专利名称：IDT/ ZnO/ Al/金刚石多层膜结构的声表面波射频识别标签的制作方法
IDT/ ZnO/ Al/金刚石多层膜结构的声表面波射频识别标方法
技术领域：
本发明属于自动识别技术和信息存储传输技术领域，特别是一种应用于现代电子学、 声学、微电子工艺技术和雷达信号处理技术等的IDT/ ZnO/ Al/金刚石多层膜结构的声表面波射频识别(SAW-RFID)标签。背景技术：
近年来，移动通信的飞速发展，在多种多样、各具特色的射频识别系统中，利用声表面波(SAW)技术实现的射频识别(RFID)与传统的利用集成电路(IC)实现的RFID相比具有许多独特的优势。声表面波射频识别(SAW-RFID)技术以声表面波器件为核心，克服了传统以IC芯片为核心的射频识别设备的一些缺点，并且具有无源，识别距离远，能识别高速运动的物体等特点，非常适用于车辆不停车收费识别，路标识别，铁路车辆车号识别；由于 SAff-RFID抗高温、抗辐射，适用于需要高能量X-射线或伽马射线杀菌的食品或药品等产品上；还可以使用在金属和液体产品上。SAW射频标签是无源器件，不使用任何外界的电源， 同时对阅读器的辐射功率要求低，SAW射频标签所需的阅读器辐射功率仅仅是传统IC标签的1/100 ；而且具有识别和传感的双重功能等优势。然而由于现有的声表面波器件天线尺寸还比较大，导致其标签尺寸太大，声表面波标签还不能应用于零售等小物品的识别上。因此，如何使标签小型化等问题日益引起研究者的关注。目前一些单晶的SAW标签制作频率一般是在915MHZ-1. 2GHz范围内，因此识别距离有限，采用多层膜结构，可以制作高频率的SAW标签，并且标签性储存容量大，适应于多种环境中。声表面波标签的基片和收发天线是整个标签系统的主体。标签的基片的材质、结构和技术特点决定了标签的工作频率、带宽和制造的难易程度；天线的优化设计可以在很大程度上缩小整个标签的几何尺寸；而它们之间的匹配则对标签的可靠性、稳定性起到至关重要的作用。在以往的基于声表面波技术的RFID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或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。而受标签尺寸的限制，一般的天线类型如喇叭天线，螺旋天线，反射面天线等都不适用于设计成标签天线。在IC卡标签中广泛应用的线圈天线，是一种利用线圈之间的电磁耦合来传送信息的近场天线，线圈天线工作频率小，一般在低频到高频之间，且作用距离在一米以内，因而也不适宜应用于高频声表面波标签上。现有技术中的偶极子天线利用电磁波的反向散射来相互传递信息，是一种工作在超高频和微波波段，工作距离可达到IOm以上的远场天线。此外，偶极子天线还具有剖面低，结构简单等特点，适用于制作高频声表面波标签天线。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术中的问题，而提供一种IDT/ ZnO/ Al/金刚石多层膜结构的声表面波射频识别标签。为实现上述发明目的，本发明公开了一种IDT/ ZnO/ Al/金刚石多层膜结构的声表面波射频识别标签，包括单端口谐振器与天线，其特征在于所述单端口谐振器采用IDT/ ZnO/ Al/金刚石多层膜结构，是在硅衬底上采用微波等离子CVD法制备金刚石膜，优选的沉积厚度应该大于由该标签中心频率所决定的声表面波3倍波长( A = )，式中ν为声表面波相速度，f为标签中心频率；然后在金刚石膜上使用电子束蒸发系统制备Al膜，要求Al膜的表面厚度40nnTl00nm ；再在Al膜上使用射频磁控溅射系统制备C-轴取向的SiO薄膜，ZnO薄膜具有较高的c轴取向，优选其平均偏离度小于<1°， 厚度为1/5-1/4声表面波的波长；最后在SiO薄膜上使用电子束蒸发系统制备金属膜，再经过光刻制备出谐振器的叉指换能器和开路反射栅；优选的叉指换能器中叉指对数为M-28 对，叉指电极宽度为0. 