（电路与系统专业论文）433mhz+saw标签的优化设计、制作与分析.pdf

摘要 摘要 基于声表面波( s a w ，s u r f a c ea c o u s t i cw a v e ) 技术的远距离无线射频识别 ( 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 ) 是一种新型的射频识别技术。它以声表 面波器件为核心，克服了在金属物体、液体、高温、强电磁干扰环境中传统的以 集成电路( i n t e g r a t ec i r c u i t ，i c ) 芯片为核心的r f i d 设备不能正常工作等问题， 并且具有无源，识别距离远，能识别高速运动的物体等特点。 本论文主要围绕“新型声表面波射频识别及无线传输系统的研究”等项目展 开研究。在延迟线型声表面波工作原理的基础上，对远距离声表面波射频识别的 标签进行了优化设计、制作与分析。 论文的主要内容包括： 1 、介绍了声表面波在各向同性媒质、各向异性媒质中的传播特性，并对声 表面波器件的关键部件叉指换能器的结构和工作原理进行了分析。 2 、分析研究了声表面波用压电材料的特性，对不同基底材料不同切向的声 表面波器件进行了仿真。 3 设计并制作了工作于4 3 3 m h z 频率上的s a w 标签，给出了反射条的宽 度、反射条的排布等参数及其设计依据。 4 、声表面波标签天线小型化的设计是减小声表面波标签的尺寸的关键。本 文通过将印刷偶极子臂弯折变型，设计了一款工作于4 3 3 m h z 频率上的小型化偶 极子天线，经过a d s 软件对该天线建模与仿真，验证了这款小型化天线完全满 足声表面波射频识别的需要。 关键词：声表面波、压电材料、射频识别、小型化天线 a b s t r a c t a bs t r a c t s a w - i u 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 nb a s e do ns u r f a c ea c o u s t i cw a v e ) i s an e wt y p eo fp a s s i v er f i d s a wd e v i c ei st h ec o r eo fs a w r f i d ，w h i c hc a n o v e r c o m et h ep r o b l e mt h a tt h er f i dd e v i c ew i t ht r a d i t i o n a li c ( i c ，i n t e g r a t ec i r c u i t ) c h i p s c a nn o tw o r kw i t hm e t a l o b j e c t s ，l i q u i d s ，h i g ht e m p e r a t u r e s ，s t r o n g e l e c t r o m a g n e t i c s a w - r f i dc a ni d e n t i f yh i g h s p e e dm o v e m e n to fo b j e c t sw i t ha l o n gr a n g i nt h i sp a p e r ，t h em a i nf o c u so n “t h en e ws u r f a c ea c o u s t i cw a v er a d i of r e q u e n c y i d e n t i f i c a t i o na n dw i r e l e s st r a n s m i s s i o ns y s t e mr e s e a r c ”p r o j e c t s w ed e s i g na p a s s i v e s a w r f i ds y s t e mw i t ht h ep r i n c i p l eo f d e l a yl i n es a w t h em a i nc o n t e n t sa r el i s t e da sf o l l o w s ： 1 i n t r o d u c et h ep r o p a g a t i o nc h a r a c t e r i s t i c so fs a wi ni s o t r o p i cm e d i u ma n d a n i s o t r o p i cm e d i u m ，a n da n a l y s et h es t r u c t u r ea n dw o r k i n gp r i n c i p l eo fi n t e r d i g i t a l t r a n s d u c e rw h i c hi st h ek e yc o m p o n e n t so fs a w 2 a n a l y s i so ft h es e l e c t i o no