Радиочастотная идентификационная метка на поверхностных акустических волнах

дипломная работа

1.5 Актуальность ПАВ-устройств. Выводы

Таким образом мы выяснили, что преимущества RFID систем делают возможным применение её в различных сферах торговли, производства, логистики и безопасности:

1) системы контроля и управления доступом;

2) управление производством и технологическими циклами;

3) беспроводные платежные системы;

4) учет и контроль грузовых перевозок;

5) автоматизация складирования;

6) электронная маркировка товаров в торговле;

7) электронная маркировка книг в библиотеках.

Для наглядного примера того, что РЧИД-метки на ПАВ способны составить конкуренцию чиповым меткам, произведем сравнение наиболее ярких представителей каждого класса, представив их характеристики в виде таблицы 1.3.

Таблица 1.3 - Сравнительная характеристика пассивных РЧИД- меток, работающих в диапазоне частот 850 - 960 МГц

Наименование

ESCOR-SAW [10]

RI -UHF - 00C02-03G2 [11]

Производитель

ООО «ОПФ ПИК» (Россия)

T. Instruments (США)

Вид

Метка на ПАВ

Метка на основе чипа

Размеры

200x300

95,25x38,1

Рабочая температура

от -100 до 300 0С

-40 …+65 0С

Дальность считывания

До 10 м

До 7 м

Емкость данных

До 96 бит

До 96 бит

Срок использования

Более 10 лет

До 10 лет

Радиационная стойкость

До 5 Мрад

Выход из строя

Из всего вышеизложенного определим возможные сферы применения меток на ПАВ:

1) Системы управления и контроля для транспортных средств.

2) Учет и регистрация автомобильных, железнодорожных и морских контейнеров.

4) Электронный номер (паспорт) транспортного средства.

8) Бесконтактные датчики давления, температуры и т.п

Все вышеперечисленные сферы применения транспондеров на ПАВ по своей сути являются наиболее требовательными к условиям эксплуатации систем радиочастотной идентификации и, что не менее важно, к надежности изделия, чего не может обеспечить чиповая метка.

Таким образом, проектируемая метка должна обеспечить максимально возможную дальность считывания, оптимальную конструкции, большую емкость данных и, вместе с этим, низкую стоимость. Кроме того, необходимо предусмотреть такую конструкцию, которая бы имела незначительные потери сигнала при считывании, а так же возможность считывания в поле действия ридера нескольких меток подобного типа. Все это будет определяться технологией изготовления, точностью расчетов и правильным подбором материалов.

2. Основная часть

2.1 Выбор исходных материалов

2.1.1 Основные требования к материалам подложек устройств на ПАВ

В устройствах на ПАВ в качестве материала подложки, как правило, используются пьезоэлектрики. Это связано со способом возбуждения звуковых волн с помощью встречно-штыревых преобразователей [12].

Перечислим наиболее важные характеристики материалов для устройств на ПАВ:

Квадрат коэффициента электромеханической связи (КЭМС) - дает количественное описание пьезоэлектрического эффекта. Он определяет соотношение между электрической и механической энергиями в пьезоэлектрике.

Данный параметр определяют экспериментально путем изменения времени распространения ПАВ между входным и выходным ВШП до и после нанесения на свободную поверхность между преобразователями металлической пленки.

Такие наиболее важные характеристики устройств на ПАВ, как относительная ширина полосы пропускания и вносимые потери, могут быть представлены в виде явных функций КЭМС. При заданном уровне вносимых потерь материал с большим значением КЭМС позволяет реализовать более широкополосное устройство.

Температурный коэффициент задержки (ТКЗ) - относительное изменение времени задержки, соответствующее изменению температуры на один градус. Значение ТКЗ определяют экспериментально путем измерения температурной зависимости частоты автогенератора с линией задержки на ПАВ.

Обычно материалы с большим значением КЭМС имеют худшую температурную стабильность (т.е. большие значения ТКЗ). Большое значение КЭМС показывает, что механические свойства более чувствительны к изменениям температуры.

Очевидно, что при жестких требованиях к температурной стабильности устройств предпочтительнее использовать материалы с малым значением ТКЗ.

Скорость ПАВ. С этим параметром связаны такие технические характеристики устройств, как рабочие частоты и габаритные размеры. Скорость ПАВ зависит от плотности материала, его упругих и пьезоэлектрических свойств и от состояния поверхности. Для эффективного возбуждения акустической волны и ее отражения от отражательных структур пространственный шаг топологических элементов должен быть равен длине такой волны.

