（微电子学与固体电子学专业论文）适用高频saw射频标签的谐振器与天线设计.pdf

摘要 声表面波射频标签( s a w - r f i d ) 应用很广泛，在现代的电子学、声学、半导体微 电子工艺技术和雷达信号处理技术等一些新成就和新领域当中都已应用，声表面波射频 标签已是现在社会自动识别技术领域和息存储传输技术领域的重要器件。在众多的射频 识别系统中，与集成电路o c ) 的r f i d 识别相比，利用声表面波( s a w ) 技术有很多自己 独特的优势。利用声表面波( s a w ) 技术的主要优点有很强的抗电磁f 扰能力，并且町使 用在会属和液体产品上；具有抗高温、抗辐射等独特优点，可以使声表面波射频标签应 用在食品或药品等需要高能量x 射线或伽马射线杀菌产品上；因为s a w 射频标签是无 源器件，所以不使用任何外界的电源，而且同时对阅读器的辐射功率要求低，s a w 射 频标签所需的阅读器辐射功率仅仅是传统i c 标签的1 1 0 0 ；并且具有识别和传感的双重 功能等优势。 本文内容包括s a w - r f i d 标签的发展历程，标签的组成和工作原理，制作了应用于 声表面波射频标签的i d t z n o 金属层金刚石多层膜结构单端口谐振器。声表面波谐 振器有比较窄的带宽，高q 值和低插入损耗，因此以声表面波谐振器为核心的标签有噪 声小，插入损耗小的优点。采用半导体参数仪对单端口谐振器的静态电容和端口电阻两 个物理量进行了测量，分别为5 0 1 9 1 4 p f 和4 8 7 q ，根据测试物理量和匹配值为5 0 f l 的 天线进行匹配，并且设计了弯折偶极子天线，并与传统天线进行了对比，其增益和有效带 宽都明显增高。在t h e t a = 3 度时，弯折偶极子天线的增益要比传统的天线增益0 0 2 9 增大 了6 6 倍，s a w - r f i d 标签识别距离比直接用偶极子天线的距离提高1 0 倍以上。 关键词：s a w 偶极子天线匹配网络谐振器r f i d a b s t r a c t s a w - r f i di s w i d e l yu s e d i nm o d e me l e c t r o n i c s 、a c o u s t i c s 、s e m i c o n d u c t o r m i c r o e l e c t r o n i c st e c h n o l o g ya n dr a d a rs i g n a l p r o c e s s i n gt e c h n o l o g y , a n d i ti sa l s oa n i m p o r t a n tc o m p o n e n to fa u t o m a t i cr e c o g n i z i n gt e c h n o l o g ya n di n f o r m a t i o ns a v i n ga n d t r a n s f e r r i n gt e c h n o l o g y s a w - r f l dh a sm a n ya d v a n t a g e st h a nt r a d i t i o n a lr f i dw h i c h m a i n l yf a b r i c a t e db yi c t h et e c h n o l o g yo fs a wh a ss t r o n gi m m u n i t yt oe l e c t r o m a g n e t i c i n t e r f e r e n c e 、h i g ht e m p e r a t u r e 、r a d i a t i o n ，i tc a nb eu s e di nt h em e t a l 、l i q u i dp r o d u c t s 、f o o d o rm e d i c i n ea n da n yo t h e rp r o d u c t sw h i c hn e e dh i g h e n e r g yx - r a yo rg a m m a r a yt oe l i m i n a t e b a c t e r i a s a 、- r f i dt a gi sp a s s i v ec o m p o n e n t s ，a n dw i t h o u tu s i n ga n ye x t e r n a lp o w e r , s oi t r e q u i r e sal o w e rr e a d e rr a d i a t e dp o w e rw h i c hi so n l yo n ep e r c e n to fc o n v e n t i o n a li ct a g s s a w - r f i dt a ga l s oh a st h ed u a lf u n c t i o no ft h er e c o g n i t i o na n d s e n s i n g