諧振型SAW 溫度傳感器件。 結(jié)合有限元分析軟件COMSOL 和等效電路模型對(duì)傳感器件進(jìn)行理論仿真，基于理論分析結(jié)果，實(shí)驗(yàn)制備出諧振型SAW 溫度傳感器件。 在此基礎(chǔ)上，結(jié)合無線射頻讀取模塊，構(gòu)建了無源無線溫度測溫系統(tǒng)，測試結(jié)果顯示傳感器具有較高的測試精度和良好的穩(wěn)定性。

1 SAW 溫度傳感器件優(yōu)化仿真

為了實(shí)現(xiàn)對(duì)SAW 傳感器件的優(yōu)化設(shè)計(jì)，特別考慮叉指換能器的金屬電極膜厚的設(shè)計(jì)，不同的電極膜厚會(huì)影響器件工作頻率[11]，由于質(zhì)量負(fù)載效應(yīng)，膜厚的增加將會(huì)導(dǎo)致聲波波速的降低，忽略溫度變化的器件熱膨脹效應(yīng)導(dǎo)致的電極尺寸變化的情況下，器件的工作頻率將會(huì)降低，并且由于膜厚變化導(dǎo)致的波阻抗的變化，器件的頻率特性將發(fā)生改變。本文采用有限元方法進(jìn)行分析，通過設(shè)計(jì)不同電極膜厚，分析不同電極相對(duì)膜厚下的器件頻率響應(yīng)，選擇最低損耗下的電極膜厚為器件最優(yōu)電極膜厚。 結(jié)合單端對(duì)SAW 諧振器等效電路模型，提取器件最優(yōu)電極膜厚下的電學(xué)參數(shù)，為器件外圍電路設(shè)計(jì)提供理論支撐。

1.1 等效電路模型

等效電路模型是聲表面波器件常用的一種唯象仿真方法。 對(duì)于單端諧振器型傳感器件，其等效電路結(jié)構(gòu)如圖2 所示，其中C0為靜態(tài)電容，Cm為動(dòng)態(tài)電容，Lm為動(dòng)態(tài)電感，Rm為動(dòng)態(tài)電阻[12－13]。 一般而言，上述等效電路參數(shù)的準(zhǔn)確提取是決定傳感器件仿真效能的前提。 相對(duì)于使用MATLAB 對(duì)等效電路參數(shù)進(jìn)行提取，Ashish 等[14]提出結(jié)合有限元仿真結(jié)果計(jì)算器件的參數(shù)的方法能夠更快速的提取等效電路參數(shù)。

圖2 單端對(duì)諧振型SAW 傳感器件的等效電路模型

對(duì)于等效電路中各參數(shù)的計(jì)算，假設(shè)經(jīng)過仿真獲取SAW 器件的正諧振角頻率wr，反諧振角頻率war，從諧振導(dǎo)納結(jié)果分析得到器件的品質(zhì)因子Qr，那么上述等效電路模型參數(shù)計(jì)算公式如下所示:

由此，經(jīng)過仿真的方法，可以設(shè)計(jì)特定的模型，依據(jù)求解模型的特征頻率以及頻率響應(yīng)結(jié)果，提取出模型的等效電路參數(shù)，這將有利于縮短傳感器件的設(shè)計(jì)開發(fā)周期。

1.2 有限元仿真分析

在眾多仿真研究中，利用COMSOL 建立的SAW器件模型是基于平面假設(shè)的，即二維建模模型，但是二維模型忽略器件橫截面上的聲表面波的解，致使仿真分析不全面，大多數(shù)仿真結(jié)果與實(shí)際情況不符合[15]，因此本文建立三維聲表面波器件。

本文的叉指換能器采用均勻指結(jié)構(gòu)，如圖3 所示。 其中h為電極膜厚，W為孔徑長度，a為叉指電極寬度，b為相鄰叉指電極距離，p為一半波長，λ為聲表面波波長，即叉指換能器的周期。 器件的中心頻率取決于叉指換能器的設(shè)計(jì)，器件工作頻率f可表示為:

圖3 均勻指結(jié)構(gòu)

式中:vs為聲波在基底表面?zhèn)鞑サ乃俣龋瑢?duì)于使用具有線性溫敏特性的YX-Quartz 材料的壓電基底，此時(shí)vs為3 159.3 m/s。

對(duì)于叉指換能器的建模描述常用電極相對(duì)膜厚Q來形容電極厚度與波長的關(guān)系，金屬化比M來表示單個(gè)周期內(nèi)金屬化程度，對(duì)于器件孔徑設(shè)置定義器件在與X方向垂直的Y方向和傳播X方向的尺寸比例系數(shù)Ql[16]，由此叉指換能器建模的數(shù)學(xué)表述如下:

