新型体声波传感器读出电路的实验验证*

高 杨，黄振华，尹汐漾

（1.中国工程物理研究院电子工程研究所，四川绵阳621999；2.西南科技大学信息工程学院，四川绵阳621010；

3.重庆大学新型微纳器件与系统技术国防重点学科实验室，重庆400044；4.核探测与核电子学国家重点实验室（中国科学院高能物理研究所），北京100049）

新型体声波传感器读出电路的实验验证*

高 杨1，4*，黄振华2，3，尹汐漾2

（1.中国工程物理研究院电子工程研究所，四川绵阳621999；2.西南科技大学信息工程学院，四川绵阳621010；

3.重庆大学新型微纳器件与系统技术国防重点学科实验室，重庆400044；4.核探测与核电子学国家重点实验室（中国科学院高能物理研究所），北京100049）

为了实验验证此前通过仿真验证的基于六端口反射计的新型BAW传感器读出电路的方案的可行性，本文制作了新型BAW传感器读出电路并对其进行了测试。以串联谐振频率约为1.5 GHz的薄膜体声波谐振器（FBAR）为待测器件（DUT），设计、制作了一种能够满足该FBAR谐振频率测量带宽（1.3 GHz～1.7 GHz）要求的PCB上微带六端口网络和检波器，配合射频信号发生器和示波器，获得了模拟DUT（50 Ω SMA匹配负载）的反射系数-频率（Γ-f）曲线测量结果。与矢量网络分析仪（VNA）的测量结果进行了对比，两者吻合较好，实验验证了“基于六端口反射计的BAW传感器读出电路”可用于FBAR谐振频率的测量。本文工作对实用化BAW传感器的研制和片上矢量网络分析仪（VNA-on-Chip）的设计都有借鉴意义。

BAW传感器；薄膜体声波谐振器；读出电路；六端口网络；六端口反射计；矢量网络分析仪

薄膜体声波谐振器FBAR（Thin-Film Bulk Acoustic Wave Resonator）具有灵敏度高、工作频率高和功率损耗低等特点，是实现高精度和高灵敏度传感器的理想技术。BAW传感器已进入高速发展期，大量新型BAW传感器［1］见于文献报道，如：蛋白质检测器［2］、片上实验室［3］、气体传感器［4］、质量传感器［5］、汞离子传感器［6］、爆炸物探测器［7］和γ射线探测器［8］等。BAW传感器是由前端换能器、FBAR和读出电路组成，置于表头中的FBAR用于实现待测物理量（往往需要一个前端换能器的能量域变换）的电声谐振式检测，读出电路则用于检测FBAR谐振频率的偏移。由于FBAR的工作频率在射频频段，通常为数GHz，导致BAW传感器读出电路的实现较为困难，文献报道较少。2009年，德国Siemens公司和芬兰VTT公司报道了一种采用阻抗分析技术实现的FBAR生化传感器读出电路［9］。FBAR阻抗特性曲线的极小/大值点分别对应于FBAR的串/并联谐振频率，采用阻抗分析法需要得到FBAR的阻抗特性曲线并根据其极值点获得FBAR的谐振频率。六端口反射计［10］可通过测量六端口网络（sixport network）中4个端口的电压值（标量），计算出待测件（DUT，device under test）的反射系数（矢量Γ），再通过反射系数-频率（Γ-f）曲线得到阻抗特性［11］。高杨等［1］首次提出了采用六端口反射计（six-port reflectometer）实现BAW传感器读出电路的设想，黄振华等［12］仿真验证了该设想的可行性。本文报道了文献［12］所述六端口反射计的测试表征工作，实验验证采用六端口反射计构建BAW传感器读出电路方案的可行性。

BAW传感器的工作原理是：置于表头中的FBAR在不同的敏感机理作用下，其谐振频率将随待测物理量（质量、温度、应力/应变等）变化；读出电路通过测量FBAR的谐振频率偏移量，提取待测物理量。由于六端口反射计能够在一定的频带内，通过测量其中4个端口的电压值（标量）获得FBAR的反射系数（矢量），扫频后得到FBAR的反射系数-频率（Γ-f）曲线，进一步转换为阻抗特性曲线后搜索其极值点，提取出FBAR的谐振频率。

图1（a）是基于六端口反射计的BAW传感器读出电路的总体结构示意图，图1（b）是实物图以及测试装置。FBAR作为待测件（DUT），连接到六端口网络的端口2（Port 2）；图1（b）中的FBAR是研制的一种L波段通孔型AlN FBAR，采用射频探针台和矢量网络分析仪测得其串联谐振频率为～1.5 GHz［13］。作为读出电路核心的六端口网络，其工作频带的中心频率与FBAR的空载谐振频率（本例中即～1.5 GHz）一致，实物如图中的PCB微带电路照片所示，由4个正交混合器（Quadrature Hybrid）和5条微带线构成［12］。正交混合器用作移相器和3 dB定向耦合器，配合微带线的长度设计，实现4组频率相同且相位差分别为0、π/2、π和3π/2的4对射频信号的相干；相干信号从六端口网络的端口3～6（Port 3～6）输出到各自的功率计（图1（b）中示出了单端口检波器的实物照片，配合示波器，可以实现单端口的功率测量），直接下变频得到4个基带信号，藉此在数字域重构出反射系数Γ的幅度和相位［10］。六端口网络的端口1（Port 1）连接一个射频信号源。

