基于ZnO单晶声表面波压力传感器的特性研究*

吴文琪，胡芳仁，2，杨宇鑫

(1.南京邮电大学 光电工程学院，江苏 南京 210046；2.南京邮电大学Peter Gruenberg中心，江苏 南京 210023)

基于ZnO单晶声表面波压力传感器的特性研究*

吴文琪1，胡芳仁1，2，杨宇鑫1

(1.南京邮电大学 光电工程学院，江苏 南京 210046；2.南京邮电大学Peter Gruenberg中心，江苏 南京 210023)

基于声表面波(SAW)理论以及SAW谐振器的结构和工作原理，设计了一种基于声表面波(SAW)谐振式压力传感器。采用有限元软件COMSOL Multiphysics对ZnO单晶声表面波谐振器进行建模和仿真，提出符合声表面波振型的对称模态和反对称模态，计算出ZnO单晶的相速度为3 237.31 m/s。讨论了ZnO基底厚度对此压力传感器的相速度的影响，得出ZnO基底厚度越大，相速度越小。最后通过加载0～1 000 kg/m2的质量块来模拟不同的压力对器件的频率响应的影响，结果显示压力的变化与谐振频率二者具有良好的负相关线性关系。通过拟合得出线性表达式。

声表面波；ZnO单晶；压力传感器

0 引言

声表面波(Surface Acoustic Wave,SAW)压力传感器所特有的高频特性及器件基片材料的压电、逆压电效应,使其与传统压力传感器相比，具有测量精度高、抗干扰性强、微型、无源无线及成本低等优点，适用于易燃、易爆、密闭等特定环境下的遥测与传感[1]。因此对于SAW压力传感器的研究具有重要的意义。

在SAW器件应用方面，由于ZnO的光电耦合系数高，温度系数低且廉价易得等特点[2]，非常适合于制造高频声表面波器件。

为研究这一类器件，本文依据压电晶体的运动方程和压电本构方程[3]，建立ZnO/Al结构SAW 2D模型，采用物理耦合场软件COMSOL Multiphysics对SAW谐振器器件进行了仿真[4]，确定了一种灵敏度较大的传感器，为实现SAW压力传感器的制造提供了理论基础以及数据参考。

1 工作原理

SAW传感器的组成元件是叉指换能器(IDT)和声反射栅[5]，结构如图1所示。其工作原理是：受空间电磁波的激励后，在SAW谐振器基片表面激发与电磁波同频的SAW，SAW在两个反射栅之间来回多次反射。当SAW谐振器基片受到压力作用时，SAW谐振器尺寸发生变化，假设应变为ε，此时的谐振频率由(1)式算出。d是IDT两相邻电极中心距，可见压力的变化会引起谐振频率的变化，通过检测fr的变化实现对外力的监测。

(1)

图1 SAW压力传感器结构图

(2)

式(2)为有负载时压电介质的耦合波方程。其中，φ为电势，ρ为介质的密度, xj为介质中的位置坐标, ui为弹性介质的位移, cijkl为二阶弹性刚度常数，ekij为压电常数，εjk为介电常数。

2 仿真与结果分析

本文采用有限元软件COMSOL，结合压电晶体的运动方程和压电本构方程，对ZnO单晶声表面波谐振器进行建模和仿真，对其特征频率进行仿真分析，并分析压力加载下器件的频率响应，以探讨压力的变化与谐振频率的关系，对使用SAW谐振器实现对压力的测量提供了支持。

2.1 二维结构模型建立

首先，建立单端口谐振器的二维几何模型(见图2)，叉指换能器和声反射栅的材料为Al，基底材料为ZnO。假设设计波长为20 μm，基片厚度为80 μm，宽度为215 μm。IDT与反射栅的宽度为5 μm，厚度为0.3 μm。IDT与反射栅的间隔为5 μm。边界条件如表1所示。

图2 声表面波谐振器二维模型

边界条件ΓΒ固定边界条件ΓL,ΓR周期性边界条件电极1,3,5,7,91V电极2,4,6,8,10接地

2.2 特征频率研究

利用COMSOL对ZnO单晶声表面波谐振器进行多物理域耦合建模与仿真，得到两个声表面波模态(即对称模态与反对称模态)所对应的谐振频率(fsc+)与反谐振频率(fsc-)。图3和图4分别为对称模态和反对称模态，纵坐标为总位移，图中最右边的标尺表示总位移的大小，从上往下逐渐减小。

图3 对称模态变形图

图4 反对称模态变形图

从图3中可以看出对称模态对应的谐振频率为1.618 511×108Hz，振动最强的质点总位移有1.04×10-3μm。图4为反对称模态变形图，反对称模态对应的谐振频率为1.618 799×108Hz,最强的质点总位移有9.65×10-4μm。ZnO单晶材料沿纵坐标轴0～60 μm的区域内各质点的振动位移几乎为0，声表面波能量主要集中在1～2个波长范围，符合声表面波的特性。

由式(3)所示的声表面波波速与正反模态谐振频率的公式，可计算出ZnO单晶的声表面波的相速度νeff=3 237.31 m/s。

νeff=d×(fsc++fsc-)