t h e d e v e l o p m e n tp r o c e s sa n dw o r k i n gp r i n c i p l eo fs a w - r f i dt a gw e r ei n t r o d u c e di nt h i s p a p e r , a n dt h ei d t z n o m e t a l d i a m o n dm u l t i l a y e r ss t r u c t u r er e s o n a t o ro fs a w 二r f i dw a s f a b r i c a t e d s a wr e s o n a t o r sh a v en a r r o wb a n d w i d t h 、h i g hqa n dl o wi n s e r t i o nl o s s ，s ot h et a g s f a b r i c a t e db ys a wr e s o n a t o r sa l s oh a v es u c h a d v a n t a g e s s t a t i cc a p a c i t a n c e sa n dp o r t r e s i s t a n c eo fo n e - p o r tr e s o n a t o rw e r e m e a s u r e d b ys e m i c o n d u c t o rd e v i c ea n a l y z e r , w h i c ha r e a b o u t5 0 1914 p fa n d4 8 7q r e s p e c t i v e l y b a s e do nt h em a t c h i n gr e s u l t sb e t w e e nt h e r e s o n a t o ra n dt h ea n t e n n aw i t ht h ei n p u tr e s i s t o ro f5 0 q ，an o v e ld i p o l ea n t e n n ai sd e s i g n e d w h i c hh a sm a k ea ni m p r o v e m e n ti nt h e g a i na n de f f e c t i v eb a n d w i d t hc o m p a r e dw i t ht h e c o n v e n t i o n a la n t e n n a w i t h 6 = 3 0 ，t h em a x i m u mg a i ni s0 19 2w h i c hi s6 6t i m e sa sm u c ha s t h ec o n v e n t i o n a la n t e n n ag a i n t h e r e f o r e ，t h et a gi d e n t i f i c a t i o nd i s t a n c eo ft h en o v e ld i p o l e a n t e n n ai sa b o u tn i n et i m e sl a r g e rt h a nt h a to ft r a d i t i o n a ld i p o l ea n t e n n a k e yw o r d s ：s a w , d i p o l ea n t e n n a , m a t c h i n gn e t w o r k ，r e s o n a t o r , r f i d 第一章绪论 1 1 射频识别技术的发展历程 第一章绪论 射频识别技术( r f i d ，r a d i of r e q u e n c yi d e n t i f i c a t i o n ) 是现在新型的一种识别技术， 是根据雷达技术的原理发展起来的，其射频识别的原理和雷达原理相似，都是通过无线 电磁波进行非接触式的双向数据的通信与交换，进而在接收端可获取相关的需要数据， 实现射频识别目标。r f i d 技术是一种新兴技术，其聚集了众多学科，例如把微波电磁 学技术、密码学技术以及无线通信原理等等一些相关技术知识进行了交叉，进而实现了 r f i d 技术。由各种各样的学科交叉而来的r f i d 技术的应用领域非常广泛，例如在 一些高速公路不停车收费系统中，以及铁路物流链运输控制管理系统，还有在工业自动 化监控等领域都有所应用2 1 。在不同的应用领域，r f i d 系统采用不同的频率，来实现 射频识别，因此r f i d 系统按照工作频段可分为低频1 3 5 k h z 以下频段、高频为1 3 5 6 m h z 频段、超高频为在8 6 0 9 3 0 m h z 之间频段，微波即为2 4 g h z 以上的频段。一般r f i d 系统由三个部分组成的：射频标签( t a g ) ：它包括耦合元件与芯片两部分，标签都各自 携带这不同的电子编码，且每个编码都是唯一的，以便可以识别所附着的物体。