图1 基于六端口反射计的BAW传感器读出电路

采用图1所示电路实测一只频带范围在1.3 GHz～1.7 GHz（即1.5 GHz）的FBAR，能够从六端口网络Port 3～6测得4个功率读数、并进一步解算出FBAR的反射系数Γ，即可实验验证电路方案的可行性。由于此前研制的L波段通孔型AlN FBAR芯片已交付用户，采用50 Ω SMA匹配负载代替AlN FBAR芯片作为DUT。

1 方法

1.1 采用矢量网络分析仪测试六端口网络的性能

六端口网络是图1所示BAW传感器读出电路的核心功能模块，因此，首先实验验证六端口网络的S参数与仿真结果［14］是否吻合。

测试流程如下：①矢量网络分析仪校准（本文校准1 GHz～2 GHz频段即可）；②将六端口网络的Port 1、Port 2对应连接到矢量网络分析仪的Port 1、Port 2，其它4个端口Port 3～6分别接一个50 Ω SMA匹配负载，即可用矢量网络分析仪测得1 GHz～2 GHz频段内六端口网络的反射系数S11和透射系数S21曲线；在此基础上，将六端口网络的Port 3连接矢量网络分析仪的Port 2、六端口网络的Port 2接一个50 Ω SMA匹配负载，则可测得六端口网络的透射系数S31，同理测得六端口网络的透射系数S41、S51和S61；③类似地，测得六端口网络的反射系数S22，透射系数S32、S42和S52和S62。

实验装置包括：六端口网络（DUT），1台0～3 GHz频段的矢量网络分析仪，1台0～3 GHz的射频信号发生器，4只50 Ω SMA匹配负载，4只检波器和2台双通道示波器（组合构成4通道功率计，实现六端口网络Port 3～6的4通道功率测量）。

矢量网络分析仪实测与ADS软件仿真得到的［14］六端口网络的各个S参数，对比示于图2中。

图2 一个六端口网络实例S参数的实测与仿真结果对比

从图2可以看出，实测与仿真得到的六端口网络S参数基本吻合，某些频率点上实测数据甚至更优。导致两者偏差的来源有：基板的材料参数（介电常数）和结构参数（厚度），金属微带线的结构参数（厚度和宽度），以及50 Ω SMA匹配负载、矢量网络分析仪射频探头连接到六端口网络引起的射频信号干扰。

1.2 采用六端口反射计测试DUT

用50 Ω SMA匹配负载代替AlN FBAR芯片作为DUT，按照图1的实验装置配置，采用六端口反射计测量DUT的反射系数Γ，并以矢量网络分析仪测量结果为标准进行对比。

实验装置包括：六端口反射计，由微带六端口网络（经上一节验证过的实物）、0～3 GHz的射频信号发生器（接六端口网络Port 1）、4只检波器+2台双通道示波器（分别接六端口网络Port 3～6）构成；50 Ω SMA匹配负载（DUT，模拟FBAR，接六端口网络Port 2）；0～3 GHz的矢量网络分析仪，测量结果作为标准，用于对比；4个开路校准件，用于六端口网络的校准。

六端口反射计用于测试之前，需要进行校准，得到六端口反射计的11个系统参数。六端口反射系数的计算公式［11］是：

式中，需要校准确定的11个系统参数是：A3、A5和A6，共计3个参数；复数q3、q4、q5和q6的实部（记为Reqi,i=3,4,5,6）和虚部（记为Imqi,i=3,4,5,6），共计8个参数。

六端口反射计的校准是采用4个反射系数Γ不同且已知的开路校准件，获得4组测试数据，再利用式（1）建立4个方程组，求解式（1）中的11个系统参数。校准时，每个方程中已知的参数为：测得的功率P3、P4、P5和P6，已知的开路校准件反射系数Γj,j=1,2,3,4。

六端口反射计的校准装置，对比图1唯一的差异是：六端口网络Port 2不连接DUT，而是分4次分别连接4个反射系数Γ不同且已知（Γj,j=1,2,3,4）的开路校准件。校准流程如下：①每次接入一个开路校准件，射频信号发生器在1 GHz～2 GHz频段扫频，示波器记录每个频点的功率（直流输出电压）；②根据式（1），联立4组方程（4个开路校准件），计算得到11个系统参数-频率的曲线。本次校准所得的系统参数-频率曲线，如图3所示。