fs a wp i e z o e l e c t r i cm a t e r i a l ，a n ds i m u l a t et h e d i f f e r e n ts u r f a c ea c o u s t i cw a v ed e v i c ew i t hd i f f e r e n ts u b s t r a t em a t e r i a l s 3 ak i n do fs a w t a gi sd e v e l o p e d t h ec e n t e rf r e q u e n c yo f t h et a gi ss e l e c t e da s 4 3 3 m h z t h ed e s i g no fr e f l e c t i v es a w t a gi sd i s c u s s e d t h eb a s i cs t r u c t u r eo f s u c ha t a gc o n c e r n i n gt h ea r r a n g e m e n ta n dw i d t ho ft h er e f l e c t o r sh a sb e e ne x p l a i n e d 4 t h em i n i m i z a t i o no ft h ea n t e n n ao ft h es a w r f i di st h ek e yw o r kt or e d u c e t h ed i m e n s i o no ft h es a w t a gi nt h i sp a p e r ，t h r o u g hm e a n d e r i n gt h ed i p o l eo ft h e a n t e n n a , w eh a v ed e s i g n e dam i n i a t u r ed i p o l ea n t e n n aw o r ki nt h ef r e q u e n c yo f 4 3 3 m h z a f t e rm o d e l i n ga n de m u l a t o rt h ea n t e n n ao fa d ss o f t w a r e ，w ev a l i d a t e d t h a tt h i sn e wk i n do f m i n i a t u r ea n t e n n am a y a b s o l u t e l yf i tt h eu s e o fs a w r f i d k e yw o r d s ：s a w ，p i e z o e l e c t r i cm a t e r i a l 、r f i d ，m i n i a t u r ea n t e n n a i i 第一章绪论 第一章绪论 1 1 射频识别系统的组成 射频识别技术( 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 ，r f i d ) 是2 0 世纪9 0 年代开始兴 起的一种自动识别技术，其基本原理是利用射频信号的空间耦合( 电感或电磁耦 合) 或反射的传输特性，实现对被识别物体的自动识别n 1 。r f i d 技术的基础主要 是大规模集成电路技术，计算机软硬件技术，数据库技术以及无线电技术。 射频识别系统最基本的由两个部分组成，即电子标签和阅读器，如图1 1 所 不。 电子标签又称为应答器、射频标签、数据载体，电子标签附着在待识别的物 品上，是射频识别系统真正的数据载体。一般情况下，电子标签由标签专用芯片 和标签天线组成。依据电子标签供电方式的不同，可以分为无源标签( p a s s i v et a g ) 两种和有源标签( a c t i v et a g ) 。 阅读器用于当附着有电子标签的待识别物品通过其读出范围内时，自动以无 接触的方式将电子标签中的约定识别信息取出，从而实现自动收集物品标识信息 或自动识别物品的功能瞳1 。 标签 ： 一 + 1 一- 。 电脑 阅读器和电子标签之间的耦合类型有两种： ( 1 ) 电感耦合，通过空间高频交变磁场实现耦合，依据的是电磁感应定律， 如图1 2 所示。 鞠一 4 3 3 m h zs a w 标签的优化设计、制作与分析 图l 一2 电感耦合型的r f i d 阅读器 ( 2 ) 电磁反向散射耦合：发射出去的电磁波碰到目标后反射，同时携带回目 标信息，如图1 3 所示。 图1 - 3 电磁反向散射耦合型的r f i d 阅读器 和收音机原理一样，射频标签和阅读器也要调制到相同的频率才能工作叫。 l f , h f , u h f 就对应着不同频率的射频。l f 代表低频射频，在12 5 k h z 左右，h f 代 表高频射频，在1 3 5 4 m h z 左右，u h f 代表超高频射频，在8 5 0 至9 1 0 m h z 范围之 内，还有2 4 g 的微波阅读器。 