基于ZnO單晶聲表面波壓力傳感器的特性研究*

吳文琪，胡芳仁，2，楊宇鑫

(1.南京郵電大學 光電工程學院，江蘇 南京 210046；2.南京郵電大學Peter Gruenberg中心，江蘇 南京 210023)

基于ZnO單晶聲表面波壓力傳感器的特性研究*

吳文琪1，胡芳仁1，2，楊宇鑫1

(1.南京郵電大學 光電工程學院，江蘇 南京 210046；2.南京郵電大學Peter Gruenberg中心，江蘇 南京 210023)

基于聲表面波(SAW)理論以及SAW諧振器的結構和工作原理，設計了一種基于聲表面波(SAW)諧振式壓力傳感器。采用有限元軟件COMSOL Multiphysics對ZnO單晶聲表面波諧振器進行建模和仿真，提出符合聲表面波振型的對稱模態和反對稱模態，計算出ZnO單晶的相速度為3 237.31 m/s。討論了ZnO基底厚度對此壓力傳感器的相速度的影響，得出ZnO基底厚度越大，相速度越小。最后通過加載0～1 000 kg/m2的質量塊來模擬不同的壓力對器件的頻率響應的影響，結果顯示壓力的變化與諧振頻率二者具有良好的負相關線性關系。通過擬合得出線性表達式。

聲表面波；ZnO單晶；壓力傳感器

0 引言

聲表面波(Surface Acoustic Wave,SAW)壓力傳感器所特有的高頻特性及器件基片材料的壓電、逆壓電效應,使其與傳統壓力傳感器相比，具有測量精度高、抗干擾性強、微型、無源無線及成本低等優點，適用于易燃、易爆、密閉等特定環境下的遙測與傳感[1]。因此對于SAW壓力傳感器的研究具有重要的意義。

在SAW器件應用方面，由于ZnO的光電耦合系數高，溫度系數低且廉價易得等特點[2]，非常適合于制造高頻聲表面波器件。

為研究這一類器件，本文依據壓電晶體的運動方程和壓電本構方程[3]，建立ZnO/Al結構SAW 2D模型，采用物理耦合場軟件COMSOL Multiphysics對SAW諧振器器件進行了仿真[4]，確定了一種靈敏度較大的傳感器，為實現SAW壓力傳感器的制造提供了理論基礎以及數據參考。

1 工作原理

SAW傳感器的組成元件是叉指換能器(IDT)和聲反射柵[5]，結構如圖1所示。其工作原理是：受空間電磁波的激勵后，在SAW諧振器基片表面激發與電磁波同頻的SAW，SAW在兩個反射柵之間來回多次反射。當SAW諧振器基片受到壓力作用時，SAW諧振器尺寸發生變化，假設應變為ε，此時的諧振頻率由(1)式算出。d是IDT兩相鄰電極中心距，可見壓力的變化會引起諧振頻率的變化，通過檢測fr的變化實現對外力的監測。

(1)

圖1 SAW壓力傳感器結構圖

(2)

式(2)為有負載時壓電介質的耦合波方程。其中，φ為電勢，ρ為介質的密度, xj為介質中的位置坐標, ui為彈性介質的位移, cijkl為二階彈性剛度常數，ekij為壓電常數，εjk為介電常數。

2 仿真與結果分析

本文采用有限元軟件COMSOL，結合壓電晶體的運動方程和壓電本構方程，對ZnO單晶聲表面波諧振器進行建模和仿真，對其特征頻率進行仿真分析，并分析壓力加載下器件的頻率響應，以探討壓力的變化與諧振頻率的關系，對使用SAW諧振器實現對壓力的測量提供了支持。

2.1 二維結構模型建立

首先，建立單端口諧振器的二維幾何模型(見圖2)，叉指換能器和聲反射柵的材料為Al，基底材料為ZnO。假設設計波長為20 μm，基片厚度為80 μm，寬度為215 μm。IDT與反射柵的寬度為5 μm，厚度為0.3 μm。IDT與反射柵的間隔為5 μm。邊界條件如表1所示。

圖2 聲表面波諧振器二維模型

邊界條件ΓΒ固定邊界條件ΓL,ΓR周期性邊界條件電極1,3,5,7,91V電極2,4,6,8,10接地

2.2 特征頻率研究

利用COMSOL對ZnO單晶聲表面波諧振器進行多物理域耦合建模與仿真，得到兩個聲表面波模態(即對稱模態與反對稱模態)所對應的諧振頻率(fsc+)與反諧振頻率(fsc-)。圖3和圖4分別為對稱模態和反對稱模態，縱坐標為總位移，圖中最右邊的標尺表示總位移的大小，從上往下逐漸減小。

圖3 對稱模態變形圖

圖4 反對稱模態變形圖

從圖3中可以看出對稱模態對應的諧振頻率為1.618 511×108Hz，振動最強的質點總位移有1.04×10-3μm。圖4為反對稱模態變形圖，反對稱模態對應的諧振頻率為1.618 799×108Hz,最強的質點總位移有9.65×10-4μm。ZnO單晶材料沿縱坐標軸0～60 μm的區域內各質點的振動位移幾乎為0，聲表面波能量主要集中在1～2個波長范圍，符合聲表面波的特性。

