諧振型聲表面波無源無線溫度傳感器件優化

崔柏樂王 文?單長鎖曲 波

(1.中國科學院大學，北京 100190；2.中國科學院聲學研究所，北京 100190；3.江蘇聲立傳感技術有限公司，江蘇 南通 226000；4.蘇州大學電子信息學院，江蘇 蘇州 215000)

目前，溫度傳感器的類型包括電容式、光纖式、紅外式、聲表式等幾種[1－2]，但隨著工業化的不斷發展，測溫環境的多樣性，復雜性以及危險性，對測溫器件的性能要求不斷提高，特別是傳統的有源測溫方式難以滿足高溫高壓、高輻射以及無人值守的應用環境。 聲表面波(SAW)技術提供了一種新型溫度傳感方式，具有高穩定性、快速響應、高靈敏度等優點[3]，并且利用其可通過接收電磁波激勵的特點可結合射頻雷達技術實現無源無線的溫度傳感方式，在工業制造、電力傳輸、航空航天、毒氣檢測等領域備受關注[4－5]。

SAW 是利用壓電效應在壓電晶體表面沉積金屬叉指電極所激勵的沿晶體表面傳播的機械聲波。壓電晶體的線性熱膨脹效應將會導致SAW 傳播速度與溫度的線性關聯，利用這一特點即可構建基于SAW 的溫度傳感器。 其獨特優勢在于，SAW 可通過接收電磁波信號激勵，傳感信號則可通過無線傳輸，由此可實現無源無線的傳感方式。 無源無線SAW 溫度傳感系統如圖1 所示。

圖1 無源無線SAW 溫度傳感器系統

射頻讀取模塊發射特征頻率的電磁波信號，由SAW 器件的叉指換能器(IDT)接收并轉換成沿壓電晶體表面傳播的SAW。 傳播SAW 再經由叉指換能器轉換成可接收的電磁波信號。 由于壓電晶體自身的熱膨脹效應可導致SAW 傳播速度的變化，因此，對接收的電磁波信號解耦即可提取溫度信號。 鞏凡[6]等開展了無源無線SAW 溫度傳感器的研究，通過多條耦合器抑制體聲波(BAW)的信號干擾，在不同聲路增加反射柵，利用延遲信號提高測溫精度，但器件插入損耗較大。 王睿[7]等對無源無線SAW器件的系統測試進行研究，通過檢測回波信號的包絡變化實現對溫度信號解耦，頻率誤差>10 kHz。 中北大學張利威[8]在鈮酸鋰晶體上實現無源無線SAW 溫度器件設計并開展相關優化，但器件具有較低的溫度靈敏度(1.34 kHz/℃)，且優化未考慮電極相對膜厚對器件損耗的影響。 Zhang K[9]等設計了中心頻率為24 MHz 的諧振型無源無線SAW 溫度傳感器件，在10 ℃～70 ℃下，測溫誤差～0.3 ℃。Kim S[10]等設計了諧振型SAW 溫度器件，實現了無線地下測溫，溫度系數達到0.3 MHz/℃，線性度0.96，具有較高的靈敏度，但是器件測溫范圍小，測溫誤差大。 綜上，無源無線SAW 溫度傳感器件設計存在溫度靈敏度低，測溫范圍受限，測溫誤差大以及系統測試不準確等問題。 典型的無源無線SAW 溫度傳感器件結構一般采用單端諧振器，其品質因子與頻率溫度特性決定了傳感器的檢測靈敏度和無線傳輸性能。 開展SAW 諧振器型傳感器件的優化設計，并結合射頻讀取模塊，構建高精度的無源無線測溫系統是本文的主要內容。

基于以上考慮，本文優化設計了基于YX 石英基底的單端對諧振型SAW 溫度傳感器件。 結合有限元分析軟件COMSOL 和等效電路模型對傳感器件進行理論仿真，基于理論分析結果，實驗制備出諧振型SAW 溫度傳感器件。 在此基礎上，結合無線射頻讀取模塊，構建了無源無線溫度測溫系統，測試結果顯示傳感器具有較高的測試精度和良好的穩定性。