Следует отметить, что фазовые скорости ПАВ на свободной и металлизированной поверхности различны. Скорость на металлизированной поверхности меньше. Это вызвано, прежде всего, закорачиванием электрической составляющей поля и приводит к изменению характеристик акустической волны.

С точки зрения повышения рабочих частот наиболее предпочтительнее материалы с большим значением скорости. Линейные размеры устройств также связаны с длиной волны. Они на практике составляют величину порядка 100 длин волн. Следовательно для низкочастотных приборов на ПАВ (частоты менее 10-100 МГц) необходимо выбирать материалы с низкой скоростью распространения (1000-2000 м/с).

Уровень потерь энергии при распространении ПАВ (коэффициент затухания). Его определяют с помощью зависимости:

BMMf+вMf 2,(2.1)

где бM и вM - коэффициенты, характеризующие потери засчет воздушной нагрузки и вязкостных свойств материала, f - частота, ГГц.

Данная зависимость получена теоретически и подтверждена экспериментально для различных материалов и из срезов. Первое слагаемое вносит свой вклад лишь в том случае, если кристалл находится в воздухе или инертном газе и равно нулю в вакууме. Второе слагаемое обусловлено взаимодействием ПАВ с колебаниями кристаллической решетки.

При проектировании акустоэлектронных устройств, работающих на частотах менее 50 - 100 МГц потерями на распространение волн чаще всего пренебрегают. В то же время, на высоких частотах они вносят весомый вклад и обязательно должны быть учтены при выборе материала для АЭУ.

На рисунке 2.1 изображены зависимости величины вносимых потерь в зависимости от частоты работы устройства для некоторых материалов.

Рисунок 2.1 - Зависимости вносимых потерь от частоты при распространении ПАВ на поверхности монокристаллов ниобата лития, лангасита, ортофосфата галлия.

Затухание ПАВ также существенно зависит от состояния поверхности подложки Следовательно в процессе изготовления АЭУ подложки звукопроводов должны быть тщательно отшлифованы и очищены. Кроме того затухание ПАВ уменьшается и при охлаждении материала.

Параметры дифракции. Как и в оптических структурах, в приборах акустоэлектроники наблюдается явление дифракции звуковой волны (рисунок 2.2). Это приводит к расхождению пучка ПАВ и потере части энергии волны. Наибольшему влиянию дифракции подвержены устройства с аподизированными преобразователями (преобразователи с изменяющейся величиной перекрытия электродов).

Рисунок 2.2 - Дифракция пучка ПАВ

Так как монокристаллы анизотропны и их характеристики акустических волн зависят от выбранного направления распространения, то картина дифракции в них усложняется в сравнении с изотропными материалами. Скорость ПАВ при разных направлениях различна, что приводит к увеличению или уменьшению расходимости пучков. Последний эффект называется автоколлимацией, Она приводит к уменьшению дифракционных потерь и особо важна в линиях задержки с большим временем задержки и в устройствах с протяженными электродными структурами. Степень дифракции для каждого конкретного пьезоэлектрического материала фиксирована. В монокристаллах она оценивается параметром анизотропии г. Величина и знак определяют степень дифракции поверхностных волн. В изотропной среде г = 0; при г > 0 дифракционные потери больше, чем в изотропной среде, при г < 0 потери меньше, чем в изотропной среде. Если г = -1, в анизотропной среде наблюдается автоколлимация, при которой расширение акустического пучка минимальное или отсутствует. Приведем значения параметров анизотропии и величины угла отклонения потока энергии для некоторых материалов.

Таблица 2.1 - Значения параметра анизотропии г и величины угла отклонения потока энергии для некоторых материалов акустоэлектроники

Материал

Химическая формула

Ориентация пластины и направление распространения ПАВ

Параметр анизотропии г

Угол отклонения потока энергии ц, 0

Кварц

SiO2

YXl/42045 (00;132045; 00)

0,378

0

Ниобат лития

LiNbO3

YZ

-1,08

0

41,50-YX

-0,45

0

Танталат лития

LiTaO3

YZ

-0,211

0

Германат висмута

Bi12GeO20

(001), [100]

-0,304

0

Берлинит

ALPO4

(90;90;80,40)

0,901

0

По мере удаления от излучателя изменяются и профили интенсивности ПАВ. Как и в классической оптике можно ввести безразмерный параметр Френеля.

