一种通用电抗型传感元件用无源无线遥测接口芯片的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种通用电抗型传感元件用无源无线遥测接口芯片，其衬底为压电基片。芯片上集成有一个或多个谐振频率各不相同的声表面波谐振器，和与各声表面波谐振器配套的电感电容，各声表面波谐振器与配套的电感电容构成低失配网络。前述一个芯片就是一个通用电抗型传感元件的无线遥测接口，配上天线，就构成声表面波谐振器接口型无线传感应答器。通用电抗型传感元件输出的模拟传感信号被变换为射频回波频率信号，实现了通用电抗型传感元件无线传感功能。本实用新型简化并保证了通用电抗型传感元件实现无线传感功能，且传感信息是准数字信号，简化了应用。特别是无源的通用电抗型传感元件能构成无源无线传感应答器，适合长期和严酷环境应用。
【专利说明】
-种通用电抗型传感元件用无源无线遥测接口巧片
技术领域
[0001] 本实用新型设及一种传感元件用无线遥测接口，特别是采用声表面波技术的一种 通用电抗型传感元件用无源无线遥测接口忍片。
【背景技术】
[0002] 物联网的兴起推动了传感器的发展，新型无线传感器成为研发重点。无线传感，是 通过无线信道实现传感信息获取过程。被动式无线传感系统，由应答器、读写器和信息处理 机构成（图1)。应答器是一个能在待测环境中运行并具有产生及回传环境参量传感信息的 独立部件，主要由传感元件、无线遥测接口和天线组成，其中无线遥测接口是实现传感信息 射频无线电化的部件。读写器是激励应答器工作和接收射频传感信号的设备。
[0003] 国际标准推荐无线传感系统使用860M化~960M化超高频频段，北美为902~ 928MHz，欧洲为865~868MHz，而我国拟采用840~845MHz和920~925MHz两个频段。
[0004] 现今成熟的通用传感元件要实现无线传感功能，其应答器几乎都必须连接电路复 杂的无线遥测接口，而一般采用的无线遥测接口，结构复杂且需要提供直流电源。简化应答 器的无线遥测接口，尽量降低应答器的外接能源要求，是所有应答器追求的目标。
[0005] 目前，广受重视的声表面波无线传感系统，其应答器是一种采用声表面波技术制 作的无源应答器，其特点是它将传感元件与无线遥测接口两者功能集于一身:基于声表面 波器件中压电晶片上的叉指换能器(IDT)在直连射频天线后能实现电磁波收发功能，并利 用压电基片的机械特性或其上吸附膜质量效应对外界环境参数的敏感性，采用被动式无线 传感系统的射频激励检测回波方式来实现环境敏感参量的无线遥测。目前在电力系统溫度 在线实时检测中得到推广应用的是声表面波谐振器型无源无线传感系统，其原理示意如图 2示。
[0006] 近来，将声表面波器件与通用电学传感器结合，W通用传感元件的敏感电学特性 调制声表面波器件可测电特性来实现无线传感功能的应答器研究工作得到重视。本文设及 的是声表面波谐振器接口型应答器(简称接口型应答器），其中用声表面波谐振器作为无线 遥测接口核屯、元件。它是利用通用电抗型传感元件的敏感电抗变化来调制声表面波谐振器 匹配网络频率W实现其无线传感功能。图3为声表面波谐振器接口型应答器结构示意。
[0007] 本文所指的通用电抗型传感元件，是指目前已成熟的，W电抗变化为敏感信息的 传感元件。
[000引可见，声表面波谐振器接口型应答器与前述声表面波谐振器型无源无线传感系统 的应答器应用原理相同，也是采用被动式无线传感系统的射频激励检测回波频率方式来实 现环境敏感参量的无线传感。目前较成熟的声表面波谐振器型无源无线传感系统的阅读器 和信息处理机也完全适合于此类接口型应答器。
[0009]对于一般有源通用电抗型传感元件，如接口型应答器携带微型电池，属于有源应 答器类型；如接口型应答器有射频电能转换装置，并由阅读器采用射频供电，则属于半无源 应答器类型。如电抗型传感元件是无源的，那么，接口型应答器也是无源的。
[0010] 所w，声表面波谐振器接口型应答器简单易用，有较大的应用前景，本专利就是对 此种应答器的改进。 【实用新型内容】
[0011] 声表面波谐振器接口型应答器具有如下特征：
[0012] 1.采用声表面波谐振器作为其无线遥测接口的核屯、元件；
[0013] 2.采用声表面波无线传感系统的射频激励检测回波频率方式获取传感信息；
[0014] 3.其功能等价于声表面波无线传感系统的常规应答器，实现环境敏感参量的无线 传感功能；
[0015] 4.所用无线遥测接口是无源的，大大降低了应答器的电源要求。如通用电抗型传 感元件也是无源的，则整个应答器也是无源的，就可构成无源无线传感系统。
[0016] 声表面波谐振器接口型应答器由Ξ部分构成（图3):通用电抗型传感元件，采用声 表面波谐振器为核屯、元件的无线遥测接口，小型化天线。