1 SAW 溫度傳感器件優化仿真

為了實現對SAW 傳感器件的優化設計，特別考慮叉指換能器的金屬電極膜厚的設計，不同的電極膜厚會影響器件工作頻率[11]，由于質量負載效應，膜厚的增加將會導致聲波波速的降低，忽略溫度變化的器件熱膨脹效應導致的電極尺寸變化的情況下，器件的工作頻率將會降低，并且由于膜厚變化導致的波阻抗的變化，器件的頻率特性將發生改變。本文采用有限元方法進行分析，通過設計不同電極膜厚，分析不同電極相對膜厚下的器件頻率響應，選擇最低損耗下的電極膜厚為器件最優電極膜厚。 結合單端對SAW 諧振器等效電路模型，提取器件最優電極膜厚下的電學參數，為器件外圍電路設計提供理論支撐。

1.1 等效電路模型

等效電路模型是聲表面波器件常用的一種唯象仿真方法。 對于單端諧振器型傳感器件，其等效電路結構如圖2 所示，其中C0為靜態電容，Cm為動態電容，Lm為動態電感，Rm為動態電阻[12－13]。 一般而言，上述等效電路參數的準確提取是決定傳感器件仿真效能的前提。 相對于使用MATLAB 對等效電路參數進行提取，Ashish 等[14]提出結合有限元仿真結果計算器件的參數的方法能夠更快速的提取等效電路參數。

圖2 單端對諧振型SAW 傳感器件的等效電路模型

對于等效電路中各參數的計算，假設經過仿真獲取SAW 器件的正諧振角頻率wr，反諧振角頻率war，從諧振導納結果分析得到器件的品質因子Qr，那么上述等效電路模型參數計算公式如下所示:

由此，經過仿真的方法，可以設計特定的模型，依據求解模型的特征頻率以及頻率響應結果，提取出模型的等效電路參數，這將有利于縮短傳感器件的設計開發周期。

1.2 有限元仿真分析

在眾多仿真研究中，利用COMSOL 建立的SAW器件模型是基于平面假設的，即二維建模模型，但是二維模型忽略器件橫截面上的聲表面波的解，致使仿真分析不全面，大多數仿真結果與實際情況不符合[15]，因此本文建立三維聲表面波器件。

本文的叉指換能器采用均勻指結構，如圖3 所示。 其中h為電極膜厚，W為孔徑長度，a為叉指電極寬度，b為相鄰叉指電極距離，p為一半波長，λ為聲表面波波長，即叉指換能器的周期。 器件的中心頻率取決于叉指換能器的設計，器件工作頻率f可表示為:

圖3 均勻指結構

式中:vs為聲波在基底表面傳播的速度，對于使用具有線性溫敏特性的YX-Quartz 材料的壓電基底，此時vs為3 159.3 m/s。

對于叉指換能器的建模描述常用電極相對膜厚Q來形容電極厚度與波長的關系，金屬化比M來表示單個周期內金屬化程度，對于器件孔徑設置定義器件在與X方向垂直的Y方向和傳播X方向的尺寸比例系數Ql[16]，由此叉指換能器建模的數學表述如下:

依據聲表面波特點，能量幾乎集中在晶體表面1～2 個波長內，因此設計壓電基底厚度為5λ，為了簡化模型計算量，使用周期性邊界條件，設計單周期叉指換能器器件，此時有N＝1。 本文取Ql＝1，M＝0.5，Q＝1.5%進行仿真研究。 得到單周期諧振型SAW 傳感器件的幾何建模尺寸如表1 所示。

表1 幾何建模尺寸

其幾何建模及其邊界標識如圖4(a)所示，器件仿真需要對固體力學以及靜電部分進行設置，在固體設置中，壓電基底的坐標系選擇IEEE 標準給出的歐拉角(α，β，γ)變換后的旋轉坐標系，設置歐拉角(α，β，γ)為(0，pi/2，0)進行坐標變換，從而得到YX-Quartz 壓電晶體。 靜電中使用終端接口，在電極上施加電壓。

對于利用有限元分析法求解物理場問題，求得的解需要滿足模型邊界條件后才可以收斂，設置模型的邊界條件如表2 所示。

表2 模型的力學邊界與電學邊界條件

網格剖分的單元大小決定了器件仿真結果的準確性。 因此，根據聲表面波器件的特點，在晶體表面剖分較為密集的網格，對基底進行反向等差數列剖分，得到的網格結果表明在器件下表面網格最為疏松，在上表面網格最為密集，剖分結果如圖4(b)所示。

