声表面波器件的反射特性及性能*

王添仙,谢立强,邢建春,朱玺峰

(陆军工程大学国防工程学院,南京 210007)

声表面波器件的反射特性及性能*

王添仙,谢立强*,邢建春,朱玺峰

(陆军工程大学国防工程学院,南京 210007)

为了准确分析反射型声表面波器件参数对其性能的影响,基于耦合模理论和P矩阵方法建立了器件的耦合模模型,分析得到器件的电反射特性即反射系数S11曲线,并在128°Y-XLiNbO3压电基片试制了频率为90 MHz的多种参数的器件,分析与测试结果表明:单个叉指换能器器件的S11中心频率为91.26 MHz,幅值为-20.58 dB,与理论分析结果91.44 MHz和-19.21 dB相近;带有反射栅的器件比单个叉指换能器件在中心频率处S11幅值增大约8.5 dB,谐振峰增多,时域曲线有明显的反射峰信号,验证了反射栅的反射特性;叉指换能器叉指对数减小使器件中心频率处的S11幅值减小,时域中的回波信号更尖锐,信噪比明显增大,表明对数较多的IDT具有较强的反射特性,对回波信号干扰较大,过小的叉指对数对器件声电转换效率影响很大,会使器件性能下降;较大的反射栅指条数对回波信号影响不大,但过小的指条数会降低反射栅反射系数,使得回波信号信噪比减小,纹波增多。

声表面波;叉指换能器;耦合模;反射系数

声表面波SAW(Surface Acoustic Wave)技术作为声学、微波、通信、微电子、材料、微机电系统MEMS(Micro Electro Mechanical System)等领域交叉的新兴技术,自20世纪60年代起一直持续高速发展,相继出现了大量性能优异、用途广泛的SAW器件。SAW器件具有损耗低、稳定好、灵敏度高、抗干扰能力强、体积小、易批量生产,以及无源无线工作等优点,使其应用范围由传统的滤波器、卷积器、谐振器、延迟线等信号处理器件拓展到传感器、射频识别标签、微驱动器等功能器件,可用于温湿度、压力和气体的感测以及物品的无源无线识别,并可制备成柔性器件用于生物医疗等领域[1-7]。目前应用于感知的无源无线SAW器件可分为谐振型和延迟线型两种。谐振型SAW器件由叉指换能器IDT(Inter-Digital Transducer)和左右两组反射栅组成,反射栅反射的信号相互叠加形成谐振腔,由IDT输出谐振频率的变化实现对外界量的感知。延迟线型SAW器件按声波传输路径的不同又可分为反射型和传输型。传输型延迟线由输入、输出两组IDT组成,经测量输入和输出IDT之间传播时延的变化来实现信号感测。反射型SAW器件由IDT和反射栅组成,IDT完成电声转换,将电磁信号转换为SAW信号并沿着压电基片表面传播,信号经过反射栅反射,再由IDT转换成电磁信号经天线发射回阅读器,通过阅读器提取器件频率、时延或相位的微小变化来实现器件的感知、识别与控制功能。

相比谐振型和传输型,反射型SAW器件具有多参数感测以及可编码识别的优势。文献[8]在一个反射型SAW器件上实现同时对CO2、NO2气体和温度的感测;文献[9]则实现同时对CO2、湿度的感测和器件编码;文献[10]则实现同时对磁场、温度和湿度的感测。针对反射型SAW优异的性能和广阔的应用前景,本文在理论分析的基础上,设计试制了多种不同参数的反射型SAW器件,对理论结果与测试结果进行了对比分析,从而验证了理论分析的正确性,并进一步分析了不同叉指对数和反射栅条数,以及有无反射栅等情况下的器件特性。

图1 反射型SAW器件结构图

1 反射型SAW器件及理论分析

1.1 反射型SAW器件

反射型SAW器件由压电基片及其表面的叉指状金属电极构成。如图1所示,电极结构由一组IDT和多组反射栅组成。当压电基片受到外界环境扰动时(如应力、应变、温度等发生变化),其几何尺寸、内应力、密度、弹性模量等物理参量会产生相应的变化,从而使其上传播的声表面波的频率、相速度产生相应的变化。因此,通过解析各组反射栅回波信号的幅值、频率和相位的变化即可实现对外界被测量的感知。