[0017] 由于声表面波谐振器具有收发脉冲电磁波功能，采用通用电抗型传感元件的电抗 传感信号调制声表面波谐振器的频率特性就能使其完成无线遥测接口功能。
[0018] 声表面波谐振器接口型应答器的工作原理是:被动式无线传感系统的阅读器，向 接口型应答器发出激励脉冲电磁波信号，接口型应答器对同频脉冲电磁波产生谐振接收， 获得能量;在激励脉冲停止后，利用所存储的能量将通用电抗型传感元件所产生的模拟传 感信号变换为射频频率信号，并发回阅读器接收处理；阅读器和信息处理机提取环境参量 变化值，实现环境参量的无线传感功能。
[0019] 对于半无源接口型应答器，所用无线传感系统的阅读器还应提供射频供电。
[0020] 为彰显传感信息，接口的外特性必须具有最佳的阻抗匹配和频率牵引的作用：
[0021] .频率牵引：使接口与常规传感元件的组合体的谐振频率，在其允许的失配范围 内，随传感器电抗变化而改变。
[0022] .阻抗匹配:使接口与常规元件的组合体和天线能实现最大功率传输，减小损耗。
[0023] 接口型应答器中的无线遥测接口为声表面波谐振器型无源无线遥测接口，简称无 线遥测接口，将其单独构成一个接口组件，则具有如下特点：
[0024] 1.简化了通用电抗型传感元件实现无线传感功能的方法；
[0025] 2.传感信息是准数字化的，适应数字化联网应用；
[0026] 3 .如通用电抗型传感元件是无源的，则构成的接口型无线传感应答器也是无源 的，特别适用于长期和严酷环境应用。
[0027] 多年的研究，已证明接口组件只需由声表面波谐振器及阻容匹配网络构成，已得 到有效的网络拓扑，并发现，网络元件值与声表面波谐振器参数密切相关。
[0028] 目前，制作应答器的单位，并非声表面波谐振器生产厂，对声表面波谐振器的性能 了解欠缺，致使网络匹配难度大，很难得到最佳效果。
[0029] 特别是，使用PCB版制作网络电路时，由于PCB版的寄生效应及质量不一致，设计的 匹配元件值与实际会有较大的偏离，使得制作接口组件的人工花费大，而且一致性难W保 证。
[0030] 为此，本实用新型公开了一种新技术方案:采用微电子技术将现今常用的PCB版电 路，集成为一种忍片，称为通用电抗型传感元件用无源无线遥测接口忍片，其特征是：
[0031] .忍片衬底为压电基片；
[0032] .忍片上制作有一个或多个声表面波谐振器，其谐振频率各不相同；
[0033] ?忍片上制作有与所述声表面波谐振器各自配对的电感和电容；
[0034] ?忍片上各声表面波谐振器与其配对的电感电容构成低失配网络；
[0035] ?接口忍片衬底，采用溫度系数极低的压电石英基片；
[0036] .采用标准微电子技术将电容和电感集成在压电基片上。
[0037] 本实用新型所述无源无线遥测接口忍片，体小易用，大大简化了通用电抗型传感 器实现无线传感功能的方法。只要一个本实用新型所述忍片，再配上小型化天线，通用电抗 型传感元件就成为具有无线传感功能的无线传感应答器，应用于被动式无线传感系统中。
[0038] 采用多谐振器的忍片，可W连接多个通用电抗型传感元件，构成多功能无线传感 应答器。
[0039] 本实用新型所述忍片，是即接即用的傻瓜式忍片，通用电抗型传感元件连接本实 用新型所述忍片时，不需要任何硬软件调整和附加电源，就增加了无线传感功能。
[0040] 本实用新型所述忍片，采用高稳定声表面波谐振器，模拟最优化匹配网络，精确设 计其接口匹配元件，并采用微电子工艺批量生产，产品性价比高，性能一致性好。
【附图说明】
[0041 ]图1被动式无线传感系统结构示意图；
[0042] 图2声表面波谐振器型无源无线传感系统结构示意图；
[0043] 图3声表面波谐振器接口型应答器结构示意图；
[0044] 图4声表面波器件中的叉指换能器结构示意图；
[0045] 图5单端对声表面波谐振器结构示意图；
[0046] 图6单端对声表面波谐振器驻波图形和声表面波能量分布结构示意图；
[0047] 图7声表面波谐振器型应答器的电磁回波结构示意图；
[0048] 图8实用的常规声表面波谐振器型应答器结构示意图；
[0049] 图9串联式声表面波谐振器接口型应答器结构示意图；
[0050] 图10并联式声表面波谐振器接口型应答器结构示意图；
[0051] 图11声表面波谐振器等效电路结构示意图；
[0052] 图12-1和12-2串联式接口匹配：串联C2的作用示意图；
[0053] 图13-1和13-2串联式接口匹配:并联L2的作用示意图；
[0054] 图14-1和14-2电容型传感串联式接口型应答器的传感响应示意图；
[0055] 图15-1和15-2电容型位移传感串联式接口应答器的传感响应示意图；
[0056] 图16-1和16-2电感型传感串联式接口应答器的传感响应示意图；
[0057] 图17-1和17-2并联式接口匹配特性示意图；
[005引图18-1和18-2电容型传感并联式接口应答器的传感响应示意图；