,

где л - длина волны; D - расстояние от преобразователя до точки наблюдения; H - апертура преобразователя

Значение F < 1 соответствует зоне Френеля (или ближней зоне). В этой зоне наблюдается четко выраженный акустический луч и его энергия сосредоточена в полосе, «освещаемой» апертурой преобразователя. Значение F > 1 соответствует зоне Фраунгофера (или дальней зоне), в которой акустический луч «разваливается». Очевидно, что для того чтобы вся акустическая энергия, излученная входным преобразователем, была принята выходным, преобразователи должны быть расположены в ближней зоне друг относительно друга.

Величина угла отклонения потока энергии

Если направление распространения ПАВ не совпадает с так называемым направлением чистой моды (ее угловое положение задается углом ш0), то наблюдается отклонение потока энергии от направления распространения на угол ц (рисунок 2.3). Угол ц определяется соотношением:

ц =г(ш - ш0)

где г - параметр анизотропии; ш - угол, определяющий направление распространение волны.

Желательно выбирать материалы с ц=0, но данное условие не всегда выполнимо. В таком случае управлять отклонением потока энергии можно засчет изменения положения элементов друг относительно друга.

Рисунок 2.3 - Схематическое представление профилей ПАВ при их распространении по монокристаллической подложке

Потери, вызванные отклонением потока энергии существенны и могут достигать 2-6 дБ.

В заключении сформулируем общие требования к идеальному материалу:

- Большой КЭМС;

- Низкая скорость ПАВ;

- Низкий уровень потерь;

- Наличие направлений с нулевым ТКЗ;

В дальнейшем при выборе материала звукопровода будем руководствоваться данными требованиями.

2.1.2 Выбор материала подложки (звукопровода)

В таблице 2.2 в качестве сравнительной характеристики приведены основные параметры материалов акустоэлектроники.

Таблица 2.2 - Основные параметры материалов подложек

Материал

Химическая формула

Ориентация пластины и направление распространения ПАВ

Скорость ПАВ, м/с

Квадрат КЭМС, к2, %

ТКЗ

10-6/_С

Кварц

SiO2

YXl/42_45? (0_;132_45?; 0_)

3158

0.11

0

37_ - Y

5094

0.1

0

YX

3159

0.19

-24

Ниобат лития

LiNbO3

YZ

3488

4.5

94

128_ - YX

3980

5.3

75

ZXl/41_30?

3999

5.54

72

ZXb/41_30?

3503

5.36

96

41,5_-YX

4000

5.54

72

Танталат лития

LiTaO3

36_-YX

4220

6.6

30

ZY

3329

1.18

-52

ZYs/112_

3295

0.72

-

YZ

3230

0.66

35

YX

3148

0.075

49

77.1_-YZ

3254

0.72

35

Германат висмута

Bi12GeO20

(001), [100]

1681

1.36

115

(111), [110]

1708

1.69

115

Лангасит

La3Ga5SiO14

(0;140;24_)

2736.7

0.37

-0.06

(90;40;-6_)

2535

0.44

-19

(0;138,5;26.6_)

2740

0.44

-

Лангатат

La3Ga5.5Ta0.5O14

XZ

2292

0.0589

-40.6

(0;2;90_)

2210,6

0.423

64.5

Ланганит

La3Ga5.5Nb0.5O14

(30;90;90_)

2376

0.172

-45.5

Берлинит

ALPO4

(0;80,4;0_)

2751

0.63

0

(90;90;80,4_)

2717

0.22

0

(90;90;168.7_)

2926

0.49

0

Арсенид галлия

GaAs

(100), [110]

<2841

<0.06

35

(110), [100]

2822

0.016

Тетраборат лития

Li2B4O7

45_-YZ

3391

1.0

(90;90;90_)

3510

1.2

9

Ортофосфат галлия

GaPO4

(0;110;0_)

2330

0.5

0

(90;5;0_)

2501

0.3

(0;54;5;0_)

2342

0.3

0

SNGS

Sr3NbGa3Si2O14

(0;0;90_)

2835.8

0.628

-98.9

STGS

Sr3TaGa3Si2O14

(0;0;90_)

2733.1

0.562

-73.1

CTGS

Ca3TaGa3Si2O14

(0;0;90_)

