谐振型声表面波无源无线温度传感器件优化

崔柏乐王 文∗单长锁曲 波

(1.中国科学院大学，北京 100190；2.中国科学院声学研究所，北京 100190；3.江苏声立传感技术有限公司，江苏 南通 226000；4.苏州大学电子信息学院，江苏 苏州 215000)

目前，温度传感器的类型包括电容式、光纤式、红外式、声表式等几种[1－2]，但随着工业化的不断发展，测温环境的多样性，复杂性以及危险性，对测温器件的性能要求不断提高，特别是传统的有源测温方式难以满足高温高压、高辐射以及无人值守的应用环境。 声表面波(SAW)技术提供了一种新型温度传感方式，具有高稳定性、快速响应、高灵敏度等优点[3]，并且利用其可通过接收电磁波激励的特点可结合射频雷达技术实现无源无线的温度传感方式，在工业制造、电力传输、航空航天、毒气检测等领域备受关注[4－5]。

SAW 是利用压电效应在压电晶体表面沉积金属叉指电极所激励的沿晶体表面传播的机械声波。压电晶体的线性热膨胀效应将会导致SAW 传播速度与温度的线性关联，利用这一特点即可构建基于SAW 的温度传感器。 其独特优势在于，SAW 可通过接收电磁波信号激励，传感信号则可通过无线传输，由此可实现无源无线的传感方式。 无源无线SAW 温度传感系统如图1 所示。

图1 无源无线SAW 温度传感器系统

射频读取模块发射特征频率的电磁波信号，由SAW 器件的叉指换能器(IDT)接收并转换成沿压电晶体表面传播的SAW。 传播SAW 再经由叉指换能器转换成可接收的电磁波信号。 由于压电晶体自身的热膨胀效应可导致SAW 传播速度的变化，因此，对接收的电磁波信号解耦即可提取温度信号。 巩凡[6]等开展了无源无线SAW 温度传感器的研究，通过多条耦合器抑制体声波(BAW)的信号干扰，在不同声路增加反射栅，利用延迟信号提高测温精度，但器件插入损耗较大。 王睿[7]等对无源无线SAW器件的系统测试进行研究，通过检测回波信号的包络变化实现对温度信号解耦，频率误差>10 kHz。 中北大学张利威[8]在铌酸锂晶体上实现无源无线SAW 温度器件设计并开展相关优化，但器件具有较低的温度灵敏度(1.34 kHz/℃)，且优化未考虑电极相对膜厚对器件损耗的影响。 Zhang K[9]等设计了中心频率为24 MHz 的谐振型无源无线SAW 温度传感器件，在10 ℃～70 ℃下，测温误差～0.3 ℃。Kim S[10]等设计了谐振型SAW 温度器件，实现了无线地下测温，温度系数达到0.3 MHz/℃，线性度0.96，具有较高的灵敏度，但是器件测温范围小，测温误差大。 综上，无源无线SAW 温度传感器件设计存在温度灵敏度低，测温范围受限，测温误差大以及系统测试不准确等问题。 典型的无源无线SAW 温度传感器件结构一般采用单端谐振器，其品质因子与频率温度特性决定了传感器的检测灵敏度和无线传输性能。 开展SAW 谐振器型传感器件的优化设计，并结合射频读取模块，构建高精度的无源无线测温系统是本文的主要内容。

基于以上考虑，本文优化设计了基于YX 石英基底的单端对谐振型SAW 温度传感器件。 结合有限元分析软件COMSOL 和等效电路模型对传感器件进行理论仿真，基于理论分析结果，实验制备出谐振型SAW 温度传感器件。 在此基础上，结合无线射频读取模块，构建了无源无线温度测温系统，测试结果显示传感器具有较高的测试精度和良好的稳定性。

