硅酸镓镧单晶材料的声表面波标签研究

徐梦茹，肖夏



硅酸镓镧单晶材料的声表面波标签研究

徐梦茹，肖夏

(天津大学微电子学院，天津 300072)

声表面波射频识别标签在射频标签领域获得广泛关注，其中对标签基底材料的研究也成了研究热点。文章旨在研究使用硅酸镓镧单晶材料为压电基底的声表面波标签的标签特性。对使用硅酸镓镧单晶材料为压电基底的声表面波标签进行频域和时域分析，并结合有限元分析方法，对标签的特征频率、叉指换能器(Interdigital Transducer, IDT)的反射系数、叉指电极金属化比、金属电极厚度以及标签回波特性进行研究分析，提取了耦合模COM(Coupled-mode)模型参数。分析结果表明了压电效应是声表面波的谐振与反谐振频率存在的根源，验证了脉冲幅度编码方式，并为使用硅酸镓镧材料作为压电基底的声表面波标签的制作提供了仿真实验依据。

声表面波标签；硅酸镓镧单晶；有限元方法

0 引言

声表面波射频识别标签(Surface Acoustic Wave Radio Frequency Identification Tags, SAW RFID)与传统的集成电路(Integrated Circuit, IC)标签相比，具有可对运动物体进行识别、读取距离远、能在恶劣环境下工作以及对液体和金属的抗干扰能力强等特点，因此对SAW RFID的研究逐渐成为热点[1-5]。SAW标签由压电基片、反射栅和沉积在压电基片上的叉指换能器(Interdigital Transducer, IDT)组成。目前对SAW标签的研究主要集中于标签结构设计[6]、编码方式的设计[7]以及标签的性能分析[8]。

压电单晶材料是最早应用于声表面波器件的压电材料，目前仍广泛应用于各类声表面波器件中。硅酸镓镧(Langasite, LGS)晶体是一种橙色透明的新型压电晶体，从20世纪80年代首次报道以来一直吸引着研究者的关注。LGS具有比石英大2～3倍的机电耦合系数，与石英的温度稳定性相当，LGS晶体从室温到1 470℃都不发生相变，适合制作温度稳定性高的声表面波器件[9-13]。此外，LGS晶体的声表面波传播速度低，适合器件的小型化[14]。这些优点让LGS材料备受国内外研究机构的关注。

本文针对使用欧拉角为(0°, 138.5°, 26.7°)的LGS晶体材料作为压电基片的SAW标签进行有限元研究分析，研究分析内容包括标签的特征频率、叉指电极金属化比、金属电极厚度以及标签回波特性。借助有限元仿真软件COMSOL Multiphysics完成研究内容。对SAW标签进行频率和时域特性的仿真分析，结果表明，SAW标签中压电效应是谐振频率和反谐振频率存在的根源，电极尺寸会影响二者的具体数值大小。SAW标签的表面波波速随着电极厚度与波长比的增大而减小。对标签的时域仿真分析验证了脉冲幅度编码方式。分析结果能够指导SAW标签的研究和制作。

1 SAW RFID工作原理

如图1所示，SAW RFID的具体工作过程为：阅读器发射出射频询问脉冲，当SAW标签进入查询范围时标签天线接收询问脉冲射频信号，与标签天线直接相连的IDT通过逆压电效应将接收到的电磁波转化为SAW并且沿着标签基片表面传播，传播过程中SAW遇到反射栅产生反射和透射，反射信号通过正压电效应由IDT转换成电磁波经由标签天线发射出去，由阅读器接收[15]。

图1 声表面波射频标签识别系统结构示意图

SAW RFID系统中，阅读器发出的查询脉冲决定了查询脉冲射频信号的频率，压电基片材料和IDT决定了标签的谐振频率。当查询脉冲射频信号的频率和标签的谐振频率相等时，SAW的激发效率最高[16]，标签的插入损耗也最小。

2 有限元方法与结果分析

2.1 标签二维结构模型

根据简化之后的二维模型的参数，在有限元分析软件COMSOL Multiphysics中建立了与之对应的二维模型结构。

图2 声表面波标签特征频率分析的简化二维结构模型

表1 声表面波标签二维几何结构参数(μm)