[0059] 图19-1和19-2电感型传感并联式接口应答器的传感响应示意图；
[0060] 图20声表面波谐振器静电容对传感性能的影响示意图；
[0061 ]图21声表面波谐振器Q值对传感特性的影响示意图；
[0062] 图22接口匹配电容值变化对电感型传感接口型应答器传感特性的影响示意图；
[0063] 图23声表面波石英器件忍片制作工艺示意图；
[0064] 图24平面电极结构叉指电容示意图；
[0065] 图25Ξ明治结构电容示意图；
[0066] 图26集成平面电感示意图；
[0067] 图27串联式接口忍片实施例示意图；
[0068] 图28并联式接口忍片实施例示意图；
[0069] 图29采用Ξ明治结构电容的并联式接口忍片实施例示意图；
[0070] 图30采用Ξ明治结构电容和螺旋电感的并联式接口忍片实施例示意图；
[0071] 图31串联式双谐振器接口忍片实施例示意图；
[0072] 图32并联式双谐振器接口忍片实施例示意图；
[0073] 图33并联式接口等效网络示意图；
[0074] 图34单接口忍片(器件)构成的应答器电路示意图；
[0075] 图35采用两个并联式接口忍片的实用应答器示意图；
[0076] 图36采用己伦连接两个并联式接口忍片的实用应答器示意图；
[0077] 图37串联式接口等效电路示意图；
[0078] 图38单接口忍片(器件)构成的应答器电路示意图；
[0079] 图39双串联式接口忍片实用应答器示意图；
[0080] 图40采用己伦的双并联式接口忍片实用应答器示意图；
[0081] 图41多个接口忍片构成的复合应答器电路示意图。
【具体实施方式】
[0082] 1.声表面波器件
[0083] 声表面波器件是在压电晶片上制作的无源微型电子元件，它利用晶片上的叉指换 能器(IDT)等金属电极结构，实现电磁波--声表面波的能量相互转换和声表面波传输特性 控制，来完成稳频、滤波、延迟、相关和传感等功能。
[0084] 声表面波器件中能量转换过程不设及电子空穴过程，没有能量阔值，动态范围大， 也不需要额外能量，电磁福射不会对其产生影响，能在严酷电磁福射环境中应用，已在雷 达、通讯、音视频、遥控、传感等领域得到广泛应用。
[0085] 声表面波器件的基本特点是：
[0086] ?抗福射，耐高低溫，环境适应能力强，能在严酷环境中可靠工作；
[0087] .器件体积小，重量轻，采用微电子技术批量生产，一致性好，可靠性高；
[0088] .声表面波在晶片表面传播，容易控制其传输性能，实现信号处理和传感功能。
[0089] .声表面波换能机制没有载流子参与，也就不需要外接能源供给，是纯无源器件。
[0090] 2.声表面波器件的射频信号收发功能
[0091] -个声表面波器件中，至少利用了一个叉指换能器实现电声能量转换。叉指换能 器(图4)是一个在压电基片上制作的、有两个不同极性汇流外引电极、按一定规则交叉排列 形如手指交叉状的周期金属电极条阵，具有频率选择性和直连天线收发无线电波的能力。
[0092] 叉指换能器的频率选择功能源于其金属电极的周期性。叉指换能器受电磁波激励 后，由于逆压电效应，将在基片表面产生同频声表面波，并向两侧传输。仅当叉指换能器的 周期与电磁波长同步时，所生成的声表面波最强，即叉指换能器具有接收电磁波的频率选 择性。
[0093] 同样，叉指换能器也只能选择接收基片上与其同步的声表面波，由压电效应，转换 为同频电磁波，即叉指换能器具有输出电磁波的频率选择性。
[0094] 高频叉指换能器直接连接天线后，由于叉指换能器的频率选择性，就能接收共振 激励电磁波，转化为声表面波。所生成的声表面波在基片表面输运过程中受到人为设计的 处理(反射、取样等）后，被叉指换能器接收后恢复为电磁波，再经天线发回。运样叉指换能 器就具有同频电磁波的收发功能，但所收发的电磁波，其特征有所变化:频率微变，幅度和 相位差异明显。
[00巧]3.声表面波谐振器
[0096] 声表面波谐振器是一种利用压电基片上声表面波多次反射获得电磁波频率谐振 特性的声表面波器件。声表面波谐振器由置于压电基片表面的叉指换能器和栅状反射器构 成，栅状反射器大多也是用金属(如侣，金)薄膜制作的，有时也会用表面周期沟槽构成。忍 片用粘接剂粘到气密外壳内，并用键合丝将叉指换能器电气连到外引出端。有两类声表面 波谐振器结构:一是只有一对端子的单端对声表面波谐振器，另一是有输入和输出端口的 双端对声表面波谐振器。单端对谐振器在两个反射器之间只有一个叉指换能器(图5)，而双 端对谐振器在两个反射器之间有两个叉指换能器。本文所称的谐振器专指单端对谐振器。