4 μ m-1. 2 μ m，叉指电极厚度为40nm-150nm ；优选的换能器的电极宽度为Λ/4。优选的反射栅为开路反射栅，设置4-8组，每组9-11对。反射栅金属化比率可以按照标签的具体要求进行设计。叉指换能器和反射栅是在电子束蒸发系统制备的金属Al 膜上，经过光刻技术制备出标签的叉指换能器和反射栅形状。所述标签天线是弯折偶极子天线。弯折偶极子天线作为标签的收发天线，其偶极子臂优选采用间隔距离不规则的直角来回弯折式，通过改变弯折次数，可以有效地调整天线谐振特性。弯折偶极子天线可以增加天线的电长度，从而减少尺寸。此外，所述弯折偶极子天线的制作可以采用的是铝基覆铜板RF4介质板，天线的轮廓是由铜片制成。所述标签为高频无线无源SAW标签，标签频率为2. 45GHZ-5. 8. GHz。本发明的IDT/ ZnO/ Al/金刚石多层膜结构SAW RFID标签的偶极子天线有几个特殊的优势
①本发明采用的多层膜结构声表面波谐振器其声速可达10000m/S以上，与以往采用压电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. 5-4倍。②本标签采用的是IDT/ ZnO/ Al/金刚石多层膜结构，IDT/ ZnO/ Al/金刚石多层薄结构声表面波标签可应用于金属和液体产品上；抗高温、抗辐射，适用于需要高能量 X-射线或伽马射线杀菌的食品或药品等产品上，而且适应液体或高速运转的物体。③采用多层膜结构的SAW标签可以制作大容量高频率的标签，满足现代数字化通信的需求。④天线的偶极子臂采用来回折叠式，与传统偶极子天线相比，弯折偶极子天线结构具有理想的尺寸缩减特性，通过改变弯折次数，可以有效地调整天线谐振特性。运用弯折偶极子天线，可以有效地实现所需的工作谐振频率，进而实现小型化声表面波RFID 标签天线。而且易于和多层膜结构单口谐振器进行良好的匹配，匹配系统稳定，且匹配网络简单。⑤采用弯折线就是在天线性能损失可以接受的情况下从而实现天线的小型化。弯折偶极子的连续弯折的电流具有相反的相位，会同时提供容性和感性的电抗，利用这一点可以用来有效的减小天线尺寸。
图1为IDT/ ZnO/ Al /金刚石结构单端口谐振器标签示意图；图2为IDT/ ZnO/ Al /金刚石结构单端口谐振器结构图； 图3为图2标签偶极子天线版图； 图4为Al /ΖηΟ/Al/金刚石多层膜X射线衍射图谱。图中1-阅读器；2-脉冲信号；3-标签天线；4-叉指换能器(IDT);5_声表面波信号；6-反射栅；7-aiO薄膜；8-金刚石薄膜；9-硅(Si)衬底；10-金属层(Al); 11_偶极子臂；12-馈线；13-巴比伦微带线；15-接地板；16 ；馈电口。以下结合附图及实施例对发明予以详细说明。
具体实施方式
本发明的一个实施案例是2. 45GHz SAW RFID标签。采用IDT/ ZnO/ Al/金刚石多层膜结构单端口谐振器，标签天线为弯折偶极子天线，标签天线尺寸较小，满足小型化要求， 容易和多层膜结构单端口谐振器匹配，匹配网络简单，可以实现高频率声表面波标签，抗干扰能力强。本发明的标签谐振器还可以采用IDT/aiO/金刚石多层膜结构、ZnO/IDT/金刚石多层膜结构或Al/ZnO/ IDT/金刚石多层膜结构，均适用于本专利发明的的要求。