房 賽，彭 斌，楊云濤，何 鵬，朱加良

(1.電子科技大學電子薄膜與集成器件國家重點實驗室，四川成都 610054；2.中國核動力研究設計院，四川成都 610213)

0 引言

聲表面波(surface acoustic wave，SAW)諧振器[1-2]是利用壓電材料制作的一類聲表面波器件，其諧振頻率和環(huán)境溫度、壓力、應變等物理參數(shù)相關[3-5]，通過檢測諧振頻率的變化即可實現(xiàn)對溫度、壓力和應變等參數(shù)的檢測?；赟AW諧振器[6]的傳感器具有無線測試、無需電源、耐輻照等技術優(yōu)勢，在實際的工程應用中，可以減少探測線纜的使用，進而在復雜環(huán)境中降低安全隱患；該種傳感器能夠在高溫、輻照等惡劣環(huán)境下正常工作。因此，SAW無線傳感技術作為一種新型的傳感技術具有研究價值，其在航空、航天、核動力等領域都有著廣泛的應用前景。

水平剪切聲表面波(shear horizontal surface acoustic wave，SH-SAW)[7-8]是聲表面波的一種，它與通常所說的聲表面波即瑞利波(Rayleigh)不同。瑞利波是質點垂直剪切運動與沿傳播方向的擠壓運動的疊加，而SH-SAW則只具有水平剪切運動，即質點的位移平行于襯底表面，垂直于波的傳播方向[9]。SH-SAW的振動不具有垂直于表面的法向分量，從而相較于瑞利波在界面處引起的損耗較小，制作的器件具有更高的Q值。SH-SAW的聲速通常高于Rayleigh波，具有較高溫度靈敏度優(yōu)勢。因此，基于SH-SAW的諧振器作為傳感器具有高Q值、高靈敏度的優(yōu)勢。

SH-SAW的激發(fā)通常取決于襯底材料的性質，常見用于激發(fā)SH-SAW的襯底材料有41°YX鈮酸鋰、128°YX鈮酸鋰、36°YX鉭酸鋰、ST-X石英等。本文采用歐拉角為(0°,38°,0°)的128°YX鈮酸鋰壓電晶體材料，設計并制作了基于SH-SAW模式的窄帶、高Q值諧振器，研究了其溫度特性，并利用該諧振器制作了無線溫度傳感器，研究了其無線測溫特性。

1 器件設計仿真

本文采用的器件結構為如圖1所示的單端口諧振器，其結構由叉指換能器(IDT)和兩側的反射柵組成。其諧振頻率由式(1)決定：

(1)

式中：v為聲表面波的相速度；λ為叉指的周期。

圖1 單端口諧振器基本結構

通過多物理場有限元仿真對叉指換能器進行三維模型仿真，以確定叉指換能器在128°YX鈮酸鋰壓電襯底上所激發(fā)的波模式以及其中心頻率。叉指電極的寬度為3 μm，叉指間空隙為3 μm，理論波長為12 μm，叉指電極的厚度為140 nm。襯底在長度和寬度方向設置周期性邊界條件，叉指在長度方向設置周期性邊界條件，理論上聲孔徑為無限長。

叉指電極的材料為Au，襯底材料為128°YX鈮酸鋰，其密度為4 700 kg/m3。鈮酸鋰材料的彈性矩陣、耦合矩陣、相對介電常數(shù)矩陣分別通過歐拉角為(0 °,0 °,0 °)的鈮酸鋰材料經(jīng)過坐標變換后得到[10]，分別為：

2 傳感器設計制作及測試

在鈮酸鋰襯底上制作了設計的SAW器件，其中聲孔徑為100個波長，叉指對數(shù)150對，叉指與兩側反射柵的距離為15 μm，反射柵條數(shù)為200，反射柵采用短路結構。采用電子束蒸發(fā)工藝在襯底上依次沉積20 nm的Ti和120 nm的Au作為薄膜電極，采用光刻剝離工藝實現(xiàn)薄膜電極的圖形化。

采用矢量網(wǎng)絡分析儀(agilent N5234A)測試了所制備的SAW器件的頻率特性。為了測試其溫度特性，將制作的SAW器件置于熱板上，采用高溫同軸線將器件和矢量網(wǎng)絡分析儀連接，在設定溫度穩(wěn)定后保溫15 min，確保矢量網(wǎng)絡分析儀顯示的諧振頻率不再漂移后，測試器件在該溫度下的頻率特性。

為進行無線測試，設計了傳感器天線，采用耐高溫氧化鋁陶瓷封裝基座將SAW器件和天線進行封裝。將封裝完成的傳感器放置于電熱板上，在升溫過程中測試其無線傳輸性能。使用單極子天線作探測天線，傳感器與探測天線的距離為100 cm，測試環(huán)境如圖2所示。

圖2 無線傳感器測試

3 結果與討論

圖3為叉指換能器的頻率響應仿真結果，從圖中可以看到在316 MHz和328 MHz附近均有諧振，即存在2種諧振模式。圖4為316 MHz和328 MHz這兩種諧振模式的位移仿真結果，圖中位移數(shù)值的單位為m。從圖4(a)中可以看到，襯底表面的質點上下起伏像波浪一樣向前傳播，是典型的Rayleigh波振動形式；圖4(b)中，襯底表面的質點在垂直于波傳播方向做水平剪切運動，且能量大部分集中于襯底表面半個波長以內，由此確定該波為SH-SAW。從圖中仿真結果的對比還可以發(fā)現(xiàn)，Rayleigh波的諧振點(fr)與反諧振點(fa)頻率間隔較SH-SAW的更遠，意味著SH-SAW激發(fā)的諧振帶寬更窄，因此基于SH-SAW模式的諧振器將表現(xiàn)出更高的Q值。