[0097] 声表面波谐振器谐振现象是将声表面波振动能量限制在栅状反射器内来实现的。 由叉指换能器电极指条间交变电场激励的声表面波，传播出叉指换能器后被栅状反射器反 射回来，栅状反射器对声表面波施加干扰，是由于电学或力学阻抗的不连续性。当声表面波 入射到运些栅状反射器后，入射波慢慢转换为反射波，尽管每单根反射单元的微扰量可W 很小，周期排列的大量运些单元同相反射声表面波，形成极大相干反射。运些栅状结构可W 形成有效的反射区域，在反射器间生成驻波，产生一个极高Q值的谐振。图6显示了单端对谐 振器中驻波的位移分布，从图中可看到，在叉指换能器中屯、附近声表面波能量达到最大值， 并朝向栅状反射器的两边慢慢减小。谐振频率打近似为：
[009引 打= vs/(2d)
[0099] 其中，vs为声表面波传播速度，d为电极中屯、间距。
[0100] 声表面波谐振器作为稳频元件已广泛应用于VCR射频调制器、CATV本振、测试设备 和遥控(例如汽车口锁)等领域，而作为传感器也有许多实用化产品。
[0101 ] 4.声表面波谐振器型应答器
[0102] -个作为稳频元件的通用声表面波谐振器，连接天线及封装后，就是一个无源无 线频率探测的应答器。在近同频电磁波脉冲激励时，应答器的声表面波谐振器受迫振荡，除 立即发回与激励脉冲同频的电磁回波外，同时在声表面波谐振器忍片声学谐振腔内积累声 学能量。当激励脉冲停止后，积累的声能会慢慢转换为衰减电磁波发射回去，此时回波频率 是声表面波谐振器应答器的固有频率，与激励电磁波一般稍有差别。
[0103] 图7为声表面波谐振器型应答器的回波，在等幅受迫振荡波后，接着是一个幅度指 数衰减的稳频信号。当激励波频率与应答器固有频率相差较大时，会表现为差频调制起伏 波形。
[0104] 由于压电基片表面传输的声表面波，其物理特性(例如速度)会对其所处环境参量 变化敏感，而使谐振器的固有频率(即回波频率)是环境参量的敏感函数，检测回波频率，就 实现了谐振器所处环境参量的遥测功能。
[0105] -个(为提升其特定传感功能)特别设计的声表面波谐振器，接上天线后，就是一 个传感元件与无线遥测接口的集合体。注意到声表面波谐振器是一种无源器件，所W它就 成为一个声表面波谐振器型无源应答器，简称常规应答器，W区别于本实用新型所述的接 口型应答器。
[0106] 5.实用的常规应答器中的匹配电感
[0107] 为使激励功率有效利用，声表面波谐振器与天线间需要匹配元件，一般用电感来 抵消谐振器中叉指换能器静电容的影响。匹配元件的加入，会稍微改变谐振器网络的谐振 频率。实际应用的常规应答器，就如图8所示:一个(为提升其特定传感功能)特别设计的声 表面波谐振器，一个兼做防静电的匹配电感和一个小型化天线。显然，此常规应答器具有声 表面波器件的所有特点，特别适用于长期和恶劣环境中应用。
[0108] 6.电抗型传感元件作为匹配网络元件
[0109] 由上述，由声表面波谐振器、天线和匹配元件组成的网络，其频率特性会随匹配元 件值变化发生改变。由此可W预计，当采用高稳定声表面波谐振器后，利用通用电抗型传感 元件作为匹配元件，会使网络频率特性只与通用电抗型传感元件的传感敏感电抗特性相 关，通过网络频率特性无线遥测，就能使通用电抗型传感元件获得无线传感功能。
[0110] 为极大彰显传感器的传感效应，在谐振器与天线间的匹配应是由多个电抗元件构 成的低失配网络，此时通用电抗型传感元件作为匹配网络元件之一。
[0111] W后，把除通用电抗型传感元件外的匹配网络匹配元件简称为接口匹配元件。
[0112] 7.通用电抗型传感元件用声表面波谐振器型无源遥测接口
[0113] 把声表面波谐振器和接口匹配元件构成的部分独立出来，显见它具有无线传感系 统应答器中无线遥测接口的功能:实现传感信息射频无线电化。W后将此独立部分称为通 用电抗型传感元件用声表面波谐振器型无源无线遥测接口，简称声表面波谐振器型遥测接 口，或无线遥测接口。
[0114] 由上述，此无线遥测接口的频率特性应该是稳定的，或者在传感应用环境中回波 频率变化规律是已知的。当然在实际应用中，只要此无线遥测接口中的所有元件:声表面波 谐振器、配套电感电容，其在传感应用环境中电抗变化比所连接的通用电抗型传感元件的 电抗变化小得多，那么可W认为此无线遥测接口的频率特性是稳定的。
[0115] 目前，采用零溫度系数切向的石英晶体制作的声表面波谐振器，已在高精度频率 稳定电路中得到广泛应用，可W视为高稳定声表面波谐振器，应用于本实用新型中。
[0116] 由于同样在石英晶片上集成电感和电容，其稳定性也高。
[0117] 当然，也有采用其他高稳定声表面波谐振器制作技术，可W应用于本实用新型中。 [011引8.声表面波谐振器接口型应答器
[0119] 通用电抗型传感元件、无线遥测接口和天线共同组成了与常规应答器同样功能的 应答器(参见图9,图10)，通用电抗型传感元件输出的模拟传感信号被变换为射频回波频率 信号，实现了通用电抗型传感元件的无线传感功能。