本发明的工作原理是当阅读器1发出的射频询问脉冲信号2被标签天线3所接收，标签天线3再把脉冲信号2传输给与标签天线3直接相连的SAW标签单端口谐振器的叉指换能器(IDT)4，其将接受到的脉冲信号2通过ZnO压电薄膜7转换为声表面波脉冲信号5，在&ι07/金刚石多层膜8上传播到反射栅6，因为制备的反射栅状态与编码有严格的对应关系，则被反射栅反射回波的声表面波脉冲信号5将带有编码信息。声表面波脉冲信号5再经过叉指换能器(IDT) 4转换为射频脉冲信号2，并从标签天线3发射回去。阅读器1接收到回波脉冲信号2后，将其放大，调制和解调，并输入计算机数据库，达到射频识别目的，如图1所示。具体实施步骤如下 1单端口谐振器的制作
首先利用微波等离子CVD法在硅衬底9上制作金刚石膜8，其沉积厚度大于由该标签中心频率所决定的声表面波3倍波长。再使用化学机械抛光(CMP)的方法对金刚石薄膜进行抛光，以达到制备声表面波器件所需的表面光洁度。再使用电子束蒸发系统，在金刚石薄膜上制作Al薄膜10，厚度为40nm。再使用射频磁控溅射制备C-轴取向的SiO (002)薄膜7，其厚度为1/5 1/4声表面波的波长。再使用电子束蒸发系统，在ZnO薄膜上制作Al薄膜(为换能器4和反射栅6所在层)大于60nm，图4所示为Al/ ZnO/ Al/金刚石多层膜结构测试的XRD图，XRD图可以说明制备出的ZnO有很强的(002)晶向的衍射峰，而且由于SiO (004)峰是(002)峰的二级衍射峰，ZnO (004)峰出现说明ZnO薄膜为高c_轴取向。高c_轴取向的ZnO薄膜具有很好的压电效应，金刚石具有很高的SAW相速度，二者结合，可使制备的SAW器件在相同叉指宽度的条件下达到较高的中心频率和机电耦合系数。叉指换能器采用双模式谐振器结构，叉指对数沈对；设置开路反射栅4组，每组9 对。换能器4和反射栅6的制备采用接触式曝光及刻蚀技术。
谐振器的IDT指条宽度为1. Ιμπι，IDT指条的厚度为60nm，标签中心频率 2. 45GHz。2标签天线的匹配与设计
标签采用多层膜结构的单端口谐振器，其IDT的多根存在布线电容，因此可认为SAW标签为容性器件，每根电极都会与相近的电极形成电容等效结构。用半导体参数测试仪，对制备出的IDT/ ZnO/ Al/金刚石多层膜结构的声表面波单端口谐振器的端口特性进行了实际测量，谐振器端口的静态电容和端口电阻分别为 50. 1914pf 和 48. 7Ω。与之匹配设计一款弯折偶极子天线，天线偶极子臂采用不规则的弯折形式。同时， 利用近场耦合来构造天线，其谐振频率为2. 45GHz，如图3所示。其中偶极子臂11通过馈线12连接馈电口 16，并通过巴比伦微带线13与接地板15连接。SAW RFID标签弯折偶极子天线选择介质材料为铝基覆铜板(RF4)介质板。天线的轮廓由铜片制成。SAW RFID标签弯折偶极子天线的线圈和折线之间的互感系数决定天线的输入阻抗的实部。SAW RFID标签弯折偶极子天线的线圈自由电感的函数是输入阻抗的虚部。调节输入阻抗的实部和虚部大小，可以大大增加带宽，可以容易实现和天线匹配。在theta=3度时，天线的最大增益为0. 192，比传统的偶极子天线增益0. 029增大 6. 6倍，故采用新型的偶极子天线的标签识别距离是传统的偶极子天线的距离2倍以上。3.标签的封装