图1所示的反射型SAW器件的主要参数有中心频率f0,IDT叉指对数N0,反射栅指条数N1、N2,延迟距离Ld1、Ld2以及声孔径W。器件中心频率f0与声表面波速度v和波长λ的关系如式(1)所示。

f0=v/λ

(1)

叉指对数N0则与中心频率f0和带宽Δf的关系如式(2)所示。

N0=f0/Δf

(2)

声孔径W结合器件尺寸确定,常取10λ～100λ。反射栅指条数N1、N2以及延迟距离Ld1、Ld2通常根据回波信号强弱和感知灵敏度进行综合考虑确定。

1.2 理论分析

耦合模COM(Coupling Of Modes)模型用于描述正、反向传播的两列波相互耦合,非常适用于SAW器件的分析,其可以将SAW的反射、波速变化、损耗衰减等二阶效应考虑在内,使分析的结果更准确、有效。本文基于COM理论对声表面波传播路径上各单元的P矩阵进行级联,对器件的频响特性进行模拟,再通过傅里叶反变换得到反射信号的时域波形。

反射型SAW器件的COM模型如图2所示,其中R(x),S(x)表示IDT激励的正向和反向(即±x方向)传播的声表面波,Rr(x),Sr(x)则表示反射栅正向和反向传播的声表面波,输入的电压信号为V,用于激励IDT产生声表面波。IDT的基本耦合模方程如式(3)所示[11-16]。

2017年，面对受外卖冲击的方便面市场，康师傅果断进行行业转型创新，针对消费群体的不同需求，研发了一款名为“DIY面”的新产品。通过对制面工艺、料理包、包装设计的改进，引导方便面食用场景家庭化，消费者可自主选择个性化食材，轻松搭配营养餐。谈到“DIY面”产品研发的初衷，康师傅控股有限公司中央研究所方便面研发中心处长张彦涛介绍说：“从调查来看，家庭规模缩小加上人口老龄化，人们对健康和便利的需求提升，外卖食品安全与深度料理耗时等问题愈发突出，简单、安心的简易料理需求也日渐提升。”

图2 IDT和反射栅耦合模模型图

(3)

式中:δ为调谐系数,κ为反射率,α为换能系数,C为单位周期电极电容,其与器件参数之间的关系如下:

δ=ω/ve-jγ

(4)

(5)

(6)

式中:ve=v(1+Δv/v)为扰动后的SAW速度,v为自由表面SAW速度,γ为传播损耗,Re和Rm为电负载和质量负载对反射率的影响,a为电极宽度,p=λ/2,h为膜厚,式(6)中介电常数ε∞近似为

(7)

式中:ε0是真空介电常数,εp是压电基片有效介电常数。则式(3)的解可用一个3×3的混合P矩阵来表示,如式(8)所示。

(8)

式中:P矩阵的各个元素值由下式得到:

(9)

式中:

(10)

由互易关系关系可得P31=-2P13,P32=-2P23。同理,开路反射栅的耦合模方程可表示为[16]:

(11)

式中:

(12)

(13)

式中:P矩阵各元素计算方式与式(8)一致,此处不再赘述。而对于声表面波在无电极的自由表面上传播并产生延迟,也可用P矩阵表示为[15]:

(14)

式中:Ld为延迟距离,kf=ω/v-jγ。

通过上述模理论推导可得到IDT的P矩阵PI,反射栅的P矩阵Pr1、Pr2,以及自由表面延迟距离的P矩阵Pd1、Pd2。根据P矩阵的级联关系,假设R1,Ld2,R2级联的P矩阵为PR,再将其与PI、Pd级联,由此可得到整个器件的P矩阵。则器件的导纳矩阵Y可以用P矩阵中的元素表示为[9]:

(15)

式中:

(16)

则器件的反射系数S11可用Y矩阵的解表示为:

(17)