依據(jù)聲表面波特點(diǎn)，能量幾乎集中在晶體表面1～2 個(gè)波長內(nèi)，因此設(shè)計(jì)壓電基底厚度為5λ，為了簡化模型計(jì)算量，使用周期性邊界條件，設(shè)計(jì)單周期叉指換能器器件，此時(shí)有N＝1。 本文取Ql＝1，M＝0.5，Q＝1.5%進(jìn)行仿真研究。 得到單周期諧振型SAW 傳感器件的幾何建模尺寸如表1 所示。

表1 幾何建模尺寸

其幾何建模及其邊界標(biāo)識(shí)如圖4(a)所示，器件仿真需要對(duì)固體力學(xué)以及靜電部分進(jìn)行設(shè)置，在固體設(shè)置中，壓電基底的坐標(biāo)系選擇IEEE 標(biāo)準(zhǔn)給出的歐拉角(α，β，γ)變換后的旋轉(zhuǎn)坐標(biāo)系，設(shè)置歐拉角(α，β，γ)為(0，pi/2，0)進(jìn)行坐標(biāo)變換，從而得到Y(jié)X-Quartz 壓電晶體。 靜電中使用終端接口，在電極上施加電壓。

對(duì)于利用有限元分析法求解物理場問題，求得的解需要滿足模型邊界條件后才可以收斂，設(shè)置模型的邊界條件如表2 所示。

表2 模型的力學(xué)邊界與電學(xué)邊界條件

網(wǎng)格剖分的單元大小決定了器件仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。 因此，根據(jù)聲表面波器件的特點(diǎn)，在晶體表面剖分較為密集的網(wǎng)格，對(duì)基底進(jìn)行反向等差數(shù)列剖分，得到的網(wǎng)格結(jié)果表明在器件下表面網(wǎng)格最為疏松，在上表面網(wǎng)格最為密集，剖分結(jié)果如圖4(b)所示。

圖4 仿真建模

在研究內(nèi)容中，選擇特征頻率分析，設(shè)置研究的基準(zhǔn)頻率為433 MHz，得到聲表面波器件的正反諧振模態(tài)，分別為fr＝433.2 MHz，far＝433.33 MHz 的兩個(gè)特征頻率，由波速v＝[(fr＋far)×λ]/2 ＝3 160 m/s可知，仿真結(jié)果聲表面波波速與理論符合，器件的振態(tài)位移分布如圖5(a)、5(b)所示。

圖5 器件模態(tài)

對(duì)SAW 器件進(jìn)行頻域分析，獲得器件的頻率響應(yīng)特性，結(jié)合參數(shù)化掃描方法，對(duì)器件電極相對(duì)膜厚進(jìn)行分析，電極相對(duì)膜厚設(shè)置掃描范圍在[0.01，0.02]之間，步進(jìn)為0.001，同時(shí)仿真對(duì)頻域掃描，范圍設(shè)置在[433，434]MHz 之間，仿真得到結(jié)果如圖6(a)所示。 從圖6(a)可知，鋁電極相對(duì)膜厚設(shè)置為1.5%時(shí)具有最大導(dǎo)納值，即在器件諧振時(shí)，具有最小阻抗值，此時(shí)器件的損耗最小，為最優(yōu)電極相對(duì)膜厚。 對(duì)電極相對(duì)膜厚為1.5%，金屬化比0.5 的單周期SAW 傳感器件單獨(dú)進(jìn)行頻域計(jì)算，得到更加精確的導(dǎo)納值與中心頻率，結(jié)果如圖6(b)所示。

圖6 器件導(dǎo)納圖

由圖6 (b) 可知， 仿真得到諧振頻率為433.84 MHz 的SAW 傳感器件，綜上有fr＝433.2 MHz，far＝433.3 MHz，Qr＝11 000，Gr＝0.003 008，由式(1)、式(2)可得如表3 所示的等效電路參數(shù)表。

表3 等效電路模型參數(shù)

由此，經(jīng)過有限元方法對(duì)器件參數(shù)的仿真優(yōu)化設(shè)計(jì)，分析得到器件最優(yōu)電極膜厚，成功提取出器件的等效電路參數(shù)。