[0120] 为与前述的常规应答器相区别，此处所述的采用了声表面波谐振器型遥测接口的 应答器，称为声表面波谐振器接口型应答器，简称接口型应答器。
[0121] 如果通用电抗型传感元件也是无源的，那么构成的接口型应答器也是无源的，特 别适用于长期工作和严酷环境。
[0122] 表1为常规应答器与接口型应答器的主要区别。
[0123] 表1接口型应答器与常规应答器的比较
[0124]
[0125]
[01 %] 9.采用双声表面波谐振器的无线遥测接口
[0127]由于无线信道对无线传感应答器特性有影响，采用两个声表面波谐振器形成差频 结构是必要的，所W实用的无线遥测接口将由两个谐振频率不同的声表面波谐振器及其配 套的接口匹配元件构成。其中一个接口连接通用电抗型传感元件，阅读器将主要检测两谐 振器谐振频率差来获知传感信息。
[01 %] 10.采用多个声表面波谐振器的复合式无线遥测接口
[0129] 推而广之，采用多个谐振频率不同的声表面波谐振器及其配套的接口匹配元件构 成的无线遥测接口，可W联用多个通用电抗型传感元件，构成复合式接口和复合应答器。
[0130] 11.声表面波谐振器的等效电路
[0131] 为确定无线遥测接口的匹配网络拓扑和匹配元件值，我们从声表面波谐振器在谐 振频率附近的等效电路开始设计。
[0132] 声表面波谐振器的等效电路通常用一个动态（串联)支路再并联一个静电容C0来 表示，而串联支路则依次由动态电感L1、动态电容C1和动态电阻R1组成。考虑器件具有寄生 串联电阻R0,则声表面波谐振器的等效电路如图11示。
[0133] 本公司生产的NDR系列声表面波谐振器，其基片为采用石英晶体材料，NDR434的等 效电路参数实测值如表2。
[0134] 表2 NDR434声表面波谐振器等效电路参数
[0135]
[0136] 12.接口型应答器的传感响应分析方法
[0137] 本文将接口型应答器电路分为两个部分:天线和匹配网络，匹配网络由接口电路 和通用电抗型传感元件组成，且天线等效为标准50欧负载。由此，W50欧姆阻抗下（与天线 匹配)匹配网络低失配为目标，来设计接口匹配元件值，计算匹配网络特征频率与传感参量 的关系，分析接口型应答器的传感响应。
[0138] 采用网络的S11参数表示网络特性：
[0139] Sll = (Zn-Zs)/(Zn+Zs)
[0140] 其中化为匹配网络的阻抗，Zs为负载阻抗(50欧）。
[0141] S11极值点频率就是网络的特征频率，用匹配网络的特征频率来表征接口型应答 器传感回波频率。
[0142] 网络与天线的失配由驻波比SWR表征：
[0143] SWR=(l+abs(Sll))/(l-abs(Sll))
[0144] 为简化，电抗型传感元件采用纯电抗特性模拟，即电容型传感元件是一可变电容 Cs，而电感型传感器元件是一可变电感Ls。
[0145] 电容型传感元件的电容值公式为：
[0146] Cs = eS/d
[0147] 由此，实际电容型传感元件，其电容变化的方式有Ξ种:第一种是改变电容介质材 料，第二种是变化电容电极面积S，第Ξ种是改变电容电极间距d(又称为电容型位移传感 器)。
[014引13.匹配网络拓扑
[0149] 早从2000年起，就已陆续提出了多种低失配接口匹配网络的设计方法，W使网络 同时具有最佳的阻抗匹配和频率牵引的作用：
[0150] 频率牵引：使匹配网络的谐振频率在其允许的失配范围内随传感器电抗变化而改 变。
[0151] 阻抗匹配:使匹配网络和天线能实现最大功率传输，减小损耗。
[0152] 接口匹配元件越少，工程设计与制作越有效，由于LC元件消耗功率很小，同时具有 选频作用，因此选用LC匹配网络。最简单的LC匹配拓扑类型有L型、Τ型和π型Ξ种。虽然L型 电路的结构较简单，但只有两个元件可选取，因此在满足阻抗匹配关系时，回路的Q值就确 定了；当阻抗变换比不大时，回路的Q值较低，不利于信号的后续处理，故我们选用匹配网络 拓扑为T型和Π 型。
[0153] 接口型应答器，按天线、传感元件和遥测接口的连接方式，从应用角度看，可分为 串联式和并联式两大类，如图9,图10分别示意之。所用接口分别称为串联式接口和并联式 接口。两类接口的接口匹配元件都仅用了电容和电感各一个(记为C2和L2)，且都是先连电 容后接电感，只是串并次序相反。
[0154] 14.串联式声表面波谐振器接口型应答器
[0155] 图9为串联式接口型应答器的电路示意，声表面波谐振器与天线间的匹配网络是T 型，其中电抗型传感元件作为T型网络的一臂，与天线和遥测接口串接。
[0156] 接口匹配元件选取过程如下：谐振器两端串联电容C2,使串联网络最大电导为 0.02S;再并联电感L2,使此并联网络电纳对零线对称。