(3)

其中，d是IDT两相邻电极中心距，下面利用COMSOL的频率分析模块研究在谐振频率附近不同频率下的总位移。图5是总位移与频率的关系图，横坐标频率为160～163 MHz，纵坐标的单位是总位移。由图可知，当器件处于谐振状态时，IDT激发出的声表面波总位移最大，叉指换能器所产生的声波是最强的，与叉指换能器的工作原理相符合。

图5 总位移与频率关系图

2.3 ZnO基底厚度对声表面波波速的影响

通过改变ZnO基底的厚度，得到khZnO与声表面波波速的关系，其中，k=2π/λ为波速。由图6可见，当khZnO从0增加到6时，声表面波波速逐渐变小。因此在设计ZnO单晶SAW谐振器时，可以通过调节基底厚度得到不同的声表面波波速。

图6 ZnO厚度与波速关系图

2.4 压力加载下的频率响应分析

在ZnO基底上依次加载0～1 000 kg/m2的质量块来模拟压力的变化。加载质量块后，找到正反模态对应的谐振频率，由公式(4)可以得到谐振频率。不同压力下的谐振频率如表2所示。

(4)

通过对表2数据的拟合，画出谐振频率的拟合线如图7所示，以得到谐振频率与外加压力之间呈负相关的线性关系，即当压力增加时，频率呈近似线性下降。通过拟合可以得出线性表达式：

图7 压力与谐振频率关系图

y=161.87-0.0125x

3 结论

本文根据谐振器的结构和工作原理，结合压电晶体的运动方程和压电本构方程，利用有限元分析软件COMSOL对ZnO单晶声表面波谐振器进行建模与仿真，提出了符合声表面波振型的对称模态和反对称模态。通过对压力加载下的频率响应进行分析，得到压力与SAW谐振器频率成负相关的线性关系，这对使用SAW谐振器实现对压力的测量提供了支持。

[1] BENSMAINE S, BENYOUCEF B. Experimental characterization of ZnO thins films and identification of frequency peaks in ZnO/SiO2/Si SAW devices[J]. American Journal of Materials Science, 2013, 3(4):100-103.

[2] 周剑, 何兴理, 金浩,等. 基于ZnO压电薄膜的柔性声表面波器件[J]. 光学精密工程, 2014, 22(2):346-350.

[3] Zhao Yiyu, Li Honglang, He Shitang. Optimal cut of quartz for a surface acoustic wave pressure sensor with non-uniform pressure load[C]. 2013 Symposium on Piezoelectrioity, Acoustic waues and Device Applications (SPAWDA), 2013:1-3.

[4] NAMDEO A K, NEMADE H B. FEM study on the effect of metallic interdigital transducers on surface acoustic wave (SAW) Velocity in SAW Devices[D]. Guwahati, India: Indian Institute of Technology, 2009.

[5] 潘峰. 声表面波材料与器件[M]. 北京：科学出版社, 2012.

Research on characteristic of the surface acoustic wave pressure sensor based on ZnO single crystal

Wu Wenqi1, Hu Fangren1,2, Yang Yuxin1

(1.School of Optoelectronic Engineering, Nanjing University of post &Telecommunications, Nanjing 2010046,China；2.Peter Gruenberg Center, Nanjing University of Post &Telecommunications, Nanjing 2010046,China)

Based on the theory of surface acoustic wave (SAW), and the structure and principle of SAW resonator, a SAW resonant pressure sensor is designed. A finite element software COMSOL Multiphysics was used to model and simulate the single crystal ZnO-based SAW resonator. Symmetric mode and anti-symmetric mode of the ZnO-based SAW resonator are established. By calculation, the phase velocity of the ZnO single crystal is 3 237.31m/s by analyzing the resonance response. The effect of the ZnO substrate thickness on the phase velocity of the pressure sensor is discussed. It is concluded that the larger the thickness of ZnO, the smaller the phase velocity. Finally,the effect of different pressure to the frequency response is simulated by loading the 0～1 000 kg/m2mass block on the device in order to study the relationship between the pressure and the resonant frequency. The results show that the pressure and the resonant frequency have a good linear relationship. The linear expression can be obtained.

surface acoustic wave; ZnO single crystal; pressure sensor

国家自然科学基金资助项目(61274121,61574080)

TP391.9；TP211+.51

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.24.024

吴文琪，胡芳仁，杨宇鑫. 基于ZnO单晶声表面波压力传感器的特性研究[J].微型机与应用，2016,35(24)：84-86.

2016-07-28)

吴文琪(1991-)，通信作者，女，硕士研究生，主要研究方向：氧化锌单晶声表面波器件。E-mail：18752030875@163.com。

胡芳仁(1960-)男，博士，教授，主要研究方向：高速大容量光纤通信与全光信号处理、硅基化合物半导体光电器件、氧化物功能薄膜与器件。

杨宇鑫(1995-)，女，本科生，主要研究方向：氧化锌单晶声表面波器件。