1 SAW 温度传感器件优化仿真

为了实现对SAW 传感器件的优化设计，特别考虑叉指换能器的金属电极膜厚的设计，不同的电极膜厚会影响器件工作频率[11]，由于质量负载效应，膜厚的增加将会导致声波波速的降低，忽略温度变化的器件热膨胀效应导致的电极尺寸变化的情况下，器件的工作频率将会降低，并且由于膜厚变化导致的波阻抗的变化，器件的频率特性将发生改变。本文采用有限元方法进行分析，通过设计不同电极膜厚，分析不同电极相对膜厚下的器件频率响应，选择最低损耗下的电极膜厚为器件最优电极膜厚。 结合单端对SAW 谐振器等效电路模型，提取器件最优电极膜厚下的电学参数，为器件外围电路设计提供理论支撑。

1.1 等效电路模型

等效电路模型是声表面波器件常用的一种唯象仿真方法。 对于单端谐振器型传感器件，其等效电路结构如图2 所示，其中C0为静态电容，Cm为动态电容，Lm为动态电感，Rm为动态电阻[12－13]。 一般而言，上述等效电路参数的准确提取是决定传感器件仿真效能的前提。 相对于使用MATLAB 对等效电路参数进行提取，Ashish 等[14]提出结合有限元仿真结果计算器件的参数的方法能够更快速的提取等效电路参数。

图2 单端对谐振型SAW 传感器件的等效电路模型

对于等效电路中各参数的计算，假设经过仿真获取SAW 器件的正谐振角频率wr，反谐振角频率war，从谐振导纳结果分析得到器件的品质因子Qr，那么上述等效电路模型参数计算公式如下所示:

由此，经过仿真的方法，可以设计特定的模型，依据求解模型的特征频率以及频率响应结果，提取出模型的等效电路参数，这将有利于缩短传感器件的设计开发周期。

1.2 有限元仿真分析

在众多仿真研究中，利用COMSOL 建立的SAW器件模型是基于平面假设的，即二维建模模型，但是二维模型忽略器件横截面上的声表面波的解，致使仿真分析不全面，大多数仿真结果与实际情况不符合[15]，因此本文建立三维声表面波器件。

本文的叉指换能器采用均匀指结构，如图3 所示。 其中h为电极膜厚，W为孔径长度，a为叉指电极宽度，b为相邻叉指电极距离，p为一半波长，λ为声表面波波长，即叉指换能器的周期。 器件的中心频率取决于叉指换能器的设计，器件工作频率f可表示为:

图3 均匀指结构

式中:vs为声波在基底表面传播的速度，对于使用具有线性温敏特性的YX-Quartz 材料的压电基底，此时vs为3 159.3 m/s。

对于叉指换能器的建模描述常用电极相对膜厚Q来形容电极厚度与波长的关系，金属化比M来表示单个周期内金属化程度，对于器件孔径设置定义器件在与X方向垂直的Y方向和传播X方向的尺寸比例系数Ql[16]，由此叉指换能器建模的数学表述如下:

依据声表面波特点，能量几乎集中在晶体表面1～2 个波长内，因此设计压电基底厚度为5λ，为了简化模型计算量，使用周期性边界条件，设计单周期叉指换能器器件，此时有N＝1。 本文取Ql＝1，M＝0.5，Q＝1.5%进行仿真研究。 得到单周期谐振型SAW 传感器件的几何建模尺寸如表1 所示。

表1 几何建模尺寸

其几何建模及其边界标识如图4(a)所示，器件仿真需要对固体力学以及静电部分进行设置，在固体设置中，压电基底的坐标系选择IEEE 标准给出的欧拉角(α，β，γ)变换后的旋转坐标系，设置欧拉角(α，β，γ)为(0，pi/2，0)进行坐标变换，从而得到YX-Quartz 压电晶体。 静电中使用终端接口，在电极上施加电压。

对于利用有限元分析法求解物理场问题，求得的解需要满足模型边界条件后才可以收敛，设置模型的边界条件如表2 所示。

表2 模型的力学边界与电学边界条件

网格剖分的单元大小决定了器件仿真结果的准确性。 因此，根据声表面波器件的特点，在晶体表面剖分较为密集的网格，对基底进行反向等差数列剖分，得到的网格结果表明在器件下表面网格最为疏松，在上表面网格最为密集，剖分结果如图4(b)所示。