[0157] 图12-1和图12-2表示串联式接口匹配时串联C2的作用。图12-1(横轴为频率 (MHz),纵轴为S11幅度(dB))是声表面波谐振器串接电容C2前、后的S11特性，S11特性的变 化，表明匹配改进许多，运是由于网络最大电导降到0.02S的缘故(参见图12-2(横轴为频率 (MHz),纵轴为网络电导值(S))。但由于C2加入，网络频率上移了。
[015引并联L2前后，网络特性变化如图13-1和图13-2所示。图13-1为S11特性，图的横轴 为频率(MHz),纵轴为S11幅度(地）。从S11特性可知，网络频率下移很小，幅度变化也不大。 图13-2是网络电纳特性，横轴为频率(MHz )，纵轴为电纳值(S)。由于电感的加入，网络电纳 下移，并正负对称(参见图13-2中位于下面的曲线）。
[0159] 由此，串联式接口的端接导纳特性是：电导为0.02S，正负电纳对称。
[0160] 串联式接口接入电容型传感元件后，构成T型匹配网络。电容型传感串联式接口型 应答器的传感响应如图14-1和图14-2所示，图14-1为S11特性，横轴为频率(MHz )，纵轴为 S11幅度(dB)。在10~l(K)pF传感范围内，其S11幅度变化不大，但传感响应(应答器回波频 率，即匹配网络的特征频率，与电容型传感元件电容值的关系曲线)非线性明显(参见图14- 2图，横轴为传感元件电容值(P巧，纵轴为应答器回波频率(MHz))。
[0161] 当采用电容型位移传感元件作为电抗型传感元件时，其应答器的传感响应见图 15-1和图15-2。图15-1(横轴为频率(MHz),纵轴为S11幅度(dB))所示S11幅度基本一致，图 15-2 (横轴为传感元件位移，纵轴为应答器回波频率(MHz))为应答器的位移传感特性，应答 器传感响应为线性，对NDR434谐振器，灵敏度为1.化化/位移单位。图15-2中位移单位W线 性标示（10个位移单位相当于10化F电容值，100个位移单位相当于lOpF电容值），每一个位 移单位实际尺寸，与传感器个体有关。
[0162] 接入电感型传感元件后的串联式接口型应答器的传感响应如图16-1和图16-2所 示。图16-1为S11特性，横轴为频率(MHz),纵轴为S11幅度(地），在0~50化Η传感范围内，其 幅度变化不大。电感传感应答器的传感响应为线性（图16-2，横轴为传感元件电感值(ηΗ)， 纵轴为应答器回波频率(MHz))，对NDR434谐振器，灵敏度1.1曲z/址。
[0163] 15.并联式声表面波谐振器接口型应答器
[0164] 图10为并联式接口型应答器电路示意，声表面波谐振器与天线间的匹配网络是Π 型，其中电抗型传感元件作为π型网络的一支。应用时，常用电抗型传感元件与天线和接口 并接。
[0165] 接口匹配元件选取过程如下：谐振器两端并联电容C2,使并联网络电阻为50欧;再 串联电感L2,使串联网络电抗对零线对称。
[0166] 图17-1和图17-2为并联型网络匹配效果，图17-1是声表面波谐振器接入匹配电容 电感前、后的S11特性，横轴为频率(MHz),纵轴为S11幅度(地）。接入匹配电容电感后网络频 率上移，且匹配改进许多，因为并联电容后，将网络电阻减低到了50欧（参见图17-2中位于 下面的曲线，横轴为频率(MHz),纵轴为网络电阻值(欧））。图17-1中，位于最顶部的曲线为 谐振器本身的特性，中间曲线为中间匹配过度值。
[0167] 并联式接口的特性与串联式接口的相反。连接电容型传感元件后，应答器传感特 性线性度很好，如图18-1和图18-2所示。图18-1为网络S11特性，横轴为频率(MHz )，纵轴为 S11幅度(地）。图18-2为电容型传感并联式接口应答器的响应曲线，横轴为传感元件电容值 (pF)，纵轴为应答器回波频率(MHz)。对NDR434谐振器，灵敏度为2.7曲z/pF。
[0168] 图19-1和图19-2为电感型传感并联式接口应答器的传感响应，非线性明显。图19- 1为网络S11特性，横轴为频率(MHz),纵轴为S11幅度(dB)。图19-2为电感型传感并联式接口 应答器的响应曲线，横轴为传感元件电感值(nH)，纵轴为应答器回波频率(MHz)。
[0169] 16.声表面波谐振器参数优化
[0170] 模拟表明，声表面波谐振器的静电容值对应答器传感灵敏度影响不大，只是回波 频率有移动(参见图20, W电容型位移传感元件为例，横轴为传感元件位移，纵轴为应答器 回波频率(MHz))。
[0171] 模拟也显示，应答器的传感灵敏度与声表面波谐振器的Q值负相关，减低谐振器Q 值可W提高传感灵敏度。W电容型位移传感元件为例，如图21所示，横轴为传感元件位移， 纵轴为应答器回波频率(MHz)。在图21中，红线表示谐振器Q=10170时的位移传感特性，而 蓝线表示谐振器Q = 7520时的位移传感特性。
[0172] 但谐振器的Q值减低，会影响传感器无线遥测的监测可靠性，所W需要根据实际应 用环境来设计声表面波谐振器参数。由此，可根据使用定制声表面波谐振器是最佳选择。