再经傅里叶反变换可将频域信号S11变换为时域信号,可以得到器件回波信号的时域特性。

基于上述理论分析,本文用MATLAB建立了SAW器件的耦合模模型,模拟了中心频率约为90 MHz的不同结构参数的SAW器件,并假定基片不受外界环境干扰,基片表面干净无污染,基片边缘涂抹吸声胶,边缘反射的声表面波可忽略不计,电极图形分布均匀,无断路、短路。压电基片采用128°Y-X切向LiNbO3,厚度为500 μm,机电耦合系数K2为5.5%,自由表面声表面波波速为3 980 m/s[15]。电极材料为银,电极周期43.7 μm,电极宽度10.9 μm,厚度为200 nm。延迟距离Ld1=4 000 μm,Ld2=2 000 μm,声孔径W=50λ=2 000 μm。器件其他参数如表1所示。

分析得到的表1中四种器件的S11特性曲线如图3所示。后文第4节对理论分析结果与测试结果进行了详细地对比讨论。

表1 器件参数

图3 各参数SAW器件S11理论分析结果

图4 试制SAW器件图

2 器件研制

基于第1节理论分析所确定的结构参数,本文试制了相应的SAW器件。器件制作采用剥离(lift-off)工艺,通过晶向对准、光刻、溅射镀膜、剥离去胶,精确控制电极尺寸,确保电极图形转移过程中的分辨率和可靠性。制作的3英寸样片如图4(a)、4(b)所示。图4(c)、4(d)为利用光学显微镜得到的电极结构细节图,所制作器件的电极周期为43.7 μm,电极宽度为10.9 μm,与设计值44 μm和11 μm相近。

3 实验与结果讨论

本文搭建了SAW器件的测试系统如图5所示。通过引线将器件电极与SMA接口连通,用安捷伦E5063A矢量网络分析仪测试器件S参数,扫频范围为80 MHz～100 MHz,时域测试范围为0～7 μs。

图5 测试系统图

本文对各器件的测试结果与第1节理论分析结果进行对比分析。图6为表1中器件1(单个IDT,没有反射栅结构)的S11参数的测试结果与理论分析结果对比图,测试得到的中心频率为91.26 MHz,幅值为-20.58 dB,与理想情况下的理论分析结果91.44 MHz和-19.21 dB相近,验证了理论分析的正确性。

图6 单个IDT的频域S11分析与测试

图8 IDT指对数对器件S11的影响

在对单个IDT分析的基础上,进一步分析带两组反射栅的SAW器件,参数如表1器件2所示,理论分析与测试结果如图7所示。图7(a)为频域下的S11特征曲线,测试结果与理论分析结果的整体趋势吻合较好。与图6进行对比可以看出,带有反射栅的器件比单个IDT的反射系数在中心频率处增大了约8.5 dB,由于反射栅反射回波信号,使中心频率附近的谐振峰增多。将频域S11曲线做傅里叶反变换得到时域曲线,如图7(b)所示的两个反射峰进一步验证了两个反射栅反射的回波信号。

图7 反射型SAW器件S11分析与测试结果

表1中器件2与器件3的IDT叉指对数不同,两种器件的测试与理论分析结果如图8所示。从图8可以看出,在频域中叉指对数减小使得S11在中心频率附近的幅值减小,减小幅度约为7 dB,谐振峰增多。在时域中叉指对数由50对减少至25对时,反射栅回波信号幅值增大约14.5 dB,信号更尖锐,信噪比明显增大。这说明IDT存在反射效应,减小叉指对数可以降低IDT的反射现象,从而使得回波信号更加清晰。而当叉指对数为5对时,与叉指对数为25对相比,反射栅回波信号幅值反而减小,信噪比减小,且波形出现畸变,不利于信号的有效识别。这说明过小叉指对数使激发的声表面波大幅减少,声电转换效率明显下降,器件性能下降。因此,设计器件时需根据目标合理选择叉指对数。

表1中器件2与器件4的反射栅指条数不同,图9(a)为两种器件的测试结果对比图。反射栅指条数的变化对器件影响在频域下较难区分,这是由于相比于反射栅,IDT的转换与反射特性很强,导致反射栅回波信号淹没在IDT特性信号中。在时域中回波信号信噪比几乎没有变化,只是因为指条数的不同使得反射栅中心位置发生偏移,导致回波信号反射峰时延的变化。为了进一步分析反射栅指条数对器件性能的影响,对反射栅指条数更小的器件(N1=6,N2=8)进行了理论分析。