图4 仿真建模

在研究内容中，选择特征频率分析，设置研究的基准频率为433 MHz，得到声表面波器件的正反谐振模态，分别为fr＝433.2 MHz，far＝433.33 MHz 的两个特征频率，由波速v＝[(fr＋far)×λ]/2 ＝3 160 m/s可知，仿真结果声表面波波速与理论符合，器件的振态位移分布如图5(a)、5(b)所示。

图5 器件模态

对SAW 器件进行频域分析，获得器件的频率响应特性，结合参数化扫描方法，对器件电极相对膜厚进行分析，电极相对膜厚设置扫描范围在[0.01，0.02]之间，步进为0.001，同时仿真对频域扫描，范围设置在[433，434]MHz 之间，仿真得到结果如图6(a)所示。 从图6(a)可知，铝电极相对膜厚设置为1.5%时具有最大导纳值，即在器件谐振时，具有最小阻抗值，此时器件的损耗最小，为最优电极相对膜厚。 对电极相对膜厚为1.5%，金属化比0.5 的单周期SAW 传感器件单独进行频域计算，得到更加精确的导纳值与中心频率，结果如图6(b)所示。

图6 器件导纳图

由图6 (b) 可知， 仿真得到谐振频率为433.84 MHz 的SAW 传感器件，综上有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 所示的等效电路参数表。

表3 等效电路模型参数

由此，经过有限元方法对器件参数的仿真优化设计，分析得到器件最优电极膜厚，成功提取出器件的等效电路参数。

2 实验研究

2.1 器件性能测试

在理论的指导下，采用标准光刻工艺制备传感器件。 其制备流程如图7 所示，实验器件制作选择YX-Quartz 晶片作为压电基底，整个器件制作在超净室内进行，首先对晶片进行清洗(a)，在(a)的晶片上均匀涂覆光刻胶(b)，在对涂覆光刻胶的表面进行曝光显影，对显影后的晶片表面进行刻蚀(c)，(d)中利用溅射台对光刻后的器件表面进行沉积金属，本文中使用金属铝，金属溅射厚度为仿真研究中得到的最佳膜厚值，(e)中剥离剩余的光刻胶，此时晶体表面留下与光刻板完全相同的金属电极图案，(f)为最终制作结果。

图7 器件制备流程

器件叉指换能器采用均匀指结构，电极相对膜厚为1.5%，器件设计参数如表4 所示。

表4 器件设计参数

使用安捷伦E5061 网络分析仪对研制芯片进行的工作频率以及品质因子的测试，测试方法为将器件连接至网络分析仪中，使用S11端口，测量器件的导纳，测试结果如图8 所示。

图8 测试Q 值结果图

从图8 中可知，器件工作频率在436.56 MHz，品质因子Q值高达9 000。 测试结果与仿真结果较接近。 测试品质因子相对于上述有限元方法分析的结果偏小，主要原因是在有限元分析中，使用了周期性边界条件，即假设叉指对数为无限个，这与实际器件设计过程中不一致，因此会导致实际器件测量的品质因子相对于理论值较低。

结合GDW－250B 高低温箱对传感器件进行测温测试，测试温度范围为－20 ℃～120 ℃，测试温度间隔设置为10 ℃，并且为了得到较为准确的特定温度下的谐振频率值，记录20 次测试频率，使用其平均值作为当下温度所对应的谐振频率。 具体测试方法为将传感器件放置于高低温箱内部，通过引线外接网络分析仪，测试对应温度下传感器件频率响应，获得温度－频率的关联信息，对经过20 次平均后的数据进行最小二乘法拟合，计算研制的谐振型SAW温度传感器件的灵敏度、线性度等，其记录数据如表5 所示。 将频率作为因变量、温度作为自变量，拟合结果如图9 所示。

表5 器件频率随温度变化数据

图9 拟合结果

由图9 可以看出SAW 温度传感器件的线性度计算结果为5.506 9×10－5%，灵敏度计算结果为9.009 kHz/℃，温度系数TCF 为20.631 5×10－6/K。拟合得到的曲线方程为F＝0.009 009T＋436.231 1。

