Design and fabrication of SAW pressure, temperature and impedance sensors using novel multiphysics simulation models

G.A. Borrero, J.P. Bravo, S.F. Mora, S. Velaacute;squez, F.E. Segura-Quijanolowast;

Departamento de Ingenieria Electrica y Electronica, Universidad de los Andes, Cr. 1E # 19A-40, Bogotaacute;, Colombia

Introduction

SAW-based sensors have gained increasing attention in a wide range of applications. These sensors present many advantages to be explored, due to their small size, high sensitivity to external physical parameters and fast reaction to variations in environmental conditions [1]. Additionally, these devices do not require a battery or any power supply to operate; they can be used even under extremely harsh environmental conditions and they can be accessed wirelessly [2].

Conventionally, SAW delay lines and resonators are used for sensing applications. The first alternative uses a piezoelectric substrate with an interdigital transducer (IDT) and multiple reflectors deposited over it. An electromagnetic signal is transmitted from the interrogator unit to the IDT, which converts the received signal into a SAW, that propagates on the piezoelectric crystal surface towards the reflectors. The reflectors are placed in a specific pattern which reflects part of the incoming wave; these reflections are reconverted into an electromagnetic signal by the IDT and are transmitted back to the interrogator unit. Environmental conditions change the SAW propagation velocity, resulting in phase shifts

lowast; Corresponding author. Tel.: 57 13394949.

E-mail addresses: ga.borrero192@uniandes.edu.co (G.A. Borrero), jp.bravo44@uniandes.edu.co (J.P. Bravo), sf.mora67@uniandes.edu.co (S.F. Mora), se-velas@uniandes.edu.co (S. Velaacute;squez), fsegura@uniandes.edu.co, darkfsegura@gmail.com (F.E. Segura-Quijano).

0924-4247/$ – see front matter copy; 2013 Elsevier B.V. All rights reserved.

http://dx.doi.org/10.1016/j.sna.2013.08.021

and time delays of the reflected waves. By measuring this delay, the temperature or pressure applied on the sensor can be determined

[3].

SAW resonators consist of an IDT and shorted electrode gratings on both sides to form a resonant cavity. The surface acoustic waves are excited by the IDT placed in the cavity and are reflected by the electrode gratings to form a standing wave pattern. The shift in the resonance frequency of the resonator generated when an external pressure or temperature is applied allows the observer to estimate the respective parameter [4].

In the case of differential delay lines, the structure is similar to that of the resonator; the transmitting IDT is located in the center and there is a reflector at each side. The difference lies in the fact that the distance of the reflector to the IDT, along with its electric configuration (short electrodes, open electrodes, IDT) affect the frequency response. Such behavior is useful in order to distinguish changes when external resistive loads are connected to the reflectors, such as thermistors and strain gauges [5].

A considerable amount of work has been reported for designing passive temperature and pressure SAW sensors. In this paper, the procedures and results of this experience in SAW sensors are presented. For the fabricated temperature sensor, the sensitivity levels achieved are similar to those reported [2,6], but the principle of operation is different. This sensor provides a reference to validate the manufacturing process. For the pressure sensor, in order to test and find adequate design parameters it was necessary to develop 2D FEM multiphysics simulation models on COMSOL^reg; which include

the piezoelectric effect and its dependence to external influences like pressure or impedance; these models also have the advantage of being able to simulate full structures with real dimensions and materials. The proposed 2D model takes into account not only the mechanical and electrical properties of the device in order to obtain the resonance and wave propagating effect, but the final configuration of the sensor, as seen in the strain or pressure sensor and the RDDL impedance sensor. The simulation and measurement results are similar to those obtained by [7], with two main new features. The first one is the cantilever setup simulation in the strain sensor, and the variable impedance load over several reflectors in the RDDL device to verify for the highest sensitivity and range. Additionally, the impedan

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传感器和执行器A：物理

1介绍

基于声表面波的传感器已经在广泛的应用中获得越来越多的关注，这些传感器由于尺寸小，对外部物理参数的高度敏感性以及对环境条件变化的快速反应而具有许多待研究的优点。此外，这些设备不需要电池或任何电源供电，使在极端恶劣的环境条件下也可以使用，并且可以无线访问。