表2 声表面波标签二维几何结构边界条件

表3 LGS单晶弹性矩阵弹性系数(1010 N·m-2)

表4 LGS单晶压电常数(C·m-2)

2.2 标签频域分析

2.2.1 标签COM模型参数

SAW能量集中在基片表面1～2个波长内，随着基片深度的增加，SAW的振幅呈指数衰减，因此能够把SAW振型从各个不同的波动阵型中提取出来，从而获得特征频率。利用频率分析模块，提取出符合SAW特性的对称模态和反对称模态，如图3所示。

图3 对称模态和反对称模态图

可通过式(3)计算出标签IDT的反射系数：

反射系数的计算结果为0.85%，对称模态和反对称模态下的频率可以用于分析IDT的二次效应。

在表面波器件的频率效应分析中，主要分析器件的输入导纳，导纳值的计算公式为

通过频域仿真分析，可以获得导纳和频率的关系，如图5所示。图5中两个极点处，表示导纳无穷大，两极点对应的频率为标签的谐振频率。越靠近谐振频率附近，IDT的导纳越大，距离较远则对应导纳越小。

可以通过有限元仿真提取用于分析SAW标签的COM模型参数，进行进一步的标签模型分析和计算。此外，对导纳的分析有助于对SAW器件的阻抗匹配进行研究。

图4 反对称模态下SAW振幅图

图5 均匀IDT相对声辐射导纳

2.2.2 叉指电极金属化比对SAW波速的影响

表5 SAW波速随MR的变化

2.2.3 金属电极厚度对SAW波速的影响

SAW波速随电极厚度与波长比的变化如表6所示。从表6可见，随着电极厚度与波长比的增大，SAW器件的波速减小，进而SAW标签的中心频率减小。为了满足实际的应用需求，需要选择合适的SAW标签电极厚度与波长比。

表6 SAW波速随电极厚度与波长比的变化

2.3 标签的时域回波特性分析

SAW标签利用固定位置反射栅的有无实现脉冲幅度编码，反射栅的有和无分别代表着编码1和0。通过分析标签的回波特性获得标签的编码信息，这是研究SAW射频识别标签的关键。

标签回波的仿真模型如图6所示。选用5个金属电极作为IDT，在IDT上分别加载不同的电压激励模拟查询脉冲，模型中有3个等间距分布的反射栅。建立111和110两种标签编码用于仿真对应的回波特性。标签回波特性仿真的几何结构参数见表7。压电基片选用LGS单晶材料，IDT和反射栅的金属电极使用金属铂材料。标签回波特性仿真时域图如图7所示。从图7(a)、7(b)中可以看出，时域上回波脉冲的波形和反射栅的有无存在对应关系。因此，通过设置反射栅的有无可以完成对标签的编码。对回波特性的时域仿真结果的分析证实了脉冲幅度编码的正确性。

图6 标签回波特性仿真结构图

表7 标签回波特性仿真结构参数(μm)

图7 两种编码的回波特性时域图

3 结论

本文对使用欧拉角为(0°, 138.5°, 26.7°)的硅酸镓镧单晶作为压电基底材料的声表面波标签进行研究分析，借助有限元仿真软件COMSOL Multiphysics，计算不同叉指电极金属化比下标签的中心频率与波速，结果证明压电效应是声表面波的谐振与反谐振频率存在的根源，电极尺寸会影响二者数值的大小。对标签金属电极厚度的计算分析，说明了标签波速随着电极厚度与波长比的增大而减小，针对实际应用环境要选择合适的金属电极厚度。在对标签的时域分析中，验证了脉冲幅度的编码方式。这些分析为使用LGS作为压电基片材料的声表面波标签的设计制作提供了指导。

在实际制作中，SAW器件是三维器件，本文所进行的研究针对理想化的二维SAW器件，在计算中忽略了IDT周期对数对SAW激发效率的影响，以及SAW衰减、体波散射等对器件的影响，因此计算结果与实际测试结果存在误差，但仿真计算结果能够反映SAW器件的特性，并且能够用于分析SAW器件的编码方法，存在实际的应用价值。

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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

国家自然科学基金资助项目(61571319)。

徐梦茹(1994－), 女, 安徽六安人, 硕士研究生, 研究方向为声表面波射频识别标签。

肖夏,E-mail: xiaxiao@tju.edu.cn