圖4 仿真建模

在研究內容中，選擇特征頻率分析，設置研究的基準頻率為433 MHz，得到聲表面波器件的正反諧振模態，分別為fr＝433.2 MHz，far＝433.33 MHz 的兩個特征頻率，由波速v＝[(fr＋far)×λ]/2 ＝3 160 m/s可知，仿真結果聲表面波波速與理論符合，器件的振態位移分布如圖5(a)、5(b)所示。

圖5 器件模態

對SAW 器件進行頻域分析，獲得器件的頻率響應特性，結合參數化掃描方法，對器件電極相對膜厚進行分析，電極相對膜厚設置掃描范圍在[0.01，0.02]之間，步進為0.001，同時仿真對頻域掃描，范圍設置在[433，434]MHz 之間，仿真得到結果如圖6(a)所示。 從圖6(a)可知，鋁電極相對膜厚設置為1.5%時具有最大導納值，即在器件諧振時，具有最小阻抗值，此時器件的損耗最小，為最優電極相對膜厚。 對電極相對膜厚為1.5%，金屬化比0.5 的單周期SAW 傳感器件單獨進行頻域計算，得到更加精確的導納值與中心頻率，結果如圖6(b)所示。

圖6 器件導納圖

由圖6 (b) 可知， 仿真得到諧振頻率為433.84 MHz 的SAW 傳感器件，綜上有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 所示的等效電路參數表。

表3 等效電路模型參數

由此，經過有限元方法對器件參數的仿真優化設計，分析得到器件最優電極膜厚，成功提取出器件的等效電路參數。

2 實驗研究

2.1 器件性能測試

在理論的指導下，采用標準光刻工藝制備傳感器件。 其制備流程如圖7 所示，實驗器件制作選擇YX-Quartz 晶片作為壓電基底，整個器件制作在超凈室內進行，首先對晶片進行清洗(a)，在(a)的晶片上均勻涂覆光刻膠(b)，在對涂覆光刻膠的表面進行曝光顯影，對顯影后的晶片表面進行刻蝕(c)，(d)中利用濺射臺對光刻后的器件表面進行沉積金屬，本文中使用金屬鋁，金屬濺射厚度為仿真研究中得到的最佳膜厚值，(e)中剝離剩余的光刻膠，此時晶體表面留下與光刻板完全相同的金屬電極圖案，(f)為最終制作結果。

圖7 器件制備流程

器件叉指換能器采用均勻指結構，電極相對膜厚為1.5%，器件設計參數如表4 所示。

表4 器件設計參數

使用安捷倫E5061 網絡分析儀對研制芯片進行的工作頻率以及品質因子的測試，測試方法為將器件連接至網絡分析儀中，使用S11端口，測量器件的導納，測試結果如圖8 所示。

圖8 測試Q 值結果圖

從圖8 中可知，器件工作頻率在436.56 MHz，品質因子Q值高達9 000。 測試結果與仿真結果較接近。 測試品質因子相對于上述有限元方法分析的結果偏小，主要原因是在有限元分析中，使用了周期性邊界條件，即假設叉指對數為無限個，這與實際器件設計過程中不一致，因此會導致實際器件測量的品質因子相對于理論值較低。

結合GDW－250B 高低溫箱對傳感器件進行測溫測試，測試溫度范圍為－20 ℃～120 ℃，測試溫度間隔設置為10 ℃，并且為了得到較為準確的特定溫度下的諧振頻率值，記錄20 次測試頻率，使用其平均值作為當下溫度所對應的諧振頻率。 具體測試方法為將傳感器件放置于高低溫箱內部，通過引線外接網絡分析儀，測試對應溫度下傳感器件頻率響應，獲得溫度－頻率的關聯信息，對經過20 次平均后的數據進行最小二乘法擬合，計算研制的諧振型SAW溫度傳感器件的靈敏度、線性度等，其記錄數據如表5 所示。 將頻率作為因變量、溫度作為自變量，擬合結果如圖9 所示。

表5 器件頻率隨溫度變化數據

圖9 擬合結果

由圖9 可以看出SAW 溫度傳感器件的線性度計算結果為5.506 9×10－5%，靈敏度計算結果為9.009 kHz/℃，溫度系數TCF 為20.631 5×10－6/K。擬合得到的曲線方程為F＝0.009 009T＋436.231 1。