标签阅 读器( r e a d e r ) - 用于读取( 或是输入) 和标签之f n j 传递的信息，最常见的有手持式和 目标对象式两个形式。天线( a n t e n n a ) ：分为阅读器天线和标签天线，均是用于为标签 和阅读器之i 日j 传递射频信号。 射频识别技术( r f i d ) 在二战期间诞生，之后慢慢逐渐发展起来1 3 1 。在1 9 4 8 年时， 当时对雷达技术的改进和应用，进而促进了射频识别技术的产生，从那时丌始奠定了射 频识别技术的基本理论基础川。之后在1 9 5 0 年至1 9 6 0 年期i 日j ，早期的一些射频识别 技术是刚刚处于一些探索阶段，主要是处于实验科研研究巧1 。到了六十年代开始，射 频识别技术的理论4 开始有了一些发展，不在局限与实验研究，已展丌了一些应用的尝 试吣1 。直到七十年代射频识别技术丌始真币进入一个比较快的发展时期，各种射频识 别技术都在加速的发展，出现了一些最早的射频谚 别技术的应用，例如在军事当中的一 些简单识别应用7 母1 。从八十年代以后射频识别技术丌始进入商业应用发展阶段，各种 各样规模的射频识别技术应用开始陆续的在市场或是建设中出现，如收费站等等0 1 。 r f i d 的广泛应用也引起了零售、物流等相关产业性的变革，其应用促进了商业 的发展，但r f i d 技术还存在一些缺陷，其技术上和成本上一些问题不能使其更为广泛 的应用，因此技术和成本问题的逐步改进丌始得到广泛的关注，例如如何来提高r f i d 标签天线频带宽度，怎样去降低标签的成本，怎样使标签适合各种环境或噪声的影响， 成为现在r f i d 技术研究的重点对象，使r f i d 技术可以广泛向着大众化的应用方向逐 渐的进行优化。 声表面波的射频识别( s a w r f i d ) 技术是以声表面波器件为核心，一种新兴 第一章绪论 的识别技术，相对于集成电路( i c ) 标签其有很多独特的优势，国外早已丌始研究探索， 并在一些场所进行应用了。利用声表面波( s a w ) 技术的优点很多，例如它具有很强的抗 电磁干扰能力，并且可在会属和液体产品上使用；还具有抗高温、抗辐射等独特优点， 根据表面波射频标签的诸多优点，因此它可以应用在需要高能量x 射线或伽马射线杀 菌产品上，如食品或药品等等；而且s a w 射频标签属于是无源器件，所以不需要使 用任何外界的电源，而且同时对阅读器的辐射功率要求很低，s a w 射频标签所需的阅 读器辐射功率仪仪是传统i c 标签的1 1 0 0 ；并且其有识别和传感的双重功能等优势。 r f i d 标签一般分为有源标签和无源标签两种，有源标签即在接受或发出信 号时，需要有一个内部电源功率进行驱动，而无源标签内部不需要任何电源的驱 动，因此无源标签结构简单，比较便宜，得到广泛的应用，声表面波标签就是无 源标签的一种。一些公司已制出读取范围为2 0 m 的声表面波标签，例如美国r f s a w 公司列。声表面波标签的独特优点，在金属或液体上都可应用，耐高温，温度 一般可达一1 0 0 3 0 0 范围都能使用，其还有强抗电磁电磁干的能力，并且选取多层 膜结构的标签比较容易达到5 0 q 的端口阻抗，因此可以比较好的与标签内嵌小天线进 行匹配川1 。 s a w 标签是利用声表面波与电磁波的转换的原理，在标签的单端口谐振器的压电 材料上制作反射栅极对，用于处理反射信号，反射栅极对是带有特定的编码信息，因此 反射的信号也带有一定的编码信息，把这些信息发射出去，再经过电磁转换，把这些带 有编码信息的信号以电磁波形式发送出去。s a w 标签的制作是微电子加工技术，此技 术是比较先进的，因为有较少的步骤在工过程中，仅进行一次光刻刻蚀技术，精确度很 低，而且制造成本低，可靠性高，设计灵活，采用合适的压电材料所制作出的标签尺寸 是很小的。因此声表面波标签在一些通信技术，声学领域得到了广泛的应用4 1 。 1 2 射频识别技术的研究现况 1 2 1s a w 标签技术国外研究情况 德围是s a w 标签技术的应用起步较早的困家，德国的西门子( s i e m e n s ) 公司在1 9 9 4 年研制了一款s a w 标签，标签没计的频率为2 4 4 g h z ，且为3 3 位幅度编码调制，识别的 距离可达1 3 m ，4 组声波轨道设置在了i d t 两端。此标签应用于德国慕尼黑火车站火车进 站定位系统”，其标签安置在铁路的两侧，在铁路管理中心安装工作电压为2 4 v 标签 阅读器，当火车进站时，标签就自动发出信号传给标签阅读器，阅读器将信号传输给电 脑，进而有效的控制火车进出站。0 1 s w 型号的s a w 标签是德圜的b a u m e ri d e n tg m b h 公司研制出的，此标签在三菱汽车澳大利亚分公司已应用，在挪威奥斯陆汽车过桥自动 收费系统也应用了此标签缸，三菱汽车公司应用在车辆的生产过程，用于跟踪定位 每一台生产的车辆。这些标签的工作频率为2 4 4 g h z 以上。其公司是在s a w 标签反射栅 上进行了改进，反射删使用双声波通道用于补偿反射当中的寄生反射，其反射删采用了 脉冲位置编码方式，这样就可以有效的补偿译码过程中的温漂带来的各种参数变化。