1 2 射频识别技术的研究现状及发展 r f i d 并不是一个崭新的技术。从分类上看13 5 6 m h z 以下的r f i d 技术已相 对成熟，目前业界最关注的是位于中高频段的r f i d 技术，特别是8 6 0 m h z - - - , 9 6 0 m h z ( u h f 频段) 的远距离r f i d 技术发展最快；而2 4 5 g h z 和5 8 g h z 频段由 于产品拥挤，易受干扰，技术相对复杂，其相关的研究和应用仍处于探索阶段。 r f i d 在国外的发展较早也较快，在美国、日本、瑞典、德国、英国、瑞士、 法国目前都有成熟且先进的r f i d 系统h 1 。 其中，高频远距离r f i d 系统主要集中在9 1 5 m h z 、2 4 5 g h z 、5 8 g h z ，低频 第一章绪论 近距离r f i d 系统主要集中在1 2 5 k h z 、1 3 5 6 m h z ；在欧洲有源2 4 5 g h z 系统得到 了较多的应用，在北美9 1 5 m h z 、2 4 5 g h z 、5 8 g h z 得到了较多的应用。5 8 g h z 系统在日本和欧洲均有较为成熟的有源r f i d 系统。 1 3 声表面波射频识别技术的特点及应用前景 s a w - r f i d 是应用现代电子学、半导体平面工艺技术、声学和信号处理技术 及雷达的新成就，它以声表面波器件为核心，克服了传统以集成电路( i n t e g r a t e c i r c u i t ，i c ) 芯片为核心的射频识别设备在金属物体，液体、高温、强电磁干扰 环境中不能正常工作等问题，并且具有无源，识别距离远，能识别高速运动的物 体等特点，是一种新型非接触自动识别技术。 声表面波器件近几十年来发展十分迅速，现已经成功地研制出声表面波带通 滤波器、延迟线、振荡器和表面波卷积器等声表面波器件。究其原因，与声表面 波技术的一些特点是分不开的凸1 ： 第一，声表面波具有极低的传播速度和极短的波长，声表面波器件的尺寸也 是和信号的声波波长相比拟的。因此，声表面波器件的尺寸要比相应的电磁波器 件的尺寸小很多，能实现器件的超小型化。 第二，由于声表面波沿固体表面传播，速度也很慢，这使得时变信号可以在 瞬时呈现在晶体基片表面上。这样当信号在器件的输入和输出端之间进行时，就 容易对信号进行取样和变换。 第三，由于声表面波器件是在单晶材料上用半导体平面工艺制作的，所以它 具有很好的一致性和重复性，便于大量生产。而且对某些材料声表面波器件具有 极高的温度稳定性。 第四，声表面波器件的抗辐射能力强，动态范围很大。 s a w 电子标签技术应用领域非常广泛，包括公共交通、跟踪体育竞赛、路 桥收费、物流管理、门禁控制、超市防盗和收费、防伪、航空行李分拣、设备 和资产管理、邮包跟踪、工厂装配流水线控制等嫡引。 特别是，声表面波标签也有传感器功能，或与传感器结合，除完成身份识别 外，还可同时对压力、应力、扭曲、加速度和温度等参数进行测量，如铁路红外 轴温探测系统的热轴定位、轨道衡、超偏载检测系统、汽车轮胎压力等。 4 3 3 m h zs a w 标签的优化设计、制作与分析 目前声表面波标签已有实际应用，并开始进入市场推广应用阶段，由于真正 无源不需维护，且与现有i c 芯片标签性能互补，所以会有巨大的市场前景。 我国在研发s a w 第二代无芯r f i d 器件与国外公司处于同一水平。s a w 射 频识别系统一般由三部分构成，分别是声表面波标签、读卡器以及终端的数据信 息处理设备乜1 。其中，声表面波标签是s a w 射频识别系统的核心。声表面波标签 主要是由天线、压电基片、叉指换能器和反射器组成。 本文，将讨论叉指换能器的设计、压电基片的选取、反射器的设计和天线的 小型化设计。 4 第二章s a w 与s a w - r f i d 的基本原理 第二章s a w 与s a w - r f i d 的基本原理 2 1 声表面波的基本原理 2 1 1固体媒质中的瑞利波 固体媒质可以分为各向同性固体媒质与各向异性固体媒质。在各向同性固体 中传播的声波，根据质点振动的方向分为两大类，一类是质点振动平行于传播方 向的波称为纵波，一类是质点振动垂直于传播方向的波称为横波阻1 ( 有时也称为 切变波) ，两者的速度取决于材料的弹性模量和密度，如式( 2 1 ) 和( 2 2 ) 其中，为材料泊松比； e 为材料弹性模量； p 为材料密度。 ( 2 1 ) ( 2 2 ) 从上面两式中可看出，横波比纵波传播速度慢。当固体存在边界时，可出现 各种类型的表面波，如瑞利波、b g 波、拉姆波、乐甫波“们等。瑞利波是人们 认识最早研究最充分和应用最广的一种声表面波。瑞利波的质点位移仅有两个分 量，一个与固体表面垂直，另一个与波的传播方向平行，两个分量的相位差为 9 0 。，媒质质点的运动轨迹为一椭圆。质点位移的振幅随着离开表面距离的增大 而呈指数衰减，如图2 - 1 、2 2 所示。说明瑞利波的能量主要集中在媒质表面下 一到二个波长的范围内。这样声表面波较体波更易获得高声强。 