2 實(shí)驗(yàn)研究

2.1 器件性能測試

在理論的指導(dǎo)下，采用標(biāo)準(zhǔn)光刻工藝制備傳感器件。 其制備流程如圖7 所示，實(shí)驗(yàn)器件制作選擇YX-Quartz 晶片作為壓電基底，整個(gè)器件制作在超凈室內(nèi)進(jìn)行，首先對(duì)晶片進(jìn)行清洗(a)，在(a)的晶片上均勻涂覆光刻膠(b)，在對(duì)涂覆光刻膠的表面進(jìn)行曝光顯影，對(duì)顯影后的晶片表面進(jìn)行刻蝕(c)，(d)中利用濺射臺(tái)對(duì)光刻后的器件表面進(jìn)行沉積金屬，本文中使用金屬鋁，金屬濺射厚度為仿真研究中得到的最佳膜厚值，(e)中剝離剩余的光刻膠，此時(shí)晶體表面留下與光刻板完全相同的金屬電極圖案，(f)為最終制作結(jié)果。

圖7 器件制備流程

器件叉指換能器采用均勻指結(jié)構(gòu)，電極相對(duì)膜厚為1.5%，器件設(shè)計(jì)參數(shù)如表4 所示。

表4 器件設(shè)計(jì)參數(shù)

使用安捷倫E5061 網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)研制芯片進(jìn)行的工作頻率以及品質(zhì)因子的測試，測試方法為將器件連接至網(wǎng)絡(luò)分析儀中，使用S11端口，測量器件的導(dǎo)納，測試結(jié)果如圖8 所示。

圖8 測試Q 值結(jié)果圖

從圖8 中可知，器件工作頻率在436.56 MHz，品質(zhì)因子Q值高達(dá)9 000。 測試結(jié)果與仿真結(jié)果較接近。 測試品質(zhì)因子相對(duì)于上述有限元方法分析的結(jié)果偏小，主要原因是在有限元分析中，使用了周期性邊界條件，即假設(shè)叉指對(duì)數(shù)為無限個(gè)，這與實(shí)際器件設(shè)計(jì)過程中不一致，因此會(huì)導(dǎo)致實(shí)際器件測量的品質(zhì)因子相對(duì)于理論值較低。

結(jié)合GDW－250B 高低溫箱對(duì)傳感器件進(jìn)行測溫測試，測試溫度范圍為－20 ℃～120 ℃，測試溫度間隔設(shè)置為10 ℃，并且為了得到較為準(zhǔn)確的特定溫度下的諧振頻率值，記錄20 次測試頻率，使用其平均值作為當(dāng)下溫度所對(duì)應(yīng)的諧振頻率。 具體測試方法為將傳感器件放置于高低溫箱內(nèi)部，通過引線外接網(wǎng)絡(luò)分析儀，測試對(duì)應(yīng)溫度下傳感器件頻率響應(yīng)，獲得溫度－頻率的關(guān)聯(lián)信息，對(duì)經(jīng)過20 次平均后的數(shù)據(jù)進(jìn)行最小二乘法擬合，計(jì)算研制的諧振型SAW溫度傳感器件的靈敏度、線性度等，其記錄數(shù)據(jù)如表5 所示。 將頻率作為因變量、溫度作為自變量，擬合結(jié)果如圖9 所示。

表5 器件頻率隨溫度變化數(shù)據(jù)

圖9 擬合結(jié)果

由圖9 可以看出SAW 溫度傳感器件的線性度計(jì)算結(jié)果為5.506 9×10－5%，靈敏度計(jì)算結(jié)果為9.009 kHz/℃，溫度系數(shù)TCF 為20.631 5×10－6/K。擬合得到的曲線方程為F＝0.009 009T＋436.231 1。

2.2 無源無線測溫測試

無源無線測溫測試系統(tǒng)包括聲表面波溫度傳感器、無線射頻讀取器、天線、溫度監(jiān)控上位機(jī)、高低溫箱等部分。 實(shí)際測試如圖10 所示，其中聲表面波溫度傳感器件外接天線放置在高低溫箱中，天線的實(shí)際諧振頻率與芯片的諧振頻率保持一致。 無線射頻讀取器的設(shè)計(jì)主要包含對(duì)射頻信號(hào)的發(fā)射與接受鏈路、信號(hào)采集及處理電路以及串口通信幾部分。 讀取器控制單刀雙擲射頻開關(guān)實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)的發(fā)射與接受的切換。 讀取器發(fā)射間歇正弦波激勵(lì)信號(hào)，無線射頻信號(hào)經(jīng)過天線發(fā)射出去，高低溫箱中的SAW 器件與無線信號(hào)發(fā)生共振，并返回?cái)y帶溫度信息的回波信號(hào)，讀取器對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行放大、混頻、濾波以及AD 轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)流通過RS485 通信傳至PC 端，在PC 端對(duì)信號(hào)進(jìn)行處理分析，可利用自相關(guān)法去除回波信號(hào)中的有色噪聲，從而提取出有效信號(hào)。 結(jié)合之前擬合數(shù)據(jù)的方法，分析得到器件當(dāng)前周圍的溫度信息，將采集到的溫度信息顯示在無源無線在線監(jiān)測上位機(jī)系統(tǒng)中，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)器件的無源無線在線測溫監(jiān)測。