[0173] 17.接口匹配元件选配要求
[0174] 由于实际匹配元件值与设计不一致，会影响接口型应答器的传感特性。不同形式 接口类型，接口匹配元件的影响也不同。
[0175] 模拟得知，电容比电感影响大，图22表示了接口匹配电容值变化+/-5%时，电感型 传感接口型应答器的传感特性变化，横轴为传感元件位移，纵轴为应答器回波频率(MHz)。 所W更要注意电容C2的选配。
[0176] 模拟得知，对电容位移型传感接口型应答器，稍小(-1 %~-3% )的匹配电感可W 使传感动态范围加大，且传感敏感度不变，线性度稍差一些。而对电感型传感接口型应答 器，匹配电感稍大一些更好
[0177] 18.无源无线遥测接口忍片技术方案
[0178] 由于接口匹配元件的选取，主要与声表面波谐振器的特性有关，所W将无源无线 遥测接口PCB板电路集成为一个单独忍片，不但保证了接口的性能一致性，而且也较大方便 了应用。
[0179] 由模拟，对于标准设计的声表面波谐振器，接口匹配元件值的范围如表3。
[0180] 表3接口匹配元件值
[0181]
~由于电容值的准确和稳定是保证接口匹配特性关键，实际忍片设计制作时，应按 前述方法优化接口匹配元件值。下面W矢量网络分析仪和微波探针为例，说明优化方法。
[0183] 在串联型接口中，使用导纳圆图。首先调整电容C2,使在谐振频率点的S11值处于 标准电导圆上;调节L2使整个S11曲线对圆图横坐标对称。
[0184] 在串联型接口中，使用阻抗圆图。首先调整电容C2,使在谐振频率点的S11值处于 标准电阻圆上;调节L2使整个S11曲线对圆图横坐标对称。
[01化]19.声表面波器件工艺流程
[0186] 声表面波器件制作基于现今通用微电子技术平台，应用最广泛的是标准圆片、一 次光刻和湿法腐蚀平面工艺，如图23示。
[0187] 工序1:清洗单面抛光压电石英圆片
[0188] 由于本接口需要高稳定声表面波谐振器，故一般均采用溫度系数极低(仅有二阶 及更高阶的溫度系数）的特定切向压电石英基片。目前多采用3~6英寸圆片，厚度约为0.2 ~0.6mm，W适应现代微电子加工平台。
[0189] 工序2:淀积侣膜
[0190] 由于侣的良好导电性及基层附着性，目前声表面波器件大都采用侣作为电极金 属。压电基片上的侣膜，可W采用热蒸发、电子束蒸发和瓣射等常规金属膜淀积方法生成， 膜厚约为0.1~加 m，与器件工作频率成反比。
[0191] 为保证声表面波谐振器频率一致性，要求金属膜厚精度很高，最少也要在1 % W 下。
[0192] 工序3:光刻制作电极图形
[0193] 采用微电子标准光刻工艺，制作声表面波器电极的光刻胶掩膜图形，图23所示为 正性胶掩膜。声表面波器件电极绝大多数是周期结构，其光刻分辨率随声表面波器件的工 作频率提高而加大，例如，1G化器件，电极为2um周期结构。
[0194] 特别是，声表面波谐振器周期电极的占空比会明显影响其谐振频率，所W声表面 波器件电极图形的准确性也要求很高。
[01M]工序4:湿法腐蚀制作电极
[0196] -般采用缓冲碱性试剂腐蚀侣，即可制作出声表面波器件的电极来。精确控制湿 法腐蚀工艺参数，是确保声表面波谐振器频率准确的关键。
[0197] 20.压电基片上元器件集成技术
[0198] 为提高接口组件的溫度稳定性、一致性和可靠性，我们提出了压电基片元器件集 成技术方案:将声表面波谐振器和匹配电感电容同时制作在石英基片上。
[0199] 声表面波谐振器的设计是公知的，在此不累述。
[0200] 压电基片集成电容的可靠方法是采用叉指电容，如图24所示。采用声表面波谐振 器电极同样的金属侣作为叉指电容电极金属，工艺兼容性高。
[0201 ] -级近似下，N对孔径为W(cm)的叉指对的电容值为：由公式
[0202] c = N*W*Cp
[0203] 其中Cp为单位长度叉指电容，单位pF/cm，石英约为4.5pF/cm。
[0204] 另一种集成电容的结构是Ξ明治结构电容，如图25示，由上下金属电极对夹着一 薄层高介电常数介质膜构成，Ξ明治结构电容的电容值为：
[0205] C=eS/d
[0206] 式中，ε和d分别是介质膜的介电常数和厚度，S为Ξ明治结构有效面积。
[0207] 所用介质材料和生长方法都是从事微电子技术工艺的人±熟知的，如二氧化娃、 氮化娃和氮氧化物等。
[0208] 集成电感的最方便的结构如图26所示，为金属条形电极曲折形成的平面电感。其 电感数值很容易从相关技术手册查到。
[0209] 21.无线无源遥测接口忍片
[0210] 由图8、图9的接口电路拓扑，很容易设计出接口忍片，下面为几种典型忍片布局。 [0別。22.单谐振器接口忍片实施例
[0212] 图27为采用一个声表面波谐振器的串联式接口忍片上集成元器件布局，忍片引出 端两个:一个外接通用电抗型传感元件热端，另一个外接天线热端。