传统上，SAW延迟线和谐振器用于感测应用。第一种替代方案使用带叉指换能器（IDT）的压电基片和沉积在其上的多个反射器。电磁信号从询问器单元传送到IDT，IDT将接收到的信号转换成SAW，SAW在压电晶体表面朝向反射器传播。 反射器放置在反映入射波的一部分的特定模式中，这些反射被IDT重新转换成电磁信号并被传回询问器单元。环境条件改变了声表面波传播速度，导致相移和反射波的时间延迟。通过测量这个延迟，可以确定施加在传感器上的温度或压力。

声表面波谐振器由IDT和两侧短路电极光栅组成，形成谐振腔。表面声波由放置在空腔中的IDT激励并且被电极光栅反射以形成驻波图案，当施加外部压力或温度时产生的谐振器的谐振频率的偏移允许观察者估计各个参数。

在差分延迟线的情况下，结构与谐振器的结构类似。发射IDT位于中心，每边都有一个反射器不同之处在于反射器与IDT之间的距离及其电气配置（短电极，开路电极，IDT）会影响频率响应。这种行为对于区分外部电阻负载连接到反应器时发生的变化很有用，如热敏电阻和应变仪已经报道了用于设计无源温度和压力SAW传感器的大量工作。本文介绍了这种SAW传感器体验的程序和结果，对于制造的温度传感器，所达到的灵敏度水平与所报告的类似，但操作原理不同，该传感器提供验证制造过程的参考。对于压力传感器，为了测试和发现足够的设计参数，有必要开发COMSOL\上的二维有限元多物理场仿真模型，其中包括压电效应及其对外部影响的依赖性像压力或阻抗。这些模型还具有能够模拟真实尺寸和材料的完整结构的优势。 所提出的2D模型不仅考虑了器件的机械和电气特性，以获得共振和波传播效应，而且还考虑了传感器的最终配置，如应变或压力传感器和RDDL阻抗传感器中所见。模拟和测量结果类似于通过，有两个主要的新功能。首先是应变传感器中的悬臂安装模拟，以及RDDL设备中多个反射器上的可变阻抗负载，以验证最高的灵敏度和范围。此外，阻抗负载可以通过考虑可能增强传感器有效范围的附加电路元件来改变。根据这些模拟结果，这些器件被制造出来，然后使用网络分析仪进行表征。该描述制造过程以及模拟和测量结果的比较。

2设计和模拟

这些SAW传感器的主要目标是高反射率和对温度，压力和阻抗变化的高度敏感性。操作频率（f），机电耦合因子（K）和品质因子（Q）是声学谐振器性能的最重要参数。报告中使用基本的IDT和反应器设计作为起点，开发了包括真实尺寸和外部影响的完整仿真模型。考虑到制造限制，使用这种模型结构参数来调整所有传感器以实现最佳性能，该过程使用COMSOL\中的参数变化进行。

2.1压电基片

选择压电基片时，应考虑几个特性：波形，波速，机电耦合系数（K）等等。 因为它具有较高的声表面波传播速度（3961m/s）和较大的机电耦合系数（5.56％），因此使用128\YX切割的LiNbO3（0.5mm厚）基板用于压力，温度和阻抗传感器。这些特征导致高反射率和低插入损耗。应该注意的是，由于ST Quarz温度延迟系数为零，因此可以作为压力和阻抗测量的充分选择，在恶劣的环境中提供良好的稳定性。然而，128\YX LiNbO3是被选为这些原型设备的压电基板，因为它具有所有三种应用的通用性和功能性。

2.2谐振模型

基于单口SAW谐振器的基本SAW传感器由IDT和两个对称反射光栅组成，如图1，反射器位于IDT的两侧以建立谐振结构。IDT负责机电转换，并影响谐振器的带宽。基本谐振频率取决于声波的速度（VSAW）及其中心波长（A）：

f0 = VSAW/lambda; (2.1)

所使用的光刻工艺使电极宽度分辨率为15mu;m，金属化率设定为0.5。这产生60mu;m的中心波长，考虑到为了实现最大共振频率（理论值为66MHz），每周期IDT使用两个电极，设计限制基本上是准入和高Q。关于阻抗，目标是获得50Q结构，以便于与其他器件匹配。因此，关键设计参数是声学孔径（w），IDT nger对（Np），每个反应器的电极数量（Ng）和反应器-IDT间隔（Lg），如图1，为了找到这些参数的值，我们使用COMSOL为SAW谐振器设计开发了一个2-D仿真模型进行频域分析以获得谐振器的导纳响应并从结果计算S11参数。边界条件包括底面的固定约束和每边的矩形完美匹配层（PML）以避免边界反射。模拟1：1模型以获得响应，如图所示图2。128\YX LiNbO3材料的定义包括den-弹性矩阵，耦合矩阵和相对介电常数。铝被定义为电极材料，因为它是用于SAW器件的最常用材料之一，工作在适当的温度范围并且高度可用。通过将IDT电极设计为散布在接地端子中的电压端子来模拟金属纳米器的电特性，并且具有电位边界的反射器光栅（不适用初始收费）。在这些模拟中，电极界面密集地啮合以获得精确的解决方案。