圖3 仿真頻率響應圖

(a)Rayleigh波

圖5是制作的SAW諧振器在室溫下(15 ℃)實測的回波損耗(S11)曲線，從圖中可以看到2個明顯的諧振峰，左側諧振峰頻率在320 MHz左右，其3 dB帶寬為0.501 MHz，Q值為640；右側諧振峰頻率在328 MHz左右，3 dB帶寬為0.009 MHz，Q值為34 500。與仿真結果對比，可以發(fā)現(xiàn)左側諧振峰為Rayleigh波模式諧振，右側諧振峰為SH-SAW模式諧振。實測諧振頻率與仿真結果相比，SH-SAW諧振峰出現(xiàn)的頻率位置較接近，而Rayleigh波諧振頻率位置則有4 MHz左右的偏離，其可能是由于不同廠家的壓電材料本身參數(shù)的偏差以及器件制作工藝的偏差所導致，整體實測數(shù)據(jù)與仿真結果基本符合。

上述分析中，發(fā)現(xiàn)SH-SAW具有良好的諧振性能，其Q值更高，因此下面僅對其進行進一步的溫度特性研究。圖6是不同溫度下SAW器件的S11曲線測試結果。從圖中可以看出，在不同溫度下測試的S11曲線有明顯的SH-SAW諧振峰，在測試溫度范圍內，SAW諧振器始終保持著優(yōu)良的諧振性能。隨著溫度的升高，可以看到諧振峰逐漸向低頻移動，即諧振頻率隨溫度升高而逐漸降低，這是由于當溫度上升時襯底材料聲速下降，以及熱膨脹導致波長變大，從而引起諧振頻率降低。

圖6 不同溫度下器件的S11曲線

圖7是常溫至250 ℃的溫度范圍內器件的SH-SAW諧振頻率和Q值。可以看出，器件的SH-SAW諧振頻率隨溫度的升高而線性降低。進行線性擬合后，實測數(shù)據(jù)與擬合曲線非常吻合，表明器件具有很好的線性特性。曲線斜率即SAW器件在整個溫度范圍內的頻率溫度系數(shù)為-24.33 kHz/℃(-73.2 ppm/℃)。N. Naumenko等[11]在128°YX鈮酸鋰襯底上制作的Rayleigh波模式諧振器的頻率溫度系數(shù)為-56 ppm/℃，可以發(fā)現(xiàn)本文的SH-SAW器件的頻率溫度系數(shù)更大，提升了約30%。1 ppm=10-6。

圖7 器件諧振頻率隨溫度的變化

圖7還給出了器件在不同溫度下的Q值?？梢钥闯觯谡麄€溫度范圍內Q值均大于8 000，高Q值有利于提升SAW傳感器的無線測試距離和測試準確性。當溫度持續(xù)上升超過150 ℃時，Q值有增大的趨勢，其原因可能是金屬電極電導率和襯底材料的介電常數(shù)的變化引起器件阻抗與50 Ω更加匹配，加強了諧振峰的幅值，同時諧振峰隨著溫度升高而向低頻移動，3 dB帶寬相應減小，綜合以上因素，諧振峰變得更加尖銳，Q值更高。該器件的SH-SAW諧振峰在溫度測試中表現(xiàn)出高線性度和高Q值，有利于制作無線溫度傳感器。

圖8是不同溫度下無線測試得到的SAW傳感器的群時延曲線，從圖中可以看出，在每個溫度下均有明顯的諧振峰。本文中SAW傳感器的無線測試距離達到100 cm，S. Kim等[12]設計的使用磁性線圈作天線的SAW溫度傳感器的探測距離為50 cm，本文與之相比有1倍的提升。采用群時延曲線確定的諧振頻率和S11幅值曲線確定的諧振頻率有很小的差別，但是其隨溫度變化特性均一致，因此，本文無線測試時采用群時延曲線來確定諧振頻率不影響傳感器測試結果。

圖8 不同溫度下傳感器群時延

圖9是傳感器諧振頻率隨溫度的變化曲線，頻率溫度系數(shù)為-24.24 kHz/℃，與圖7中的結果基本保持一致，諧振頻率隨溫度的升高而線性降低。圖10是SH-SAW無線傳感器從常溫至250 ℃連續(xù)3次的測試結果，從圖中可以看出，3次測試的結果非常一致。同一溫度點之間最大頻率偏差僅為0.051 MHz，對應的溫度偏差為2.1 ℃，滿量程誤差僅為0.93%。這表明，本文制作的SH-SAW溫度傳感器在無線測溫時表現(xiàn)出優(yōu)良的重復性和穩(wěn)定性。

圖9 傳感器頻率隨溫度的變化

圖10 傳感器重復性實驗

4 結論

本文在128°YX鈮酸鋰壓電襯底上制作了線寬為3 μm的叉指換能器，研究發(fā)現(xiàn)可以同時激發(fā)Rayleigh波和SH-SAW 2種模式的諧振，且SH-SAW諧振峰具有更窄的帶寬和更高的Q值。研究了基于該襯底諧振器的SH-SAW諧振峰的溫度特性，并利用該諧振模式設計制作了無線溫度傳感器。結果表明，SH-SAW諧振器的諧振頻率隨溫度升高而線性降低，其頻率溫度系數(shù)為-24.33 kHz/℃。在100 cm距離下實現(xiàn)了常溫至250 ℃的無線測試溫度，測溫誤差僅為0.93%，且具有良好的重復性。