一一一一一 鼯厮 | | i l ， j y y 4 3 3 m h zs a w 标签的优化设计、制作与分析 向 i o o 0 图2 1 瑞利波质点运动随深度的变化示意图 入 l _ 0一 一t 0 8一 相 一 横振动 x e , - j 0 6 i 搬 _ j 叛。 幅 o 4 o 2 弋少一5 镊一 一0 2 ( a ) 各同例性凼体 图2 2 各向同性固体中瑞利波的横纵分量随深度的变化 声表面波器件所使用的绝大多数都是压电材料，属于各向异性介质n 。在无 限大各向异性固体媒质中，一般来说，质点振动方向既不平行也不垂直于波的传 播方向，且质点振动有三个相互垂直的偏振方式，每个方向上有三种波n2 | ：第一 是“准纵波”，近似纵波，其偏振方向较接近与传播方向的波，准纵波最快；第 二“准横波”，近似横波，较接近垂直于传播方向的偏振。准横波中又分两种， 较慢的称为准慢横波，速度最快的一个称准快横波。这三种波的相速度方向与波 的能量方向不一致。产生“波速偏离”现象。只有在某些特定的方向上，才能得 到纯横波与纯纵波，这些方向称之为纯波方向。 此外声表面波在各向异性介质中传播时，能量、相速度、传播速度也不同方 向，只在某些特定的方向上两者才同向，在表面波的纯模方向上才同向。表面波 纯模方向的确定方法和体波纯模方向确定方法一样，可以根据倒速度面法线与矢 径一致的方向就是波的纯模方向，由材料的倒速度面来决定。所不同的是，声表 6 第二章s a w 与s a w - r f i d 的基本原理 面波具有不止一个质点位移分量，因此只有与表面波质点位移分量对应的体声波 的方向才是声表面波的纯模方向。 各向异性晶体中，瑞利波具有以下特点：第一是相速度与频率无关，其速度 比同一方向上的体波速度要慢；第二是瑞利波的相速度依赖于传播方向，并且能 量传播方向和波矢方向不一致，只有在纯模方向上两者才同向；第三是质点位移 随深度衰减呈现阻尼振荡形式，如图2 3 所示。 相对振幅- 。 八j l 乏试： 长) 一 图2 - 3 各向异性固体中，瑞利波的纵振动与横振动分量随深度的变化 2 1 2 瑞利波波动方程组 由于基体具有压电性，声表面波传播时还伴有四个场分量电场，这四个场分 量电场是：电势伊和振动的三个空间分量f 。，孝：，f ，。四个场分量都满足波动方程， 各个场分量振动随着深度x ，的变化都有各自的衰减系数8 = 1 ，2 ，3 ，4 ) 。第口个 部分波的振动为n 门，见如下表达式： 等= 群e x p jc u ( f l 。x 3 + 工。一y f ) y ( 2 3 ) 妒a ：管e x p 竺( 。毛+ 毛一y f ) 】 v 其中，i = 1 ，2 ，3 。 为了满足波动方程组，各场量的振幅之间的比例耳= 筲筲，( k 1 ，2 ，3 ) 以及衰减系数口由波动方程确定，瑞利波应是四种部分波的线性组合： 每= 萎4 c 口邵e x p o v ) ( f l 。x 3 + x a - v t ) ( 2 4 ) 4 3 3 m h zs a w 标签的优化设计、制作与分析 由边界条件决定速度v 和各部分波系数巴之间的比例n 3 | ，瑞利波解总是满 足波动方程的。边界条件有电学边界条件和力学边界条件，电学边界条件取决于 表面电条件：如果表面上有一层接地的金属薄膜，则电学边界条件为表面上电势 够为零；如是自由表面，则在表面上自由电荷仃为零：力学边界条件是表面上法 向应力为零。这样一个电学边界条件和三个力学的边界条件，可以列出四个方程。 y = q p 表示某个弹性张量元。在瑞利波速度的计算过程中也可以等效地 引入一个弹性当量c 。： c 矿= p v 2 ( 2 5 ) 整个速度计算过程中找到弹性当量、满足边界条件和波动方程的g 值，然 后利用上式得到相应的速度。根据式( 2 5 ) ，可以得知表面波材料的速度和密度 之间存在如下关系： yo c , n p ( 2 6 ) 2 2 声表面波远距离射频识别的基本原理 利用s a w - r f i d 实现识别标签始于2 0 世纪8 0 年代末，声表面波器件最初用 于传感器技术中。随着r f i d 技术的快速发展与r f i d 发展过程中遇到的技术难 题，近些年才将延迟线型的声表面波传感器技术的融入到r f i d 技术中，对s a w r e i d 的研究已成为近些年射频识别领域的研究热点之一。 由于s a w 器件本纯无源、抗电磁干扰能力强，因此利用s a w 技术实现的识 别标签具有特殊的优势，是对i c 标签射频识别的补充，s a wr f i d 已被广泛认 定为第二代r f i d 技术。但s a wr e i d 的发展也受到相关学科的制约，它的发展 还处在起步阶段，国外研究的不多，国内更是少见。 由于s a w 标签上没有任何半导体器件，因此能够在高温差( 1 0 0 摄氏度至 5 0 0 摄氏度) 、强电磁辐射环境下使用，它也能够直接在金属上j 液体中读取。 s a w 射频识别系统一般由三部分构成，如图2 4 所示，分别是无源的声表 面波电子标签、读卡器以及终端的数据信息处理设备制。 