以 第一章绪论 上所描述的声表面波技术都是早些年的发展和应用，存在这很多缺陷，例如标签成本较 高且尺寸较大、不能有效降低插入损耗，损耗较高，而且强烈的寄生效应也没有得到有 效的解决，所以一直没有广泛应用。 全球s a w 标签( g l o b a ls a wt a g ，g s t ) 是美国的r fs a w 公司c l i n t o ns h a r t m a n 等人在2 0 0 4 年研制出的，其标签符合e p c 标准引。标签的天线采用的是电小天线，此 款天线内含成本比较低的：芯片，而且天线的尺寸较小，可以满足标签小型化的要求，标 签的反射栅部分也采用的是脉冲脉冲位置编码，其编码数量也是比较高为2 5 6 位，这样 射频识别的精度很高，此标签具有的制作成本还比较低，数据1 字储容量大、插入损耗小 等诸多优点，因此在s a w 标签技术上有了一个很大的突破。美国国家宇航局在太空站就 采用了此s a w r f i d 技术，用于太空中在国际太空站中追踪昂贵或是重要的部件 ， 因为此标签具有很强的抗干扰能力，适合会属或液体等各种环境中。而且各个行业也丌 始采用美国r fs a w 公司生产的此s a w r f i d 技术眨。在2 0 0 4 年r fs a w 公司制定了 s a w 标签标准草案，并提交给e p cg l o b a l ，有力推动了s a w r f i d 技术进一步的 发展2 1 - 2 2 1 。 近年来，s a w 电子标签技术的研发设计在各大公司都已兴起，如澳大利亚的 c a f i n t h i a nt e c hr e a s e a r c h ( c t r ) 公司，韩 s a m s u n g ( 三星) 公司和美 m i c r o d e s i g n 公司2 3 。2 5 1 。d c m a l o c h a 和w c w i l s o n 两位i e e e 会员及其学生等人对标签反射栅编码 部分进行了新的研究，提出了正交频率编码技术眩2 7 】，此标签的最大优点是大大降低 了插入损耗。a n d r e a ss t d z e r 和他的学生在s a w 标签系统中应用了频率步进连续波和非 线性频率调制连续波查询信号，有效地解决了阅读距离、采样频率和识别准确度之间矛 盾关系2 8 2 9 l 。 1 2 2s a w 标签技术国内研究情况 s a w 标签技术在国内起步比较晚，自2 0 0 0 年以后，国内一些大学彳丌始陆续的研 究，如上海交通大学、清华大学等等，丌始对s a w 技术方面陆续发表文章 m 3 2 1 。主要 是关于s a w 标签编码部分，还有接收机，以及查洵单元，数据处理等方面的研究。2 0 0 3 年丌始南京电子器件研究所的王玉林等人对4 3 4 m h z 和9 1 5 m h z 频段的s a w 标签进行的 研究，其标签的码容量远远大于1 0 0 0 ，有效识别距离可达0 5 5 m1 3 0 1 。但数据容量不够， 很难实现商品化。上海交通大学韩韬、施文康教授等人采用l i n b 0 3 做压电基片，在压 电基片上制作叉指和反射栅，标签天线则采用微带天线，其在性能上有所提高。他们采 用丌关键控o o k 、移相键控编码p s k 、脉冲位置编码等三种编码方式进行了对比，引入 频率步进原理，并进行了三次反射分析，可以降低插损 。本论主要对s a w 标签的多 层膜单端口谐振器制作和标签天线设计方面展丌工作。 1 3 本文主要研究内容与目的 我国对s a w 标签的研究正处于初级阶段，一些研究也是仅仅在国外的基础上一些小 小改进，并没有大的突破，例如标签的数掘存储量、标签小型化问题、以及反射寄生反 第一章绪论 射问题还没有大的突破。在以往的基于声表面波技术的r f i d 器件中，基片材料往 往采用压电单晶或者压电陶瓷材料，由于这些材料自身的低机电耦合系数和低声 速特点很难制备满足现代自动识别和信息传输系统所需求的高频率、大带宽的要 求。基于以上考虑，本文主要是对标签单端口谐振器的制作和标签天线的设计。单端口 谐振器的制作好坏直接影响着标签的数据存储量，本文采用的是i d t z n o a l 会刚石多 层膜结构的标签谐振器，可以有效的提高标签的数据存储量，并分析了反射寄生问题。 标签天线部分设计了弯折偶极子天线，并与传统大线埘比，这两款天线在性能和应用方 面都有很大的优势，而且可实现标签小型化。研究中具体的工作如下： 第一章首先介绍了下r f i d 系统的一些研究背景及其情况，并阐述了现在国内外对 s a w 技术的研究进展。 第二章主要是介绍了s a w 标签的整体工作原理，及标签的各个组成部分的理论， 叉指换能器、反射栅、标签天线等一些基本理论介绍。 第三章是标签的i d t z n o a i 金刚石多层膜结构谐振器的设计制作，实际制作了 s a w 多层膜结构谐振器的金刚石和z n o 、a i 薄膜，并进行了x r d 测试其薄膜的晶体取 向。 第四章分析了s a w 多层膜结构谐振器的阻抗特性，以及对谐振器的阻抗特性进行了 实际测试，即其测试结果的分析。 