以上制作好标签后，测量结果符合要求的情况下，可以对标签进行封装，便可以制作一个完整的声表面波标签。为了适应更小尺寸的RFID芯片，有效地降低生产成本，采用芯片与天线基板的键合封装分为两个模块分别完成是目前发展的趋势。其中具体做法是大尺寸的天线基板和连接芯片的小块基板分别制造，在小块基板上完成芯片贴装和互连后， 再与大尺寸天线基板通过大焊盘的粘连完成电路导通。与上述将封装过程分两个模块类似的方法是将芯片先转移至可等间距承载芯片的载带上，再将载带上的芯片倒装贴在天线基板。该方法中，芯片的倒装是靠载带翻卷的方式来实现的，简化了芯片的拾取操作，因而可实现更高的生产效率。最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者同等替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
权利要求
1.一种IDT/ ZnO/ Al/金刚石多层膜结构的声表面波射频识别标签，包括单端口谐振器与标签天线，其特征在于所述单端口谐振器采用IDT/ ZnO/ Al/金刚石多层膜结构，是在硅衬底上采用微波等离子CVD法制备金刚石膜，在金刚石膜上使用电子束蒸发系统制备 40nm-100nm厚度的Al膜，再在Al膜上使用射频磁控溅射系统制备C-轴取向的SiO薄膜， 最后在ZnO薄膜上使用电子束蒸发系统制备金属膜，再经过光刻制备出谐振器上的叉指换能器和开路反射栅；所述标签天线是弯折偶极子天线。
2.按照权利要求1所述的IDT/ZnO/ Al/金刚石多层膜结构的声表面波射频识别标签，其特征在于所述IDT/ ZnO/ Al/金刚石多层膜结构中，金刚石膜厚度大于由该标签中心频率所决定的声表面波波长3倍。
3.按照权利要求1或2所述的IDT/ZnO/ Al/金刚石多层膜结构的声表面波射频识别标签，其特征在于所述IDT/ ZnO/ Al/金刚石多层膜结构中，C-轴取向的ZnO薄膜的平均偏离度小于<1°，厚度为1/5-1/4声表面波的波长。
4.按照权利要求1所述的IDT/ZnO/ Al/金刚石多层膜结构的声表面波射频识别标签，其特征在于所述叉指换能器中的叉指对数为M-观对。
5.按照权利要求4所述的IDT/ZnO/ Al/金刚石多层膜结构的声表面波射频识别标签，其特征在于所述叉指电极宽度为0. 4μ m-1. 2 μ m，叉指电极厚度为40nm-150nm。
6.按照权利要求1所述的IDT/ZnO/ Al/金刚石多层膜结构的声表面波射频识别标签，其特征在于所述反射栅为开路反射栅，设置4-8组，每组9-11对。
7.按照权利要求5或6所述的IDT/ZnO/ Al/金刚石多层膜结构的声表面波射频识别标签，其特征在于所述叉指换能器和反射栅是在电子束蒸发系统制备的金属膜Al上，经过光刻技术制备出叉指换能器和反射栅的形状。
8.按照权利要求1-7所述的任一IDT/ ZnO/ Al/金刚石多层膜结构的声表面波射频识别标签，其特征在于所述弯折偶极子天线的偶极子臂采用间隔距离不规则的直角来回弯折式。
9.按照权利要求8所述的IDT/ZnO/ Al/金刚石多层膜结构的声表面波射频识别标签，其特征在于所述弯折偶极子天线的制作采用的是铝基覆铜板RF4介质板，天线的轮廓是由铜片制成。
10.按照权利要求8或9所述的IDT/ZnO/ Al/金刚石多层膜结构的声表面波射频识别标签，其特征在于所述标签频率为2. 45GHz-5. 8. GHz0
全文摘要
本发明公开了一种IDT/ZnO/Al/金刚石多层膜结构的声表面波射频识别标签，标签由端口谐振器和标签天线组成。该端口谐振器采用的是多层膜结构，可以提高标签的储存容量，增加标签的综合性能。与端口谐振器进行匹配设计了一款新型的弯折偶极子的标签天线，天线频率为2.45GHz，与传统天线相比增益和有效带宽明显增高，进而实现标签的远距离辐射。
文档编号H01Q1/38GK102567779SQ201210001750
公开日2012年7月11日 申请日期2012年1月5日 优先权日2012年1月5日
发明者孙素娟, 徐晟 , 李翠平, 杨保和 申请人:天津理工大学