2771.6

0.362

-37.1

CNGS

Ca3NbGa3Si2O14

(0;0;90_)

2906.2

0.261

-52.0

В качестве материала подложки выберем монокристалл ниобата лития. Как видно из таблицы 2.2 данный материал обладает довольно большим коэффициентом электромеханической связи, что позволит реализовать широкополосное устройство. На рисунке 2.1 наглядно проиллюстрирован тот факт, что величина вносимых потерь на частотах до 1ГГц в данном материале не превышает 0,5 дБ/мкс. Следовательно проектируемое устройство будет работать с минимальными потерями. К тому же, ниобат лития обладает приемлемыми скоростями распространения ПАВ в диапазоне 3000-4000м/с. Значения скорости, необходимые для устройства, работающего по принципу линии задержки на частотах более 100МГц, укладываются в данный интервал. Ввиду того что пьезоэлектрические материалы анизотропны, то важен становится не только сам выбранный материал, но и его срез и направление распространения акустических волн. Наиболее подходящим срезом для выбранного монокристалла ниобата лития является срез YZ, так как он обладает в этом направлении нулевым углом отклонения потока энергии ц и параметр анизотропии г близок к -1 (таблица 2.1). Это означает, что будет обеспечена высокая направленность пучка ПАВ.

2.1.3 Выбор материала для металлизации поверхности

Как и для материалов звукопроводов акустоэлектронных устройств, для проводящего покрытия также существуют определенные требования:

1) Минимальное электрическое сопротивление;

2) Высокая адгезия;

3) Однородность по структуре, составу, толщине;

4) Коррозионная стойкость;

5) Хорошая растворимость в травителе;

6) Технологичность;

7) Стабильность основных физико-химических свойств от партии к партии.

Дополнительными требованиями являются:

1) Малое различие акустических сопротивлений материала металлизации и звукопровода;

2) Низкая удельная плотность во избежание сильных отражений;

3) Слабые дисперсионные свойства.

В таблице 2.3 указаны акустические и дисперсионные свойства выбранного в качестве материала звукопровода ниобата лития

Таблица 2.3 - Акустические и дисперсионные свойства ниобата лития среза YZ и материалов металлизации

Материал

Удельное электричес-

кое сопротивление Ч106 Ом·см

Плотность с, г·см-3

Акустическое сопротивление Z, Ч106, г·см-2с-1

Коэффициент дисперсии

гд

Ниобат лития

-

4.7

16.4

+0.06

Алюминий

2,7

2,7

7,15

Ниобат лития

-

4.7

16.4

-0,46

Серебро

1,63

10,5

15,2

Ниобат лития

-

4.7

16.4

-1,05

Золото

2,3

19,3

22,0

При изготовления устройств на ПАВ для металлизации широко используются алюминий, серебро, золото, иногда медь с защитой никелем. В таблице 4 приведены акустические и дисперсионные свойства ниобата лития в сочетании с различными типами металлического покрытия.

Для фильтров на ниобате лития отражение за счет несоответствия акустических сопротивлений материалов звукопровода и покрытия минимальны при использовании серебра, но при этом велики дисперсионные искажения и увеличивается составляющая коэффициента отражения от границ электродов из за роста нагружающей массы. Дешевизна алюминия и возможность получения низкого сопротивления пленочных проводников, делает данный наиболее пригодным для нашего устройства.

2.2 Расчет основных элементов метки

2.2.1 Выбор приемо-передающего ВШП

Основным конструктивным элементом любого акустоэлектронного устройства на ПАВ является преобразователь. Наиболее простым и эффективным способом приема и возбуждения ПАВ является использование ВШП. Существует множество различных конструкций таких преобразователей. Наиболее оптимальным решением является однонаправленный ВШП, так как он обеспечивает распространение пакета ПАВ лишь в одном направлении, и тем самым потери на преобразование электромагнитного сигнала в поверхностные акустические волны минимальны. Рассмотрим типовые конструкции однонаправленных ВШП.

На рисунке 2.4 изображен однонаправленный ВШП, одна из половин которого смещена на половину длины волны и служит отражателями для обратной ПАВ. Основным достоинством данного преобразователя является высокочастотность. Поскольку для повышения эффективности отражения требуется большое количество электродов, этот тип преобразователей является узкополосным с большим уровнем боковых лепестков.

Делись добром ;)