第五章主要是标签的天线的设计，本文设计了一款适合s a w 标签的弯折偶极子天 线，利用弯折减小电长度的原理，使天线尺寸大大减小，天线设计的中心谐振频率 f o = 1 2 g h z ，通过仿真得到的回波损耗为s 1 1 = 2 4 3 7 l d b ，输入阻抗进行5 0 q ，完全可以 和谐振器进行良好的匹配，符合s a w 标签天线设计要求。 第六章是对全文进行总结，和对s a w 标签技术的未来发展的展望。 第二章s a wr f i d 标签的i ：作原理 第二章s a wr fi d 标签的工作原理 2 1 声表面波原理的概述 2 1 1 声表面波的发展 声表面波技术( s u r f a c ea c o u s t i cw a v e ) 是一门新型的技术，是在2 0 世纪6 0 年代末 刚刚发展起来的，它结合了光学、声学、电子学是- - f - j 综合型的学科日”。声表面波就 是沿压电基片材料表面传播的弹性波，材料的基片厚度如果增加的话，弹性波的幅度便 随之减小。 英国的物理学家瑞利( l o r dr a y l e i g h ) 在1 9 8 5 年发现的声表面波，是根据地震的原 理，表明了同性物体间是如同地震传播一样同样可以传递机械波，声表面波就是这个原 理，他在压电晶体表进行传递机械波，瑞利通过这个原理还发表了文章“沿弹性体平滑 表面传播的波 ，这位声表面波的发展初步奠定了理论基础 3 3 4 l 。乐浦( l 0 v e ) 在1 9 1 1 年的时候，发现弹性体表面存在着质点位移，即在半无限厚的弹性体表面有较慢声速的 介质层，存在有质点位移形成的表面横波( s h 波) ”，这便为乐浦波。利用l i n b 0 3 单晶 体传播弹性波首次是在1 9 4 9 年贝尔实验室发现的，但在1 9 6 4 年才申请二号利，专利为激发 弹性表面波平面结构换能器方面乃争3 6 1 。随后的一年怀特( w l l i t e ) 等人也发表了相关的论 文“一种新型表面波声电换能器一叉指换能器”，论文在物理杂志上发表后，声表 面波技术也随即发展起来，并有了突破性进展3 。 2 1 2 声表面波器件的发展 由声表面波的发展，声表面波器件也随之发展起末，例如s a w 滤波器，s a w 延迟 器和振荡器等等，器件种类繁多并应用到各个领域当中3 引。s a w 的速度低，又能储存 信息，还可以采用集成电路柬制造声表面波器件，鉴于上诉优点，s a w 器件的发展优 势很强大，它不仅利用了微波、压电学原理，而且还结合了电子学、微电子学等各个学 科，制作出的s a w 器件尺寸小，功能多，而且频率很高，处理信号功能简单，因此在 军事、通信、交通、商业中得到广泛的应用u 蛐。 随着s a w 器件的逐步发展，其研究方向越来越向优化方向发展，高频率、高性能 的器件为一个主要研究方向4 0 1 。许多公司都丌始研究各种各样s a w 器件，如同本的 富士通公司研制的滤波器，在9 0 年代是就研制出了8 0 0 m h z 和1 5 g h z 两种，插入损耗 和通带波纹都很小，分别为3 5 d b 和l d b 一下h 。而f i 本无线电公司研制的滤波器， 其频率为8 7 8 m h z ，但损耗尽为1 6 d b ，此外还研制出中心频率为9 0 0 m h z 、1 5 g h z 、 1 9 g h z ，插入损耗小于3 d b 的三种滤波器，而且三种滤波器频率响应基本相同2 部1 。 但是国内的起步较晚，在这些报道时，国内的1 g h z 以上的器件还没有报道过舶1 。 第二章s a wr f i d 标签的i ：作原理 声表面波器件采用压电材料作为谐振器的基底，再在压电材料上镀上会属薄膜，用 于制作压电基片上的叉指换能器( i d t ) 和反射栅，或者是制作两个叉指换能器，叉指换能 器( i d t ) 的结构如图2 1 所示，它的作用是实现声与电的转换。 图2 - 1 叉指换能器( i d t ) 的结构 f i g 2 - 1i d to fs t r u c t u r e m 为叉指换能器的叉指周期、a 为指条宽度、d 为指条间隔、n 为指条对数、w 为 声孔径。器换能器工作原理是，电信号经过输入换能器便转变成了声信号，转换后的信 号就会在换能器的基片表面传播，之后反射栅( 输出换能器) 对传播来的信号进行处理 并返回给输入端，最终将信号传送出去。 2 2s a w 标签原理 s a w 标签是在s a w 传感器的基础上发展起来的，采用射频方式进行非接触双向通 信，以达到射频识别的目的。声表面波射频识别系统构成如图2 2 所示。声表面波射频 识别系统采用的是反向散射耦合机理，读写器可视为一小型雷达系统h 7 4 舳。声表面波 射频无源标签( 应答器) 由三部分组成单端口谐振器，声波反射栅( 反射栅由多个 按编码排列的反射条组成) ，和谐振器连接的小天线( 标签天线) 。其工作原理是当 读写器发出的射频询问脉冲信号被应答器的天线所接收，标签天线再把脉冲信号传输给 与天线直接相连的s a w 单端口谐振器，其将接受到的电脉冲转换为在压电品片( 或压电 多层膜) 上传播的声表面波脉冲，标签上的反射栅是呈编码形式的，因此经过它的信， 就会带有了特定的编码信息了，则冉由谐振器转换的脉冲信号也有编码信息了，信号有 标签天线传给阅读器，经过阅读器的进一步处理，输入计算机就町以师兄标签的功能， 即射频识别。 