读卡器主要由射频电路、时钟控制电路、数据接口电路及功能指示电路组成。 读卡器研制的关键在于遵循一定的协议下设计与s a w 电子标签的指标相匹配的 第二章s a w 与s a w - r f i d 的基本原理 电路及基于反碰撞算法多标签读取电路的实现。 询问脉冲 + 一回波脉冲 h 习 图2 4 声表面波射频识别系统 声表面波标签是以声表面波器件为核心，s a w 标签传感器主要是由压电基片、 叉指换能器、反射器和传感器天线组成，电子标签的天线与叉指换能器的总线相 连接。反射栅和叉指换能器是按照平面电极结构制作的方法制作在压电基片上 的。为此，通常用l i n b 0 。或者l i t a 0 。作基片，声表面波标签的基本构成如图2 5 所示。 图2 5s a w 标签的基本结构不慈图 声表面波( s a w ) 射频识别( s a w - r f i d ) 技术以声表面波( s a w ) 器件为核心。 在声表面波标签的主要部分，信号是以声表面波的形式出现的5 1 。由于声表面波 不涉及运动的载流子，速度和波长都远远小于相同频率的其它r f 信号( 小十万 倍) ，因而声表面波标签具备了真正的无源、耐高温、抗电磁干扰、识别运动物 体以及工作在液体，金属表面上的特点，克服了传统的i c 芯片射频识别设备不 能在强电磁干扰环境和金属物体上工作等问题，特别适用于路标识别，车辆不停 4 3 3 1 v i t t zs a w 标签的优化设计、制作与分析 车收费识别，列车准确停靠控制以及铁路车辆车号识别等系统。目前由于受声表 面波( s a w ) 射频识别( s a w r f i d ) 标签尺寸太大，成本太高等的限制，声表面 波( s a w ) 射频识别( s a w - r f i d ) 标签还不能应用于小物品的识别上。因此，如 何降低声表面波( s a w ) 射频识别( s a w r f i d ) 标签成本，减小声表面波( s a w ) 射频识别( s a w - r f i d ) 标签的尺寸，对声表面波( s a w ) 射频识别( s a w - r f i d ) 天线小型化等问题引起研究者的高度关注。 s a w 射频识别系统一般由三部分构成，分别是声表面波标签、读卡器以及终 端的数据信息处理设备n 引。其中，声表面波标签是s a w 射频识别系统的核心。声 表面波标签主要是由天线、压电基片、叉指换能器和反射器组成。 本文，将讨论叉指换能器的设计、压电基片的选取、反射器的设计和天线的 小型化设计。 1 0 第三章叉指换能器与耦合波方程 第三章叉指换能器与耦合波方程 声表面波的激发和检测是通过叉指换能器来完成的n 制。叉指换能器( i d t ) 是由沉积在压电基片表面上形如指叉状的金属图案，它的作用是实现声一电换 能，是各种s a w 器件重要组成部分。 3 1 叉指换能器的基本结构 叉指换能器的基本结构如图3 1 所示，相互交叉的金属条，俗称“指”，又 称指条或电极n7 1 。指条的宽度称为指宽a ，相邻两根指条的间隔称为指间b ，两条 指与两个间隔组成一对指。而声表面波的一个波长入正好等于一对指的宽度，即： 入= 2 a + 2 b 一力卜 r 叫b 叫a 卜 图3 - 1 叉指换能器的基本结构 如图3 1 所示，w 称为指长，代表相邻两指重叠的部分长度，只有在两指重 叠的范围内才能产生声表面波，所以指长决定了s a w 的波束宽度，所以也称为 声孔径。声孔径决定了s a w 波束的宽度，只有在声孔径的长度范围内才能产生 s a w ，用波长来衡量，即声孔径为多少个波长。d 是两条金属条，称为汇流条， 实际是电信号的引出电极。叉指换能器拥有的指条数记做n 。叉指换能器的周期 4 3 3 m h zs a w 标签的优化设计、制作与分析 长度记做l ，指对数记做n 。通常情况下，a = b ，所以我们可以很容易得到： a = b = 2 4 = v r 4 f ；带宽与指对数的关系有：舻f = 1 n ：在每个周期内每根汇 流条上只有二个指条的叉指换能器称为单又指换能器。 3 2 叉指换能器的工作原理 图3 2 表示了叉指换能器的换能原理，基片左端的输入换能器，在施加了电 信号后，由于晶体的逆压电效应，输入电信号转变成了s a w 信号；此信号沿晶体 基片表面传播，最终由基片上另一端的输出换能器将声信号转变成输出电信号输 出。在上述过程中声表面波器件利用声一电换能器的特性对在晶体压电基片上传 播的声信号进行各种处理。 图3 - 2 叉指换能器声电转换原理 为了解释叉指换能器的工作原理n 引，可以从换能器的剖面观察，再结合压电 晶体的基本性质来考虑。如图3 3 所示： 图3 - 3 叉指换能器激发声表面波过程及波形图 1 2 第三章叉指换能器与耦合波方程 当电极上加的电场如图( a ) 所示时，物体因逆压电效应产生形变，这时的 物体如图中( b ) 所示受到压缩；当电极上的电场方向改变为图中( c ) 所示的方 向时( 所加电场方向与图中( a ) 正相反) ，物体就被拉伸( 图中( d ) ) 。