2.2 無源無線測溫測試

無源無線測溫測試系統包括聲表面波溫度傳感器、無線射頻讀取器、天線、溫度監控上位機、高低溫箱等部分。 實際測試如圖10 所示，其中聲表面波溫度傳感器件外接天線放置在高低溫箱中，天線的實際諧振頻率與芯片的諧振頻率保持一致。 無線射頻讀取器的設計主要包含對射頻信號的發射與接受鏈路、信號采集及處理電路以及串口通信幾部分。 讀取器控制單刀雙擲射頻開關實現對信號的發射與接受的切換。 讀取器發射間歇正弦波激勵信號，無線射頻信號經過天線發射出去，高低溫箱中的SAW 器件與無線信號發生共振，并返回攜帶溫度信息的回波信號，讀取器對回波信號進行放大、混頻、濾波以及AD 轉換，數據流通過RS485 通信傳至PC 端，在PC 端對信號進行處理分析，可利用自相關法去除回波信號中的有色噪聲，從而提取出有效信號。 結合之前擬合數據的方法，分析得到器件當前周圍的溫度信息，將采集到的溫度信息顯示在無源無線在線監測上位機系統中，從而實現對器件的無源無線在線測溫監測。

圖10 實驗測試環境

為了驗證器件的可靠性與準確性，選擇12 個SAW 溫度傳感器件進行無源無線測溫測試，將其均放入高低溫箱中，每隔一段時間改變高低溫箱的加熱溫度，最終得到上位機中對應12 個傳感器件的溫度實時響應測試曲線圖如圖11 所示。

上位機系統采集各個傳感器節點的溫度數據，如表6 所示。

由圖11 可知，在傳感器測量過程中，各個傳感器節點曲線變化規律保持一致，有個別曲線，由于信號的強弱關系，可能導致接受信號出現錯誤而無法準確測量溫度。 從表6 可知，多個傳感節點測溫誤差小于±2 ℃。

表6 測試數據

圖11 針對12 個SAW 無源無線溫度傳感器件的實測曲線

2.3 實驗結果討論

從上述實驗結果可有，相對單個器件測溫，多個傳感節點測溫精度有所降低，多個傳感節點測溫在低溫時具有較小的測溫誤差，在高溫時誤差較大。其原因如下:

①工藝誤差:考慮工藝上對晶體的切割，器件制作過程中的環境等因素的影響，器件的性能之間存在一定的差別。

②系統誤差:模擬信號轉變為數字信號的過程中存在量化誤差。

③測試環境:多個傳感節點測試時，高低溫箱內的熱場分布不均勻，器件導熱性能之間存在相應地差異，由此影響器件響應時間以及測溫精度。

④SAW 傳感器件頻率與溫度之間存在如下關系:

式中:ΔT＝T－T0，其中T為當前環境溫度，T0為參考溫度，f0為參考頻率，fr為器件諧振頻率，TCF1，TCF2，TCF3分別為一階、二階、三階頻率溫度系數，從式(5)可以看出，在溫度范圍變化較小時，可以忽略高階項，器件具有較好的線性度，但是隨著溫度范圍增大，將不能忽略高階項的影響。

⑤隨著溫度的升高，天線受到熱膨脹效應，尺寸也會發生相應的變化，天線性能降低，電學性質發生變化，電路可能出現失配，對射頻信號的接收以及發射造成一定的影響，由此帶來測量誤差。

綜上:為實現較高的測溫精度，在保證器件工藝一致性的情況下，優化系統整體設計結構，同時在寬溫度范圍內進行測溫時，需要考慮SAW 器件測溫的高階效應。 天線設計上，可以選擇對溫度不太敏感的材料以此來減小溫度變化對天線性能的影響。

3 總結

本文使用有限元分析軟件 COMSOL Multiphysics 對聲表面波器件仿真的過程進行詳細敘述，得到器件的模態、導納等信息，分析得到金屬化比為0.5，最優化電極相對膜厚1.5%下的等效電路模型參數，為器件實際制作提供理論指導。 利用標準光刻工藝制備出諧振頻率為436.56 MHz 的單端對諧振型SAW 溫度傳感器件，并且搭建無源無線測溫系統進行測試，實驗結果表明，器件具有良好的線性度與靈敏度，其無源無線測溫誤差小于±2 ℃。顯然，基于SAW 的無源無線溫度傳感器具有很好的實用價值與應用前景。