第_ 二章s a wr f i d 标签的i ：作原理 塑ta麓燕夕ga n c e n n a “l 卉s 。 a c e a 盏：u “ 协，ep u i s e s 、巍尺e f i e c t o r s 图2 2s a w 器件原理 f i g 2 - 2s a w o fd e v i c ep r i n c i p l e s a w 标签的优点的优点很多，在性能方面优越于传统i c 标签。s a w 标签的工作频 率一般为射频频段，s a w 标签是无源标签，抗干扰能力很强，与传统的i c 标签相比在技 术是有很多独特的优势踟。s a w 标签的主要特点有： 1 ) 射频识别距离要远很多，一般可以达到数米甚至足数十米； 2 ) 标签可以在i c 标签无法实现的环境当中应用，例如在金属或液体产品当中； 3 ) 标签很容易与标签天线进行匹配，而且匹配效果良好； 4 ) 标签内部不需集成电路，仅仅是谐振器，因此制作工艺简单，而且成本低，适 合市场化的需求； 5 ) 高速运转的物体也可以识别，突破了传统i c 仅限于静止物体识别的局限，而且 s a w 识别系统能识别速度可达3 0 0 千米4 , 时以上； 6 ) s a w 射频识别系统在强电磁干扰时，或者是在温差极大的情况下( 1 0 0 。c 3 0 0 ) 都可以进行币常的使用。 下面介绍下标签各个组成部分的原理。 2 2 1s a w 标签i d t 的工作原理 声表面波的叉指换能器( i d t ) 是电极交错相互连接的两端器件，形状如人手交叉 状的结构，当i d t 两端被加有交变电压加时，交变电场便会在i d t 基片内产生。由压电 晶体制作的基片，其基片将会受交变电场的压电效应影响，便有相应的波动在压电晶体 中产生，此形成的波动为弹性波。由于叉指电极的极性f 负交替且是按周期排列，所以 又电极激发柬的弹性波因为会相互叠加，所以会逐步而加强的，此原理就是叉指激发声 表面波传播的原理。 由i d t 所激发产生的是瑞利型声表面波，因为有两个质点位移分量的便是瑞利声表 面波，且两个相位分量相差为n 2 ，恰恰和换能器产生的交变电场和激发的质点位移相 位分量都是一样的，都是相差h i 2 ，各个位移都是相吻合的。 叉指换能器的电极条数长度是相等的，有( n + 1 ) 条，如图2 3 所示。如果假设叉指 换能器中，每对叉指电极都会激发一个平面波，每个平面波都足等幅证弦响应，且假设 在i d t 中传播没有信号能力的衰减，由于电极都是按周期进行排列的，所以声表面波相 位差被相邻的叉指电极对所激发值为： 丝k w = w = 9 第一二章s a wr f i d 标签的l ：作原理 i d t 的周期为l ，传播速率v 。，( o 为i d t 的角频率。全部电极输出能量加起来就是i d t 总的输出能力为。 e = 即m 6 一p 弘护+ p 脚口一( - l 广p m - 1 ) 叫 ( 2 2 ) 式中，所激发起的振幅用e o 表示，它是每一对f 负交替的i d t 电极对所激发的，在式 ( 2 2 ) 中，当相邻叉指电极对之间的相位筹a 0 = o l 2 v 。= 7 c ，即o = 2 x v dl 时，式( 2 2 ) 中如果把括号内每一项都+ 1 的话这样叉指换能器总输出能晕就会改变，变成： e t 一笺e 二 ( 2 3 ) 式中的n 代表着i d t 的电极对数，其声同步频率为o = 2 x v s l 。从式中显然看出激励声 波的波长与叉指电极周期l 是相同的，即九o = l o 。由上式的形式看出，当如果i d t 声同 步频率0 0 和外加的信号电压频率( o 时，即= o 或九= l 时，叉指换能器声波强度到达最大。 当如果外加信号电压的频率( o 和声同步频率( o o 不相等的时候，并且在f 0 0 附近非常接近 o ，令= o + a c o ，相邻叉指电极对的相位差也随之改变，此时变为： 口：w f ：( w 0 + w ) t 丝2 ：刀+ 垒! 7 鬈场 把上式( 2 4 ) 代入( 2 2 ) 得 e t = n e o ( 2 _ 4 ) ( 2 5 ) 式中为i d t 的周期段的数目是n = n 2 。由上式i d t 的基本特性便可以总结出，具体如下： 1 i d t 的输出响应是频率响应函数，规律变化是呈s i n x x ( x = n n a o 0 0 ) 形状 如图2 3 中所示，这总的频率响应说明i d t 指长相等。 第二章s a wr f t d 标签的i ：作原理 。h v v v j 。八，。v n 一；一专。击斋n n 1 n n 图2 - 3 叉指换能器的频率响应 f i g 2 - 3t h ef r e q u e n c yr e s p o n s eo fi d t a 翻 q 当x = n n a c o c o o = o ，且p x c o = c o o = 0 时，s i n x x = 1 ，此时e t = n e o e j 眦，换能器的能量输 出最大，即响应已达到声同步状态，此时。