图1.单口SAW谐振器

图2（a）SAW谐振器2-D模型和（b）IDT电极上的最近视图

为了指导SAW谐振器设计，我们研究了修改Np，Ng，w和Lg的效果，发现增加IDT的数量也会增加电导峰值。当参数Lg减小时也会出现相同的效果。此外，由于IDT孔径的增加导致电导峰值增加，并且为了获得谐振响应，需要80个反电极。尽管更多的IDT nger对可以实现更窄的带宽和更高的Q值，但由于SAW谐振器尺寸和光刻工艺中的曝光窗口的限制，IDT不能设计为具有多于60个电极。

根据设计限制，执行参数变化以发现具有最佳响应的谐振腔。表格1显示了设计SAW谐振器的参数值。谐振器在室温下模拟（25\C），图3显示设备的S11参数和导纳响应。共振频率f0为65.4MHz，电导峰值Gres为0.02S，并且S11参数的幅度在共振频率下低于20dB。为了找出Q因子计算谐振频率和带通比率f[15]。f定义为电导率为其峰值的一半时的频率差异。由等式(2), Q约为1480：

Q = fres/f (2.2)

关于SAW温度传感器仿真模型，仅在室温下进行模拟，因为该模型不包括与衬底温度相关的定义。

2.2.1压电传感器的包装考虑

有关实现SAW压力传感器的一个重要方面是处理适当包装概念的发展。因此，在COMSOL中开发了一种新的仿真模型来测试传感器的工作配置。有几位作者报道了SAW压力传感器隔膜安排。然而，另一种方法是悬臂配置。在模拟结果的基础上，选择了最后一种方法是因为当压力施加到传感器时，它在共振频率偏差方面的改进响应。尽管如此，应该说，如果提出大规模生产，这种配置更难以制造。

图3.设计谐振器的仿真结果：（a）S11参数和（b）导纳响应

图4 声表面波压力传感器的二维仿真模型

图5（a）50和500 Q之间的测试负载的S11响应和（b）没有测试负载的器件阻抗

包装模拟模型由可伐基础材料（ASTM-F15-合金）[21], 一个128\YX LiNbO3盖子和一个引脚。外部压力会使盖子弯曲，因此销钉会向传感器施加一个力。如果将应变能施加到压电基板，则基板密度发生改变，这改变了波的传播速度并且产生允许压力感测的共振频移。

图4 显示了包括基本封装的SAW压力传感器的2-D仿真模型，使用固体力学模块执行静态分析以发现基材弯曲和销施加力。因此，杨氏模量和泊松比被定义。通过在盖上设定边界载荷条件，可以在模型中包括压力变化。结果，获得了由压力变化引起的谐振频率偏移。

