基于SH-SAW谐振器的无线温度传感器研究

房 赛，彭 斌，杨云涛，何 鹏，朱加良

(1.电子科技大学电子薄膜与集成器件国家重点实验室，四川成都 610054；2.中国核动力研究设计院，四川成都 610213)

0 引言

声表面波(surface acoustic wave，SAW)谐振器[1-2]是利用压电材料制作的一类声表面波器件，其谐振频率和环境温度、压力、应变等物理参数相关[3-5]，通过检测谐振频率的变化即可实现对温度、压力和应变等参数的检测。基于SAW谐振器[6]的传感器具有无线测试、无需电源、耐辐照等技术优势，在实际的工程应用中，可以减少探测线缆的使用，进而在复杂环境中降低安全隐患；该种传感器能够在高温、辐照等恶劣环境下正常工作。因此，SAW无线传感技术作为一种新型的传感技术具有研究价值，其在航空、航天、核动力等领域都有着广泛的应用前景。

水平剪切声表面波(shear horizontal surface acoustic wave，SH-SAW)[7-8]是声表面波的一种，它与通常所说的声表面波即瑞利波(Rayleigh)不同。瑞利波是质点垂直剪切运动与沿传播方向的挤压运动的叠加，而SH-SAW则只具有水平剪切运动，即质点的位移平行于衬底表面，垂直于波的传播方向[9]。SH-SAW的振动不具有垂直于表面的法向分量，从而相较于瑞利波在界面处引起的损耗较小，制作的器件具有更高的Q值。SH-SAW的声速通常高于Rayleigh波，具有较高温度灵敏度优势。因此，基于SH-SAW的谐振器作为传感器具有高Q值、高灵敏度的优势。

SH-SAW的激发通常取决于衬底材料的性质，常见用于激发SH-SAW的衬底材料有41°YX铌酸锂、128°YX铌酸锂、36°YX钽酸锂、ST-X石英等。本文采用欧拉角为(0°,38°,0°)的128°YX铌酸锂压电晶体材料，设计并制作了基于SH-SAW模式的窄带、高Q值谐振器，研究了其温度特性，并利用该谐振器制作了无线温度传感器，研究了其无线测温特性。

1 器件设计仿真

本文采用的器件结构为如图1所示的单端口谐振器，其结构由叉指换能器(IDT)和两侧的反射栅组成。其谐振频率由式(1)决定：

(1)

式中：v为声表面波的相速度；λ为叉指的周期。

图1 单端口谐振器基本结构

通过多物理场有限元仿真对叉指换能器进行三维模型仿真，以确定叉指换能器在128°YX铌酸锂压电衬底上所激发的波模式以及其中心频率。叉指电极的宽度为3 μm，叉指间空隙为3 μm，理论波长为12 μm，叉指电极的厚度为140 nm。衬底在长度和宽度方向设置周期性边界条件，叉指在长度方向设置周期性边界条件，理论上声孔径为无限长。

叉指电极的材料为Au，衬底材料为128°YX铌酸锂，其密度为4 700 kg/m3。铌酸锂材料的弹性矩阵、耦合矩阵、相对介电常数矩阵分别通过欧拉角为(0 °,0 °,0 °)的铌酸锂材料经过坐标变换后得到[10]，分别为：

2 传感器设计制作及测试

在铌酸锂衬底上制作了设计的SAW器件，其中声孔径为100个波长，叉指对数150对，叉指与两侧反射栅的距离为15 μm，反射栅条数为200，反射栅采用短路结构。采用电子束蒸发工艺在衬底上依次沉积20 nm的Ti和120 nm的Au作为薄膜电极，采用光刻剥离工艺实现薄膜电极的图形化。

采用矢量网络分析仪(agilent N5234A)测试了所制备的SAW器件的频率特性。为了测试其温度特性，将制作的SAW器件置于热板上，采用高温同轴线将器件和矢量网络分析仪连接，在设定温度稳定后保温15 min，确保矢量网络分析仪显示的谐振频率不再漂移后，测试器件在该温度下的频率特性。

为进行无线测试，设计了传感器天线，采用耐高温氧化铝陶瓷封装基座将SAW器件和天线进行封装。将封装完成的传感器放置于电热板上，在升温过程中测试其无线传输性能。使用单极子天线作探测天线，传感器与探测天线的距离为100 cm，测试环境如图2所示。

图2 无线传感器测试

3 结果与讨论

图3为叉指换能器的频率响应仿真结果，从图中可以看到在316 MHz和328 MHz附近均有谐振，即存在2种谐振模式。图4为316 MHz和328 MHz这两种谐振模式的位移仿真结果，图中位移数值的单位为m。从图4(a)中可以看到，衬底表面的质点上下起伏像波浪一样向前传播，是典型的Rayleigh波振动形式；图4(b)中，衬底表面的质点在垂直于波传播方向做水平剪切运动，且能量大部分集中于衬底表面半个波长以内，由此确定该波为SH-SAW。从图中仿真结果的对比还可以发现，Rayleigh波的谐振点(fr)与反谐振点(fa)频率间隔较SH-SAW的更远，意味着SH-SAW激发的谐振带宽更窄，因此基于SH-SAW模式的谐振器将表现出更高的Q值。