当x = n 尢a c o c o o = 士兀，即n a c o c o o = 士1 时， s i n x x = 0 ，此时的输出e t o ，这是为i d t 频率响应的第一对零值点，其频率问隔表示为： 2 a w ：一2 ( 2 6 ) 一= 一 z nj w o 由上式可以看出，叉指换能器的周期段的数目n 越多，则指条数也要随之增加，第 一对零值点处，其频率间隔与频率响应的带宽是成反比的。 当x 3 z c 2 ，a c o ( o o 3 2 n 时，这是第一个旁瓣的峰值的位置，主瓣峰值要比其高 1 3 2 6 d b 。同理，当a o ) c o o = s z d 2 ，7 n 2 ，时，分别为叉指换能器的第二个、第三 个、旁瓣峰值，但幅度是呈依次衰减形式的。 2 叉指换能器的叉指电极周期段的数目n 与其所激发的声表面波的强度成f 比， 很容易说明，n 较大时，所激发的声波强度越强。 3 通过以上总结得出，换能器的频率响应呈一定舰律型，呈线性的。 由图中看出，换能器的结构参数来决定着义指换能器的特性，叉指电极排列周期l 和工作频率是相互成反比的，因此高的工作频率代表设计的周期l 越短；换能器叉指电 极条数决定着带宽，相互是成反比的，要设计换能器是较窄带宽是就要制作很多的电极 条数。通常来说压电晶体基片材料是各向都是异性的，这样来计算场效应方程是很复杂 困难的，所以为使问题求解简化些，经过一些研究和推导，叉指换能器的各种物理模型 在一定条件下被建立了起来，虽然这只是一些简化的物理模型，但确町以在一定范围或 程度上叉指换能器的一些基本性质能被正确的描述出来，而且完全可以满足一些工作或 工程上的需求，典型建立的模型有6 函数模型，等效电路模型，p 矩阵模型，耦合模( c o m ) 模型和脉冲响应模型1 4 9 1 0 叉指换能器是s a wr f i d 标签比较重要的部分，其作用是一 个声电转换器，激发和传播声表面波。标签系统的性能基本是由i d t 来决定的。 第二章s a wr f i d 标签的l ：作原理 2 2 2s a w 标签的反射栅 s a w 标签的反射栅是由多个反射体组成的，用以携带一些编码信息，用于射频识别， 反射栅一般为纵向排列，在一个声道中有多个反射体，其结构如图2 4 所示，标签反射 栅携带标签的编码信息，信号经过反射栅叮以将信号延迟一段时i h j 再传输出去，这样可 以使信号带有不同的编码信息，进而可以实现标签的识别功能。反射栅反射原理为：反 射栅极所放置的位置不同，反射声波的位置也就随之不同，从而传输给天线的信号问隔 在时i 日j 上便存在了差异，这便实现了带有编码信息的传递。如果把某段时间位置根据相 位不同进而再进一步划分，形成时问位置相位编码，即脉冲位置编码，脉冲位置编码仅 仅是编码中的一种。 啊 _ h h _ ll 嘲|一i_l| | | l 图2 - 4 脉冲位置编码的反射栅的排列 f i g 2 - 4t h ep u l s ep o s i t i o nc o d ef o rt h eb a rr e f l e c t i o nt oa r r a n g e m e n t 反射栅参数的函数一般决定这其反射特性，下面讨论下在设计反射栅时需要考虑的 一些参数的基本性质和理论计算。 1 标签反射栅的条数n 每- y u 栅阵的栅条数n 由下式来决定。 n = f o r 2 + 1 式中，t 代表的是声表面波器件总的延迟时i 日j 。 2 反射栅内栅槽的倾斜角度0 栅槽的倾角一般表示为： 0 = a r c t g ( v 2 k ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) v l 为入射方向的声速，v 2 则为反射方向的声速， 3 反射栅的栅条的排列和位置的分前i 方式 反射栅阵在排列的时候，高频一般为靠近换能器近端，因此足在自仃面，而低频是远 离换能器远端故在后，即栅槽的宽度先是窄的，向后排列时就依次变宽。其栅槽中心位 置x 。可表示为： j 0 = ( 矿：t 2 a 1 ) 1 一【l 一4 7 r ( l 一0 ( z ：t ) t 2 ( 2 9 ) 式中，f l 表示的是起始频率，且f l = f o + a f 2 ；v 代表的是基片的声速。 根据对s a w 标签的性能要求和标签谐振器的工艺条件来确定反射栅的反射系数和 第一二章s a wr f i d 标签的i ：作原理 反射器类型，反射栅的声阻抗的不连续率表示为a z z ，在反射栅的阻带中心频率上，忽 略栅格损耗时，则反射栅的反射系数的振幅可表示为： f = 砌( i z z 1 ) ( 2 1 0 ) s a w 基片上的的能量渗透深度是由反射栅的反射系数相位斜斜率所决定的，其能 量可以渗透的深度为： 0 = 2 1 4 l a z i z i ( 2 1 1 ) 标签谐振器上反射栅的q 值代表着各种损耗的函数。