图3 一个六端口反射计实例的校准结果11个系统参数-频率曲线

2 结果与讨论

采用校准后的六端口反射计测量DUT的反射系数Γ（测量装置配置如图1所示），并与矢量网络分析仪测量（直接测试DUT）结果对比。本次测量得到的Γ-f曲线，如图4所示。

图4 六端口反射计测得DUT的Γ-f曲线及其与矢量网络分析仪测量结果的对比

从图4中可以看出，六端口反射计测得DUT的Γ-f曲线，与矢量网络分析仪的测量结果（作为标准）吻合较好，实验验证了图1所示的“基于六端口反射计的BAW传感器读出电路”可用于FBAR谐振频率的测量。

需要注意的是，尽管图2中实测与仿真的六端口网络S参数存在一定偏差，但图4中Γ-f曲线的测量结果仍然比较准确，原因是六端口反射计的校准修正了系统参数偏差。

3 结论

结合文献［11］报道的BAW传感器读出电路，针对串联谐振频率为～1.5 GHz的FBAR，制作了能够满足FBAR谐振频率测量需求的微带六端口反射计。采用微带六端口反射计对模拟DUT（50 Ω SMA匹配负载）进行了测量，得到了DUT的Γ-f曲线，并与矢量网络分析仪的测量结果进行了对比，两者吻合较好，实验验证了“基于六端口反射计的BAW传感器读出电路”可用于FBAR谐振频率的测量。后续工作包括：实现一个完整的微带六端口反射计，采用六端口反射计测试下一轮FBAR样品，评估读出电路的检测精度和分辨率等。本文工作对实用化BAW传感器的研制和片上矢量网络分析仪（VNA-on-chip）的设计都有借鉴意义。

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高 杨（1972-），男，四川绵阳人，博士，研究员，硕士生导师，中国微米纳米技术学会理事。主要研究方向为微电子机械系统（MEMS）、机电引信。承担863、国防预研、国防基础研究、部级基金等科研项目10余项；获部级一等奖1项、部级二等奖1项、部级三等奖5项。授权或申请发明专利20余项；发表学术论文70余篇，其中SCI/EI/CA检索30余篇；主讲《微系统导论》研究生课程，gaoyang@caep.cn；

黄振华（1989-），男，湖南娄底人，硕士生，从事射频微电子机械系统研究；

尹汐漾（1991-），男，四川达州人，硕士研究生，主要研究方向为射频微电子机械系统（RF MEMS）。

Experimental Validation of Novel Bulk Acoustic Wave Sensor Read-Out Circuit*

GAO Yang1，4*，HUANG Zhenhua2，3，YIN Xiyang2
（1.School of Information Engineering，Southwest University of Science and Technology，Mianyang Sichuan621010，China；2.Institute of Electronic Engineering，China Academy of Engineering Physics，Mianyang Sichuan621999，China；3.National Key Lab.of Fundamental Science of Micro/Nano-Device and System Technology，Chongqing University，Chongqing400044，China；4.Key Lab.of Optoelectronic Technology&Systems of Ministry of Education，Chongqing University，Chongqing400044，China）

In order to experimentally verify the feasibility of the scheme of the new BAW sensor readout circuit based on six-port reflector，a new type of BAW sensor readout circuit was fabricated and tested.The film bulk acoustic resonator（FBAR）with series resonant frequency is about 1.5 GHz is the device under test（DUT）.Microstrip six port network and detector on PCB are designed and fabricated，which can meet the requirements of FBAR resonant frequency measurement bandwidth（1.3 GHz～1.7 GHz）.Measurement result of the reflection coefficient frequency（Γ-f）curve of the simulated DUT（50 Ω SMA matched load）is obtained by using radio frequency signal generator and oscilloscope.The measurement result from six-port reflectometer is quite consistent with the measurement result from vector network analyzer（VNA）.Thus the scheme that“the BAW sensor readout circuit based on six-port reflectometer”can be used for the measurement of FBAR resonant frequency is verified by experiment.The work reported is useful for the practical BAW sensor development and the vector network analyzer on the chip（VNA-onchip）design.

bulk acoustic wave（BAW）sensor；thin-film bulk acoustic wave resonator（FBAR）；read-out circuit；sixport network；six-port reflectometer；vector network analyzer

TN41；TN405；TM931

A

1004-1699（2016）12-1822-05

��7310N；2210D

10.3969/j.issn.1004-1699.2016.12.007

项目来源：国家自然科学基金项目（61574131）；中国工程物理研究院超精密加工技术重点实验室基金项目（2014ZA001）；核探测与核电子学国家重点实验室开放课题基金项目（2016KF02）；西南科技大学特殊环境机器人技术四川省重点实验室开放基金项目（14zxtk01）

2016-05-24修改日期：2016-06-30