外加 电场是由加在电极上的电压产生的，如果所加电压是交变电压，物体表面就产生 压缩拉伸压缩交替形变，再考虑到电场有垂直分量，物体质点实际上是 沿椭圆轨迹振动的，因此产生向两侧传播的声表面波。图( e ) 表示物体表面某 一点受力大小及方向与时间的关系。图( f ) 所示为j i - d h 电信号的波形。 所以当外加信号的频率正好满足式f = v 2 a 的时候，这一频率就叫做叉指换能 器的中心频率。当然，其它频率的j t - d h 信号也可以激发声表面波，但是振幅会发 生衰减，也可以由叉指换能器的输出函数模型来描述n 6 。： 相邻叉指换能器指条对激发的声表面波相位差为： 口= 缈f = 兰 ( 3 1 ) 2 匕 在( 3 1 ) 式中，y 为声表面波的传播速度，( 0 为声表面波的角频率，为叉 指指条的周期。全部叉指指条对输出的矢量和构成整个叉指换能器的总输出，具 体表达如下公式： e = 岛p 归叮1 - e 脚+ e j 2 加一( 一1 ) 卜1 9 j ( n - 1 ) 醐 ( 3 2 ) 即有 si n ( 护a c o ) m ，+ 石生) ef - neo _ e 儿缈。 ( 3 3 ) 万业 w 7 其中，l 为叉指电极的周期，n 为叉指换能器的周期段数目，= 孕称为 声同步频率。说明叉指换能器的频响特性是一个辛格函数，除中心频率外都存在 衰减，如图3 - 4 所示。 4 3 3 m h zs a w 标签的优化设计、制作与分析 下h 卫健固 f ，j 心肌| | 图3 4 义指换能器的幅频特性 3 3 叉指换能器基本特性 甜 o j o 一、指宽及指间隔决定了每个叉指换能器的中心频率，满足关系 a = b = 兄4 = v r 4 f ，又指换能器的最高工作频率只受工艺上能获得的最小电极宽度 的限制。 二、叉指换能器的几何形状直接反映激发出的声表面波的脉冲响应。输出是 频率的函数，并呈s i n c 函数的规律变换，中心频率为工作频率，工作在中心频率 时信号强度最大。 三、叉指换能器的频带宽度取决于叉指对数，两者互为倒数关系。 四、叉指对数越多，指长越长，激发的声表面波就越强。 波在压电介质中传播，由弹性波方程和电磁波方程描述，而且两个方程通 过如式( 3 4 ) 所示的压电方程互相耦合： t 【= c 翕s 削一e 坷e 女 ( 3 4a ) d f = e 谢s 盯+ 占请se 女 ( 3 4b ) 式中，为应力分量，c 州e 为电场b 恒定时的弹性刚度常数，s “为应变，e 。 为电场强度，e 谢为压电常数，占：为机械介电常数。因为声波在通常的压电介质 中的传播速度比电磁波慢五个数量级，所以其中的压电耦合场可以当作准静态来 处理，而这时的麦克斯韦方程可简化为： o o i ：0( 3 5 ) 舐f e 二：一盟 ( 3 6 ) 次： 1 4 第三章叉指换能器与耦合波方程 式中，d ，是电位移矢量分量，为电势。压电材料是绝缘体，不存在自由电荷。 介质的运动方程变为： 要一p 警= 。 7 ， 式中，p 是密度，“，是位移分量。而应变分量可定义为： 驴三c 等+ 鲁， 8 ， 将式( 2 4 ) 和( 3 8 ) 代入式( 3 7 ) ，然后代入式( 3 5 ) 和式( 3 6 ) 中，得 到压电材料系统的关于电势和三个位移分量的波方程： 一p 峨器嘞若= 。 e 谢器吒s 瓦a 2 = 。 对于压电介质，还要满足电学边界条件。 正3 = 0 ( 3 1 0 ) 代入压电方程( 3 4 ) ，有： c 删警+ e k 3 j 学：o ( 3 11 ) d 兜，o 叼， 两个电学边界条件，当x ， 0 时，电势必须满足_ l a p l a c e 方程： v 2 莎= 0( 3 1 2 ) 同时在界面上电势是连续的，并且当毛一o d 时，电势为零。在界面上电位移矢 量的法向分量连续，即： f 墼1 t 里：竺 ( 3 1 3 ) p 3 盯- = 巳一占3 ii 上= 一s o = j 一 ( ) 蹴，蹴嗷1 方稗( 3 9 ) 和( 3 1 3 ) 就是压电介质中的耦合波方辉。 4 3 3 m h zs a w 标签的优化设计、制作与分析 第四章压电基片的选取与反射栅的设计 对于声表面波器件，选用合适的基底材料可以获得更好的长期稳定性，能使 器件承受更大的机械载荷，更高的温度，可决定了器件的应用范围，从而改善声 表面波器件的特性。在设计声表面波器件时，总是希望基底的能量损耗低、频率 稳定性高、器件的转换效率高，但是上述往往是矛盾的。因而在设计时，基片的 选择必须根据器件的性能，采用适当的措施对基片材料的某些缺点进行补偿。 压电单晶具有可靠性高、重复性好、温度特性好、s a w 传播插入损耗小的特 点，适合于制作高频s a w 器件，常用的有：铌酸锂( l i n b 0 3 ) 、铌酸钾( k n b 0 3 ) 、 石英( s i 0 2 ) 、钽酸锂( l i t a 0 3 ) 、锗酸铋( b i l 2 g e 0 2 0 ) 等。 4 1 压电晶体的切割 压电晶体的压电特性是通过介电常数、弹性常数和机电耦合系数等压电参数 来反映的。