在标签设计的频率不高，且声 阻抗不连续率又比较小的时候，则q 值主要是由反射器对声波的散射和泄漏所确定，反 映其能量损失的辐射q 值可表示为： q = 2 l z 2 ( 1 一r 2 ) ( 2 1 2 ) 反射栅的有效腔体长度用l 表示，为满足s a w 标签谐振器o 值的要求，反射栅所需 的最小反射系数为： r 2 = 1 - z l q l , a z i z ( 2 1 3 ) 事实上，由于栅格内存在着一些损耗等原因，因此实际需求的条带数要多一些4 引。 上面简单的介绍了一下反射栅阵列一些相关的计算，反射栅阵列是s a w 标签比较重 要的部分，因为其携带着反射栅编码，可以是s a w 标签达到有效准确的识别功能，反射 栅编码和通信系统中的数字信号编码很类似，常见的反射栅的编码有开关键控编码 ( o o k ) ，脉冲位置编码，移相键控编码( p s k ) ，还有币交频率编码技术( o f c ) 等等，其中 j 下交频率编码是比较新的编码计算，现在大部分都采用此编码，脉冲位置编码是相对比 较成熟的技术，现在在研究和工程当中也在广泛的应用。 2 2 3s a w 标签的天线 s a w 标签接受和传输信息的途径只有通过天线进行传输，所以天线性能和 质量至关重要，标签使用的长短很大程度取决于标签天线，天线是标签的成本、 标签的有效通信距离，标签是否可靠度高，都依赖于天线的设计好坏。标签天线 在设计时需要考虑的因素很多，标签的频率多少主要是天线的频率，标签的尺寸 大小也取决于标签天线，因此标签天线要与谐振器良好的匹配，且天线增益要较 高。常见的天线类型有很多，如采用线圈形式，反射面天线等等，这些天线都是 适用于s a w 标签的天线5 伽。线圈形式的天线通常在i c 卡标签中采用居多，其 原理就是线圈之问的电磁耦合，通过这个原理来传输信号，它是工作频率比较小 的近场天线，一般适用于中频段，因此作用距离较近，一般只为一米以内，故声 表面波标签不采用此类型的天线5 。偶极子天线是远场天线，比线圈天线有很 多优势，偶极子天线主要工作原理是电磁波的反向散射，因此可以制作超高频甚 第二章s a wr f i d 标签的l ：作原理 至是微波波段的天线，所以标签克识别的距离也很远达lo m 以上。偶极予天线 属于微带线的一种，其优点具有剖面低、制造成本较低、重量轻、结构简单、且辐 射效率很高、容易实现各个频段工作等等，因此偶极予天线适用于声表面波标签天 线5 ”。 传统的偶极子天线是由偶极子天线臂、地板、微带巴伦线、馈线和通孔分为五个部 分来组成的。图2 5 为偶极子天线结构的平面图。根据微带天线理论，偶极予天线属于 是平衡天线，需要一个平衡式激励，然而但是微带天线和馈电的同轴电缆都是不平衡的， 因此要引入微带巴伦线，其作用就是提供一个不平衡平衡转换器5 弘5 4 1 2 3 本章小结 图2 - 5 偶极子天线的平面结构 f i g 2 - 5d i p o l ea n t e n n ao fs t r u c t u r e 本章主要介绍了一下声表面波器件的基本原理，和声表面波标签的基本组成和标签 基本原理。声表面波器件是在2 0 世纪6 0 年代术刚刚发展起来的，一门综合型的学科， 现在已广泛的应用到各个领域，如军事，商业，交通等等，而声表面波标签为声表面波 器件的一种，也在被广泛的应用，标签是由叉指换能器、反射栅、标签天线几部分组成。 本文依次介绍了叉指换能器、反射栅、标签天线几个部分的基本原理和一些特性计算。 其声表面波标签的工作原理是当标签的天线接受信号后，经叉指换能器将信号传输给反 射栅，反射栅是具有携带编码信息的，因此经反射栅再将信号传给叉指时，信号已经携 带有编码信息，再经天线被这些带有编码信息的信号发射出，这样就可以有效的进行标 签的射频识别。因此标签的每个组成部分都至关重要，每一部分都将影响着标签的性能 和质量，天线主要负责接受和传输信号，i d t 是起传导作用，而反射栅部分是实现标签 有效准确识别的关键所在。 i 一三一 | l 萱 第二章a i z n o a i 金刚彳i 多层膜制备 第三章a i z n o a i 金刚石多层膜制备 根据射频识别特性s a w 标签需要制作成低损耗，高q 值声表面波器件，因此声表面 波器件需要采刚的单端l j 谐振器 4 7 1 卢表面波标签的单端u 谐振器包括叉指换能器和 反射栅两个部分，谐振器是直接与天线相连，谐振器的制作好坏可直接影响着与天线的 匹配问题，进而影响着整个标签的射频识别性能。 目前常见s a w r f i d 的谐振器压电基底采用的是单晶体材料( l i n b 0 3 、z n o 、 l i z p 4 0 7 ) 制作而成，其射频标签的生产成本高、标签存储容量小、而且尺寸较大。例 如芬兰的s a n n ah i i n _ n i 使用1 2 8 0 y z l i n b 0 3 单晶体作为谐振器基片材料，制作出的标签 识别距离达至l j l m 以上，标签容量有所提高，但尺寸比较大，制作成本也比较高5 。本 文设计的新型s a w r f i d 其谐振器采用的是i d t z n o 金属层金刚石多层膜形式，其标签 的谐振器声速可达1 0 0 0 0 m s 以上，与以往采用压电单晶体结构的谐振器相比，可在电极 宽度相同的情况下，使得标签的中心频率提高2