研究了修改悬臂位置的影响。基于模拟结果，选择将悬臂支撑放置在谐振器IDT的中心，因为对于大多数应用来说，感兴趣的压力范围获得高度线性的响应。

2.3 有源差分延迟线模型（RDDL）

RDDL是传统延迟线的变体，其中反射体位于IDT的两侧，利用在传播轴的两个方向上产生的SAW波。InRDDL的响应取决于每个反射器与中央IDT之间的距离。对于不同的距离，RDDL使用时域响应作为常规延迟线工作，由于等时延，时间响应不再有用，它应该在频域进行评估。对于RDDL设计，基本参数固定为温度和压力传感器定义的值，以便于制造。然而，计算孔径是为了满Fresnell的极限^[13]以实现适当的声表面波响应。根据IDTs被选为反射器。所使用的设计参数是IDT fin-ger pair（Np），每个反射器的电极数量（Ng），反射器分离（Lg）和反射器上的电负载（即短路，开路和可变阻抗），其中事实上它是最重要的参数。二维COMSOL模型由于其精确性和多功能性，也被用于设计和测试。来自谐振模型的材料定义和边界条件以及用于模拟载荷的电边界被保留下来。进行了三次模拟在所有情况下，最重要的结果是在对电阻负载进行变化时，共振峰的幅度发生了变化。就线性而言，最好的反应是由短路反射器和反射器产生的，参考负载。表2显示了在器件的性能和尺寸之间给出平衡响应的IDT参数。图5a示出了针对多个测试负载的S11响应，以及图5b示出了开路中的器件的阻抗。所有仿真都显示多于一个谐振峰值，但基于几个仿真的行为，65.45 MHz的仿真可为测试范围内的每个电阻值提供足够的响应。在这个频率下的阻抗是103〜71.11Omega;。当测试负载在50和500Omega;之间变化时，只有在谐振峰处获得的振幅变化而不是谐振频率的变化。分析阅读过程的充分条件时，这样的结果很有意思。通过指数回归和多个测试负载的结果，可以观察到在0到350之间的线性行为。为了提高感应范围，在文献^[5]中提出使用电感器来修改反射器的阻抗。通过使用并联电感，将反射器的输入阻抗的电抗部分拖到零，这实际上改善了线性区域，导致范围在0和大约800Q之间。

图6蚀刻技术总体原理图

图7.用于制造的RDDL和谐振器布局

3制造

对两种不同的光刻方法进行了测试，目的是根据所需的图案（即相同尺寸，低故障率，最小误差）选择能够产生更好结构的工艺。第一个探索过程是剥离技术，其中在暴露图案之后进行金属化。第二个步骤是在晶片被金属化之后进行曝光的蚀刻技术^[10]。进行了由具有不同宽度（45mu;m，30mu;m，15mu;m）的电极构成的测试程序。测试结束后，我们选择了蚀刻技术，因为它提供了一个简单的去除过程，其成功率比对手高，同时即使在15微米的物理尺寸精度也有所提高，这实际上是设备分辨率的限制。

3.1雕刻技术

这项技术的一般方案已经公开图6。最初，晶片被清理并用金刚石刀头切割。然后，将它们放置在蒸发器中以获得铝层在衬底之上300至500nm之间，这是在之前的模拟中检查的合适范围。布局设计使用15微米/像素分辨率（图7）并使用700像素窗口实现单次曝光。谐振器的总尺寸为7.2毫米6.2毫米，RDDL为8.7毫米7.9毫米。这些图案使用SF-100微图案系统曝光。对于蚀刻工艺，使用氢氟酸（HF），硫酸铵（（NH4）2SO4）和水的混合物。时间和层宽的平衡是必要的，以防止蚀刻超过期望的图案，但是该技术比具有较高故障率的其他替代方案更好地工作。

3.2结果

第一批试验装置是延迟线（IDT和开路电抗器），可以测试两种制造方法表明蚀刻技术是最适合制造的工艺。如上所述，制造由宽度在15mu;m和45mu;m之间的电极组成的器件以便限定工艺限制。虽然设备约束为15mu;m，但是可以实现这样宽的电极，这是非常重要的，因为SAW器件在高工作频率下具有优势（例如小尺寸天线，较低的材料使用）。

最终设计使用两种类型的结构：谐振器和RDDL。进行了几次尝试，虽然在蚀刻工艺时间中发现了困难，但成功获得了压力/温度传感器和阻抗测量的原型。 在后一种情况下，由于曝光中的小的系统缺陷，只能得到具有一个开路反应器和一个短路反应器的结构，而不影响功能。所制造的器件的图像是使用谐振器的显微镜拍摄的（图8a）和RDDL的立体镜（图8b）都带有5倍变焦。

4 SAW传感器的测试和表征

通过使用用于S11参数测量的ROHDE＆SCHWARZ ZVB20矢量网络分析仪设置测试平台，并且在应用传感器测量的情况下，用Hewlett Packard 8753D网络分析仪建立温度和压力传感器的谐振频率变化，并且幅度变化用于阻抗测量。
SAW器件通过共面波导技术（CPW）以50Omega;特性阻抗和SMA连接器作为端口输入进行有线连接测试。为了纠正线路所包含的电气延迟，需要一个校准夹具组被制作成包括开放式，短片式和CPW系列的配对。CPW传输线制造在FR4衬底上。

图8 .原型器件（a谐振器和（b）RDDL

图9制造和仿真SAW谐振器的S11参数比较

图10开发的SAW温度传感器的实验测试设置

4.1温度测量lt;

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