由于压电晶体的各向异性，这些常数都是张量，分别有多个分量，在 不同的方向性能也不同，即使同一压电晶体的不同切割方位的晶片其压电常数、 介电常数、弹性常数等物理常数的矩阵也是不同的n 9 。 4 1 1 压电晶体的切割原则及切型 晶体的切型是指对晶体坐标轴某种取向的切割。由于晶体的各向异性，用压 电晶体制作压电元件时，应根据压电元件的要求选择合适的切型，切割成为所需 要的具有确定方位的晶片。因此，用压电晶体做压电元件时，不是随便从晶体上 切下一块晶片，就可以做成所需要的元件，而是要根据压电晶体的压电常数，以 及对压电元件性能的设计要求，并经过反复实验后，才能找到较合适的方向进行 切割。 切割符号的规定：x 、y 、z 代表晶体的三个坐标轴，l 、w 、t 代表晶片的长 度、宽度、厚度。例如：x y 切割表示晶体的厚度与x 轴平行，长度与y 轴平行 ( 即第一个字母代表厚度方向，第二个字母代表长度方向) 。又如：x z 切割表示 1 6 第四章压电基片的选取与反射栅的设计 晶体的厚度与x 轴平行，长度与z 轴平行。也有把x y 切割和x z 切割简称为x 切 割。如图4 1 所示。 a x y - 切割 c y z - 切割 b x z - 切割 d y x - 切割 图4 1 晶片切割示意图 晶片二次旋转切割：如y z w 一5 0 0 切割，表示厚度方向平行于y 轴，长轴平行 于z 轴，并绕宽度沿顺时针方向旋转5 0 0 ，即即第一个字母代表厚度方向，第二 个字母代表长度方向，第三个字母代表转轴方向，- 5 0 0 代表沿顺时针方向旋转 5 0 。，如图4 2 ( a ) ：x y t + 4 5 0 切割，表示厚度方向平行于x 轴，长轴平行于z 轴， 4 3 3 m h zs a w 标签的优化设计、制作与分析 并绕厚度沿逆时针方向旋转4 5 。，有时简称这种切割为4 5 。x 切割，如图4 2 ( b ) ； y z l t 4 0 。5 0 。切割，表示厚度方向平行于y 轴，长轴平行于z 轴，并绕长度沿逆 时针方向旋转4 0 0 ，再绕厚度沿逆时针方向旋转5 0 。，如图4 3 。 a y z w 一5 0 。切割 图4 - 2 晶片一次旋转切割示意图 x z l t + 4 0 。5 0 0 切割 图4 3 晶片二次旋转切割示意图 4 1 2 坐标系与晶体坐标系的关系 晶片在晶体中的最终位置都是按不同顺序绕x ，y ，z 轴旋转以后得到的，不同 切型的晶片坐标系与晶体坐标系之间的关系可以用坐标变换矩阵来确定。若晶体 坐标系为0 - x y z ，绕x 轴旋转q 角后新坐标系为0 一x yz 。，新坐标与旧坐标的关 系如下 其中 第四章压电基片的选取与反射栅的设计 1o 0c o s 口 0一s i n a q = 阵 o c o s 口 一s 1 n 口 2 c 工 为坐标变换矩阵， 同理可得绕y 旋转0 角的坐标变换矩阵为 绕z 旋转y 角的坐标变换矩阵为 c z “n 0 i i c o s f l _ j c o s7s i n7 。 一s i nyc o s7 0o ( 4 1 ) ( 4 2 ) ( 4 3 ) ( 4 4 ) 所以，选定晶片的长、宽、厚作为晶片的坐标轴x ，y ，z 轴，则晶片坐标系与 晶体坐标系的一般关系为 其中，变换矩 乘积。 4 2 压电基片 = c 引 ( 4 5 ) 阵c 等于晶片绕x ，y ，z 轴旋转的先后顺序e 、c y 、c z 的 的选取 x y z 。l，1，j 口 口 o n 珞 u o j x少z 1j 口 口 o 汛 吣 s c 厶 8 o n ，i 、 ，工 c s 一 一 1_ o o 1 x 少 z 。，l 4 3 3 m h zs a w 标签的优化设计、制作与分析 我们研制的气体传感器选用基底为最常用的石英和铌酸锂晶体。本节对这两 种晶体进行简单介绍，并列出这两种材料不同切割情况下影响声表面波传播的各 性能参数如材料的弹性矩阵c 、压电耦合矩阵e 、介电常数e 、密度p 等。 石英是设计压电器件中最常用的材料，生长石英晶体的技术已经很成熟，价 格合理、质量高，而且已经有文献报道了石英足够精确的各项材料常数，这使得 本文能够精确地模拟器件的特性。 c 】= 2 0 3 0 5 3 0 7 50 0 9oo 0 5 32 0 3o 7 50 0 900 o 7 50 7 52 4 5000 o 0 90 0 900 600 0 0 000 60 9 oooo0 0 90 7 5 1 0 1 1 ( n m 2 ) e _ | _ 2 5 2 5 o3 7o3 7 i ( c m 2 ) 0 10 11 3ooo i8 5 o0i k 】= lo 8 50 i l0 0 2 9 j 铌酸锂( l i n b 0 3 ) 是一种多功能晶体材料，用于s a w 器件、光学器件和微波 传感器等器件中。铌酸锂也已商品化，精度合理的各项材料常数也已有报道。铌 酸锂有几种切割如y 切z 传( 亦即y z - l i n b 0 。) ，1 2 8 y xl i n b 0 。广泛应用于传感 器中。