圖10 實(shí)驗(yàn)測試環(huán)境

為了驗(yàn)證器件的可靠性與準(zhǔn)確性，選擇12 個(gè)SAW 溫度傳感器件進(jìn)行無源無線測溫測試，將其均放入高低溫箱中，每隔一段時(shí)間改變高低溫箱的加熱溫度，最終得到上位機(jī)中對(duì)應(yīng)12 個(gè)傳感器件的溫度實(shí)時(shí)響應(yīng)測試曲線圖如圖11 所示。

上位機(jī)系統(tǒng)采集各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)，如表6 所示。

由圖11 可知，在傳感器測量過程中，各個(gè)傳感器節(jié)點(diǎn)曲線變化規(guī)律保持一致，有個(gè)別曲線，由于信號(hào)的強(qiáng)弱關(guān)系，可能導(dǎo)致接受信號(hào)出現(xiàn)錯(cuò)誤而無法準(zhǔn)確測量溫度。 從表6 可知，多個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)測溫誤差小于±2 ℃。

表6 測試數(shù)據(jù)

圖11 針對(duì)12 個(gè)SAW 無源無線溫度傳感器件的實(shí)測曲線

2.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果討論

從上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果可有，相對(duì)單個(gè)器件測溫，多個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)測溫精度有所降低，多個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)測溫在低溫時(shí)具有較小的測溫誤差，在高溫時(shí)誤差較大。其原因如下:

①工藝誤差:考慮工藝上對(duì)晶體的切割，器件制作過程中的環(huán)境等因素的影響，器件的性能之間存在一定的差別。

②系統(tǒng)誤差:模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)的過程中存在量化誤差。

③測試環(huán)境:多個(gè)傳感節(jié)點(diǎn)測試時(shí)，高低溫箱內(nèi)的熱場分布不均勻，器件導(dǎo)熱性能之間存在相應(yīng)地差異，由此影響器件響應(yīng)時(shí)間以及測溫精度。

④SAW 傳感器件頻率與溫度之間存在如下關(guān)系:

式中:ΔT＝T－T0，其中T為當(dāng)前環(huán)境溫度，T0為參考溫度，f0為參考頻率，fr為器件諧振頻率，TCF1，TCF2，TCF3分別為一階、二階、三階頻率溫度系數(shù)，從式(5)可以看出，在溫度范圍變化較小時(shí)，可以忽略高階項(xiàng)，器件具有較好的線性度，但是隨著溫度范圍增大，將不能忽略高階項(xiàng)的影響。

⑤隨著溫度的升高，天線受到熱膨脹效應(yīng)，尺寸也會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化，天線性能降低，電學(xué)性質(zhì)發(fā)生變化，電路可能出現(xiàn)失配，對(duì)射頻信號(hào)的接收以及發(fā)射造成一定的影響，由此帶來測量誤差。

綜上:為實(shí)現(xiàn)較高的測溫精度，在保證器件工藝一致性的情況下，優(yōu)化系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，同時(shí)在寬溫度范圍內(nèi)進(jìn)行測溫時(shí)，需要考慮SAW 器件測溫的高階效應(yīng)。 天線設(shè)計(jì)上，可以選擇對(duì)溫度不太敏感的材料以此來減小溫度變化對(duì)天線性能的影響。

3 總結(jié)

本文使用有限元分析軟件 COMSOL Multiphysics 對(duì)聲表面波器件仿真的過程進(jìn)行詳細(xì)敘述，得到器件的模態(tài)、導(dǎo)納等信息，分析得到金屬化比為0.5，最優(yōu)化電極相對(duì)膜厚1.5%下的等效電路模型參數(shù)，為器件實(shí)際制作提供理論指導(dǎo)。 利用標(biāo)準(zhǔn)光刻工藝制備出諧振頻率為436.56 MHz 的單端對(duì)諧振型SAW 溫度傳感器件，并且搭建無源無線測溫系統(tǒng)進(jìn)行測試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，器件具有良好的線性度與靈敏度，其無源無線測溫誤差小于±2 ℃。顯然，基于SAW 的無源無線溫度傳感器具有很好的實(shí)用價(jià)值與應(yīng)用前景。