[0213] 图28为采用一个声表面波谐振器的并联式接口忍片上集成元器件布局，忍片引出 端也是两个:外接通用电抗型传感元件热端和天线热端并联接入端1/0, W及接地端。
[0214] 图29和图30,表示了需要附加忍片上金属丝连接的并联式接口忍片。图29是采用 Ξ明治结构电容的并联式接口，其中Ξ明治结构电容的上电极需通过一金属丝连接线与声 表面波谐振器相连。图30是采用Ξ明治结构电容和螺旋电感的并联式接口，其中Ξ明治结 构电容的上电极和螺旋电感的中屯、电极都需要用附加的金属丝连接线与声表面波谐振器 相连。采用运种较复杂结构元件的原因是它们的电抗值较大，而简单的叉指电容和折线电 感达不到。23.双谐振器接口忍片实施例
[0215] 由于无线信道对无线传感应答器特性有影响，采用两个声表面波谐振器形成差频 结构是必要的，所W实用的无线遥测接口将由两个谐振频率不同的声表面波谐振器及其配 套的接口匹配元件构成。其中一个接口连接通用电抗型传感元件，阅读器将主要检测两谐 振器谐振频率差来获知传感信息。
[0216] 图31为串联式双谐振器接口，将两个上述串联式单谐振器接口一起集成在一个压 电基片上，两个声表面波谐振器的谐振频率不同。原先的两个传感元件连接端，其中一个连 接一个通用电抗型传感元件，而另一个接地。
[0217] 图32为并联式双谐振器接口，将两个上述并联式单谐振器接口一起集成在一个压 电基片上，两个声表面波谐振器的谐振频率不同。两个I/O连接端，连接一个对称天线;一个 通用电抗型传感元件只连接其中一个I/O端。
[021引24.接口忍片构成接口型应答器
[0219]根据使用者要求，可W采用裸接口忍片与电抗型传感元件共封装，也可将接口忍 片封装成接口器件后提供使用者。由于（已封装)忍片是无源无线接口，与电抗型传感元件 和天线封装在一起，就构成一个无线传感应答器，大大简化了电抗型传感元件增加无线传 感功能的难度。试举例如下。
[0220] 25.并联型接口型应答器
[0221] 并联型接口等效为一并联谐振网络，如图33示，端口电导0.02S。
[0222] 图34为单接口忍片(器件)构成的接口型应答器电路。
[0223] 图35为采用两个不同谐振频率的单忍片(器件)构成的接口型应答器电路，其中两 个接口忍片结合等同于前述并联式双谐振器接口忍片。
[0224] 在一些情况下，可W采用己伦连接两个接口忍片（器件）构成接口型应答器，如图 36示。
[0225] 26.串联型接口型应答器
[0226] 串联式接口等效为一串联谐振网络，谐振时端口等效于一 50欧电阻，如图37示。
[0227] 电抗型传感元件串联后，只改变其串联谐振频率。
[0228] 图38为单忍片(器件)构成的接口应答器电路。
[0229] 图39为采用两个不同谐振频率的忍片(器件)的接口应答器电路，其中两个忍片接 口结合等同于前述串联式双谐振器接口忍片。
[0230] 在一些情况下，可W采用己伦连接两个接口忍片（器件）构成接口型应答器，如图 40示。
[0231] 27.复合应用
[0232] 将多个单谐振器接口忍片和一个双谐振器接口忍片，能构成一个复合应答器。
[0233] 图41表示一可同时无线遥测Ξ个电抗型传感元件传感信息的应答器，采用了两个 单谐振器忍片接口忍片和一个双谐振器接口忍片，它们四个声表面波谐振器的谐振频率相 异，且与参考谐振器频率的差值也应不同。
[0234] 虽然本实用新型通过实施例进行了描述，但实施例并非用来限定本实用新型。本 领域技术人员可在本实用新型的精神的范围内，做出各种变形和改进，但同样均在本实用 新型的保护范围之内。因此本实用新型的保护范围应当W本申请的权利要求保护范围所界 定的为准。
【主权项】
1. 一种通用电抗型传感元件用无源无线遥测接口芯片，其特征在于， 芯片衬底为压电基片； 芯片上设置有一个或多个声表面波谐振器，其谐振频率各不相同； 芯片上设置有与所述声表面波谐振器各自配对的电感和电容； 芯片上各声表面波谐振器与其配对的电感电容构成低失配网络。2. 根据权利要求1中所述的一种通用电抗型传感元件用无源无线遥测接口芯片，其特 征在于，所述芯片衬底是采用温度系数极低的压电石英基片。3. 根据权利要求1中所述的一种通用电抗型传感元件用无源无线遥测接口芯片，其特 征在于，所述芯片上的电容是集成在压电基片上。4. 根据权利要求1中所述的一种通用电抗型传感元件用无源无线遥测接口芯片，其特 征在于，所述电感是集成在压电基片上。
【文档编号】G08C23/02GK205486713SQ201521116319
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2015年12月29日
【发明人】陈培杕, 夏前亮, 黄润华, 高琳
【申请人】中电科技德清华莹电子有限公司