2.2 无源无线测温测试

无源无线测温测试系统包括声表面波温度传感器、无线射频读取器、天线、温度监控上位机、高低温箱等部分。 实际测试如图10 所示，其中声表面波温度传感器件外接天线放置在高低温箱中，天线的实际谐振频率与芯片的谐振频率保持一致。 无线射频读取器的设计主要包含对射频信号的发射与接受链路、信号采集及处理电路以及串口通信几部分。 读取器控制单刀双掷射频开关实现对信号的发射与接受的切换。 读取器发射间歇正弦波激励信号，无线射频信号经过天线发射出去，高低温箱中的SAW 器件与无线信号发生共振，并返回携带温度信息的回波信号，读取器对回波信号进行放大、混频、滤波以及AD 转换，数据流通过RS485 通信传至PC 端，在PC 端对信号进行处理分析，可利用自相关法去除回波信号中的有色噪声，从而提取出有效信号。 结合之前拟合数据的方法，分析得到器件当前周围的温度信息，将采集到的温度信息显示在无源无线在线监测上位机系统中，从而实现对器件的无源无线在线测温监测。

图10 实验测试环境

为了验证器件的可靠性与准确性，选择12 个SAW 温度传感器件进行无源无线测温测试，将其均放入高低温箱中，每隔一段时间改变高低温箱的加热温度，最终得到上位机中对应12 个传感器件的温度实时响应测试曲线图如图11 所示。

上位机系统采集各个传感器节点的温度数据，如表6 所示。

由图11 可知，在传感器测量过程中，各个传感器节点曲线变化规律保持一致，有个别曲线，由于信号的强弱关系，可能导致接受信号出现错误而无法准确测量温度。 从表6 可知，多个传感节点测温误差小于±2 ℃。

表6 测试数据

图11 针对12 个SAW 无源无线温度传感器件的实测曲线

2.3 实验结果讨论

从上述实验结果可有，相对单个器件测温，多个传感节点测温精度有所降低，多个传感节点测温在低温时具有较小的测温误差，在高温时误差较大。其原因如下:

①工艺误差:考虑工艺上对晶体的切割，器件制作过程中的环境等因素的影响，器件的性能之间存在一定的差别。

②系统误差:模拟信号转变为数字信号的过程中存在量化误差。

③测试环境:多个传感节点测试时，高低温箱内的热场分布不均匀，器件导热性能之间存在相应地差异，由此影响器件响应时间以及测温精度。

④SAW 传感器件频率与温度之间存在如下关系:

式中:ΔT＝T－T0，其中T为当前环境温度，T0为参考温度，f0为参考频率，fr为器件谐振频率，TCF1，TCF2，TCF3分别为一阶、二阶、三阶频率温度系数，从式(5)可以看出，在温度范围变化较小时，可以忽略高阶项，器件具有较好的线性度，但是随着温度范围增大，将不能忽略高阶项的影响。

⑤随着温度的升高，天线受到热膨胀效应，尺寸也会发生相应的变化，天线性能降低，电学性质发生变化，电路可能出现失配，对射频信号的接收以及发射造成一定的影响，由此带来测量误差。

综上:为实现较高的测温精度，在保证器件工艺一致性的情况下，优化系统整体设计结构，同时在宽温度范围内进行测温时，需要考虑SAW 器件测温的高阶效应。 天线设计上，可以选择对温度不太敏感的材料以此来减小温度变化对天线性能的影响。

3 总结

本文使用有限元分析软件 COMSOL Multiphysics 对声表面波器件仿真的过程进行详细叙述，得到器件的模态、导纳等信息，分析得到金属化比为0.5，最优化电极相对膜厚1.5%下的等效电路模型参数，为器件实际制作提供理论指导。 利用标准光刻工艺制备出谐振频率为436.56 MHz 的单端对谐振型SAW 温度传感器件，并且搭建无源无线测温系统进行测试，实验结果表明，器件具有良好的线性度与灵敏度，其无源无线测温误差小于±2 ℃。显然，基于SAW 的无源无线温度传感器具有很好的实用价值与应用前景。