图3 仿真频率响应图

(a)Rayleigh波

图5是制作的SAW谐振器在室温下(15 ℃)实测的回波损耗(S11)曲线，从图中可以看到2个明显的谐振峰，左侧谐振峰频率在320 MHz左右，其3 dB带宽为0.501 MHz，Q值为640；右侧谐振峰频率在328 MHz左右，3 dB带宽为0.009 MHz，Q值为34 500。与仿真结果对比，可以发现左侧谐振峰为Rayleigh波模式谐振，右侧谐振峰为SH-SAW模式谐振。实测谐振频率与仿真结果相比，SH-SAW谐振峰出现的频率位置较接近，而Rayleigh波谐振频率位置则有4 MHz左右的偏离，其可能是由于不同厂家的压电材料本身参数的偏差以及器件制作工艺的偏差所导致，整体实测数据与仿真结果基本符合。

上述分析中，发现SH-SAW具有良好的谐振性能，其Q值更高，因此下面仅对其进行进一步的温度特性研究。图6是不同温度下SAW器件的S11曲线测试结果。从图中可以看出，在不同温度下测试的S11曲线有明显的SH-SAW谐振峰，在测试温度范围内，SAW谐振器始终保持着优良的谐振性能。随着温度的升高，可以看到谐振峰逐渐向低频移动，即谐振频率随温度升高而逐渐降低，这是由于当温度上升时衬底材料声速下降，以及热膨胀导致波长变大，从而引起谐振频率降低。

图6 不同温度下器件的S11曲线

图7是常温至250 ℃的温度范围内器件的SH-SAW谐振频率和Q值。可以看出，器件的SH-SAW谐振频率随温度的升高而线性降低。进行线性拟合后，实测数据与拟合曲线非常吻合，表明器件具有很好的线性特性。曲线斜率即SAW器件在整个温度范围内的频率温度系数为-24.33 kHz/℃(-73.2 ppm/℃)。N. Naumenko等[11]在128°YX铌酸锂衬底上制作的Rayleigh波模式谐振器的频率温度系数为-56 ppm/℃，可以发现本文的SH-SAW器件的频率温度系数更大，提升了约30%。1 ppm=10-6。

图7 器件谐振频率随温度的变化

图7还给出了器件在不同温度下的Q值。可以看出，在整个温度范围内Q值均大于8 000，高Q值有利于提升SAW传感器的无线测试距离和测试准确性。当温度持续上升超过150 ℃时，Q值有增大的趋势，其原因可能是金属电极电导率和衬底材料的介电常数的变化引起器件阻抗与50 Ω更加匹配，加强了谐振峰的幅值，同时谐振峰随着温度升高而向低频移动，3 dB带宽相应减小，综合以上因素，谐振峰变得更加尖锐，Q值更高。该器件的SH-SAW谐振峰在温度测试中表现出高线性度和高Q值，有利于制作无线温度传感器。

图8是不同温度下无线测试得到的SAW传感器的群时延曲线，从图中可以看出，在每个温度下均有明显的谐振峰。本文中SAW传感器的无线测试距离达到100 cm，S. Kim等[12]设计的使用磁性线圈作天线的SAW温度传感器的探测距离为50 cm，本文与之相比有1倍的提升。采用群时延曲线确定的谐振频率和S11幅值曲线确定的谐振频率有很小的差别，但是其随温度变化特性均一致，因此，本文无线测试时采用群时延曲线来确定谐振频率不影响传感器测试结果。

图8 不同温度下传感器群时延

图9是传感器谐振频率随温度的变化曲线，频率温度系数为-24.24 kHz/℃，与图7中的结果基本保持一致，谐振频率随温度的升高而线性降低。图10是SH-SAW无线传感器从常温至250 ℃连续3次的测试结果，从图中可以看出，3次测试的结果非常一致。同一温度点之间最大频率偏差仅为0.051 MHz，对应的温度偏差为2.1 ℃，满量程误差仅为0.93%。这表明，本文制作的SH-SAW温度传感器在无线测温时表现出优良的重复性和稳定性。

图9 传感器频率随温度的变化

图10 传感器重复性实验

4 结论

本文在128°YX铌酸锂压电衬底上制作了线宽为3 μm的叉指换能器，研究发现可以同时激发Rayleigh波和SH-SAW 2种模式的谐振，且SH-SAW谐振峰具有更窄的带宽和更高的Q值。研究了基于该衬底谐振器的SH-SAW谐振峰的温度特性，并利用该谐振模式设计制作了无线温度传感器。结果表明，SH-SAW谐振器的谐振频率随温度升高而线性降低，其频率温度系数为-24.33 kHz/℃。在100 cm距离下实现了常温至250 ℃的无线测试温度，测温误差仅为0.93%，且具有良好的重复性。