d a - f n几种常用切割的铌酸锂晶体的性能参数：p ：4 6 0 0k g m 3 x y l i n b 0 3 c - 2 0 30 5 3o 7 5o 0 9o0 o 5 32 0 3o 7 50 0 900 0 7 50 7 52 4 5000 0 0 9一o 0 90o 600 00000 60 9 000oo 0 90 7 5 2 0 1 0 1 1 ( n m 2 ) ( c m 2 ) 乙o o 一 ”o oo 0o 0 o o 3o 撕眈 5 0 2 一。彩吆 = m 第四章压电基片的选取与反射栅的设计 k 】_ 4 40 0 04 40l 00 2 9 j y x 一1 2 8 。l i n b 0 3 c = 2 0 30 70 5 8o 1 300 0 71 9 40 9 10 0 90o 0 5 8o 7 52 4 50 0 8 600 0 1 3 0 0 90 0 8 60 7 5 800 o00o 0 5 6 9 0 0 5 0 0000 0 50 7 8 1 _ 0 e 】- i 一1 8 5 1 6 9 2 l - 阱陪 lo y z l i n b 0 3 c = 0 3 8 7 5 7 2 7 0 一7 2 7 3 4 6 5 j 2 4 50 7 5o 7 500o 0 7 52 0 30 5 3o 0 90 0 90 0 7 5o 5 32 0 30 0 90 0 90 o00 0 00 0 9 00 0 90 0 90 6 00 6 00 oo o 00 0 5o 6 0 l1 3 0 20 2000 e 】_ l oo o 一2 5 o3 7l ( c m 2 ) l0 2 52 503 70 1 0 ( n m 2 ) ( c m 2 ) 1 0 1 1 ( n m 2 ) 2 900 l 】= 1 04 40 00 4 4 2 1 一 捞o 0 c ； 钙0 0 禾 0 n m钳2o 州勉 ，i 24 ，o 斛朋 禾2 4 3 3 m h zs a w 标签的优化设计、制作与分析 如图4 - 4 所示，利用对称性，只需模拟器件对称的一半，从而节省计算机运 算时间如。在此模型中，忽略叉指厚度和质量。采用的压电基体尺寸为：高8 0 um ， 宽8 01 2m ，长2 0 0i tm ；两对叉指材料为铝，长7 0um ，宽l oum ，叉指间相距l oum ， 输入叉指对和输出叉指对最近距离为4 0l am 。如图4 - 5 所示，采用人工划分网格的 方法，以提高网格质量的精度，节点数1 4 2 9 个，网格单元5 5 6 5 个，自由度为3 7 4 0 0 。 x z 图4 4 声表面波延迟线有限元几何模型 图4 - 5 有限元分析中的网格划分 在输入叉指换能器上输入正弦电压的频率为1 0 0 m h z ： 形= s i n ( 2 n 厂f ) ，f = i o o m h z 则，压电基底为不同晶体及相同晶体不同切向时输出叉指上的电压，如图 4 - 6 所示： a ) 压电基底材料为石英晶体b ) 压电基底材料为y z l i n b 0 。 一ihii_二=二川川=_一ho一三三w 一00订一0二打一o=二三三o订 一 图5 - 1s a w - r f i d 系统原理图 s a w 标签是以s a w 器件为核心，它的基本构成如图5 2 所示乜3 | 。 2 7 4 3 3 m h zs a w 标签的优化设计、制作与分析 幽5 2s a w 标签的基本结构 如图5 2 ，在声表面波标签的主要部分，信号都是以s a w 的形式出现的。 由于声表面波不涉及载流子的运动，速度和波长都远远小于相同频率的射频信 号，s a w 标签具备了不受电磁干扰、耐高温、无源、可以工作在金属，液体表 面上的特点。此外，由于器件的尺寸是与波长相比拟的，因而标签天线的尺寸远 远的小于天线尺寸，要减小标签的尺寸的实质就是要对天线进行小型化。 声表面波射频识别( s a w r f i d ) 标签天线设计主要考虑的有：天线物理尺寸、 工作频率、工作带宽、阻抗匹配、增益等。受标签天线尺寸的限制，一般类型的 天线如反射面天线，喇叭天线，螺旋天线等都不适用于设计成声表面波射频识别 ( s a w - r f i d ) 标签天线。工c 卡标签中应用的线圈天线，也不适宜应用于声表面 波射频识别( s a w - r f i d ) 标签上幢2 删。 考虑到天线的应用及成本，根据试验要求选择的介质材料为介电常数为4 5 ， 厚度1 6 毫米，损耗角的正切t a nd e l t = o 0 1 8 的软质p v c 板。天线的轮廓采用 铝贴片，其厚度为0 0 1 8 毫米。基于偶极子天线与微带天线理论制成的印刷偶极 子天线瞳屯2 引，结构见图5 - 3 ：该印刷偶极子天线由微带巴伦线和偶极子天线两部 分组成。图的下部分为一带接地板的微带巴伦线，具有四分之一波长晗引； 2 8 第五章声表面波标签天线的设计 弭白隰纛麟蒸麟9 1 麟鬻隰黼黼 吹 1 徽微 、 带带 通孑 i ，3 ，巴 田b ： 一 伦伦 线 管 线一 p 瀚翔黼 l “ ， 图