由式(3)所示的聲表面波波速與正反模態諧振頻率的公式，可計算出ZnO單晶的聲表面波的相速度νeff=3 237.31 m/s。

νeff=d×(fsc++fsc-)

(3)

其中，d是IDT兩相鄰電極中心距，下面利用COMSOL的頻率分析模塊研究在諧振頻率附近不同頻率下的總位移。圖5是總位移與頻率的關系圖，橫坐標頻率為160～163 MHz，縱坐標的單位是總位移。由圖可知，當器件處于諧振狀態時，IDT激發出的聲表面波總位移最大，叉指換能器所產生的聲波是最強的，與叉指換能器的工作原理相符合。

圖5 總位移與頻率關系圖

2.3 ZnO基底厚度對聲表面波波速的影響

通過改變ZnO基底的厚度，得到khZnO與聲表面波波速的關系，其中，k=2π/λ為波速。由圖6可見，當khZnO從0增加到6時，聲表面波波速逐漸變小。因此在設計ZnO單晶SAW諧振器時，可以通過調節基底厚度得到不同的聲表面波波速。

圖6 ZnO厚度與波速關系圖

2.4 壓力加載下的頻率響應分析

在ZnO基底上依次加載0～1 000 kg/m2的質量塊來模擬壓力的變化。加載質量塊后，找到正反模態對應的諧振頻率，由公式(4)可以得到諧振頻率。不同壓力下的諧振頻率如表2所示。

(4)

通過對表2數據的擬合，畫出諧振頻率的擬合線如圖7所示，以得到諧振頻率與外加壓力之間呈負相關的線性關系，即當壓力增加時，頻率呈近似線性下降。通過擬合可以得出線性表達式：

圖7 壓力與諧振頻率關系圖

y=161.87-0.0125x

3 結論

本文根據諧振器的結構和工作原理，結合壓電晶體的運動方程和壓電本構方程，利用有限元分析軟件COMSOL對ZnO單晶聲表面波諧振器進行建模與仿真，提出了符合聲表面波振型的對稱模態和反對稱模態。通過對壓力加載下的頻率響應進行分析，得到壓力與SAW諧振器頻率成負相關的線性關系，這對使用SAW諧振器實現對壓力的測量提供了支持。

[1] BENSMAINE S, BENYOUCEF B. Experimental characterization of ZnO thins films and identification of frequency peaks in ZnO/SiO2/Si SAW devices[J]. American Journal of Materials Science, 2013, 3(4):100-103.

[2] 周劍, 何興理, 金浩,等. 基于ZnO壓電薄膜的柔性聲表面波器件[J]. 光學精密工程, 2014, 22(2):346-350.

[3] Zhao Yiyu, Li Honglang, He Shitang. Optimal cut of quartz for a surface acoustic wave pressure sensor with non-uniform pressure load[C]. 2013 Symposium on Piezoelectrioity, Acoustic waues and Device Applications (SPAWDA), 2013:1-3.

[4] NAMDEO A K, NEMADE H B. FEM study on the effect of metallic interdigital transducers on surface acoustic wave (SAW) Velocity in SAW Devices[D]. Guwahati, India: Indian Institute of Technology, 2009.

[5] 潘峰. 聲表面波材料與器件[M]. 北京：科學出版社, 2012.

Research on characteristic of the surface acoustic wave pressure sensor based on ZnO single crystal

Wu Wenqi1, Hu Fangren1,2, Yang Yuxin1

(1.School of Optoelectronic Engineering, Nanjing University of post &Telecommunications, Nanjing 2010046,China；2.Peter Gruenberg Center, Nanjing University of Post &Telecommunications, Nanjing 2010046,China)

Based on the theory of surface acoustic wave (SAW), and the structure and principle of SAW resonator, a SAW resonant pressure sensor is designed. A finite element software COMSOL Multiphysics was used to model and simulate the single crystal ZnO-based SAW resonator. Symmetric mode and anti-symmetric mode of the ZnO-based SAW resonator are established. By calculation, the phase velocity of the ZnO single crystal is 3 237.31m/s by analyzing the resonance response. The effect of the ZnO substrate thickness on the phase velocity of the pressure sensor is discussed. It is concluded that the larger the thickness of ZnO, the smaller the phase velocity. Finally,the effect of different pressure to the frequency response is simulated by loading the 0～1 000 kg/m2mass block on the device in order to study the relationship between the pressure and the resonant frequency. The results show that the pressure and the resonant frequency have a good linear relationship. The linear expression can be obtained.

surface acoustic wave; ZnO single crystal; pressure sensor

國家自然科學基金資助項目(61274121,61574080)

TP391.9；TP211+.51

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2016.24.024

吳文琪，胡芳仁，楊宇鑫. 基于ZnO單晶聲表面波壓力傳感器的特性研究[J].微型機與應用，2016,35(24)：84-86.

2016-07-28)

吳文琪(1991-)，通信作者，女，碩士研究生，主要研究方向：氧化鋅單晶聲表面波器件。E-mail：18752030875@163.com。

胡芳仁(1960-)男，博士，教授，主要研究方向：高速大容量光纖通信與全光信號處理、硅基化合物半導體光電器件、氧化物功能薄膜與器件。

楊宇鑫(1995-)，女，本科生，主要研究方向：氧化鋅單晶聲表面波器件。