图9 反射栅指条数对器件S11的影响

三种器件的分析结果如图9(b)所示,可见反射栅指条数进一步减小降低了反射系数,使得回波信号幅值减小约7 dB,信噪比减小,纹波增多,不利于信号的有效识别。因此,在设计器件时应适当选取反射栅指条数,在回波信号满足设计要求的前提下,可降低器件反射栅复杂度。

4 结论

本文基于耦合模理论,建立了反射型SAW器件的耦合模模型,利用MATLAB软件对中心频率约为90 MHz的不同结构参数的SAW器件进行了模拟,试制了不同结构参数的SAW器件,并搭建了相应的测试系统。对比测试与分析结果得到:①对叉指对数为50的单个IDT测试得到的中心频率为91.26 MHz,幅值为-20.58 dB,与理想情况下的理论分析结果91.44 MHz和-19.21 dB较为接近,验证了耦合模参数选取的准确性和理论分析的正确性;②带有反射栅的器件比单个IDT器件的反射系数S11在中心频率处增大了约8.5 dB,时域曲线存在明显的由两个反射栅反射的回波信号,进一步证明了理论分析的正确性;③分析IDT叉指对数对器件性能的影响,可以观察到IDT的反射效应,减小叉指对数可以降低IDT的反射现象,从而使得回波信号更尖锐、信噪比更大,但过小的叉指对数会降低IDT的声电转换率,使得激发的声表面大幅减少,回波信号幅值和信噪比减小,使器件性能下降;④分析了反射栅对器件性能的影响,得到较大的反射栅指条数对回波信号影响不大,但过小的指条数会降低反射栅反射系数,使得回波信号信噪比减小,纹波增多。

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ReflectionPropertyandPerformanceofSurfaceAcousticWaveDevices*

WANGTianxian,XIELiqiang*,XINGJianchun,ZHUXifeng

(College of Defense Engineering,Army Engineering University,Nanjing 210007,China)

In order to analyze the effect of the device parameters on the performance of the SAW(Surface Acoustic Wave)reflective device,COM(coupling of modes)model of SAW device was established by using COM and P matrix theory. Then,the reflective coefficientsS11of SAW device was deduced. Different parameters of SAW devices were designed and fabricated on 128°Y-Xcut LiNbO3piezoelectric wafer. The conclusions are as follows. Firstly,the measuredS11results of single inter-digital transducer(IDT)shows that the center frequency is 91.26 MHz and the amplitude is -20.58 dB,which matched well with the simulated results 91.44 MHz and -19.21 dB. Secondly,compared with single IDT device,the amplitude of the device with reflectors is greater 8.5 dB at the center frequency,and more resonance peaks in frequency domain and sharp peaks in time domain are presented. Thirdly,for the device with small IDT finger pairs,more resonance peaks in frequency domain and clear sharp peaks,larger signal-to noise ratio in time domain can be observed. This shows that the IDT with more finger pairs has stronger reflection property. Fourthly,when the electrode numbers of reflectors decreased,the signal-to noise ratio is decreased and the ripple is increased. The above conclusion can help researchers to optimize device parameters when designing SAW devices.

surface acoustic wave;inter-digital transducer;coupling of modes;reflective coefficient

10.3969/j.issn.1004-1699.2017.12.012

项目来源:国家自然科学基金项目(51505499);江苏省自然科学基金项目(BK20150712)

2017-01-18修改日期2017-03-21

TP212.3

A

1004-1699(2017)12-1850-07

王添仙(1992-),男,福建莆田人,硕士研究生,2015年于南昌大学获得学士学位,主要从事MEMS传感器研究,wtx0256@sina.com;

谢立强(1980-),男,通讯作者,吉林舒兰人,博士,硕士生导师,2003年、2005年、2010年于国防科技大学分别获得学士、硕士、博士学位,现为陆军工程大学国防工程学院讲师,主要从事微机电系统以及建筑智能化技术等方向的研究,xielq@outlook.com。