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表面声波器件的高分辨率,高线性度温度传感器

时间:2019-01-22   来源:vr赛车电子  编辑:热敏电阻厂家  浏览:
高分辨率和高线性度 表面声波 (锯) 温度 传感器, 由a组成 锯 谐振器 设备在新型X切LiNbO 3 / SiO 2 / Si上制造压电 基板和使用标准180nm的共振频率读出芯片 CMOS vr赛车,是第一次提出。
高温性能衬底LiNbO 3 / SiO 2 / Si主要通过离子注入和晶片键合首先制备。RF锯 设备在衬底上设计并制造谐振频率接近900MHz的谐振频率。
使用网络分析仪和读出芯片方法的传统探针方法都被实现以表征制造的锯 设备。 进一步 测量 的 温度 使用共振频移 锯 设备 证明了组合系统作为便携式系统的可行性 锯 温度 传感器。
得到的频率 - 温度关系 设备几乎是线性的。读出芯片的频率分辨率为733 Hz并且相应温度 精度为0.016°C 传感器 在这项工作中优于大多数商业 温度测量 传感器。
理论分析与理论 有限元模拟 还介绍了证明使用的机制和有效性 锯 设备 对于 温度检测应用。vr赛车得出结论,高线性频率 - 温度关系是通过LiNbO 3和SiO 2的高阶系数之间的偏移来实现的。
这项工作提供了可能性温度 测量 在超高精度传感和控制应用中。
表面声波 (锯) 设备 几十年前就已经研究和利用过。 锯 设备获得了巨大的商业成功,1两个主要应用领域是通信系统和物理量传感器,分别。
由于价格相对便宜,制作工艺简单,体积小,性能稳定,与标准兼容CMOS 过程,研究和应用 锯 设备仍处于一个充满希望的趋势。环境条件,如压力,湿度和温度可能导致共振频率f r偏移。
2从而,锯 设备如果可以读出频移值,则能够检测周围的变化。延迟区域的特殊预处理也可以给出锯 设备能够进行气体传感3,4和生物传感。5,6图 1 是一个图表 锯 物理量 传感器。
各种类型的 锯 传感器已经在文献中报道了使用不同的设计和操作方法。7-10 温度频率(TCF)的系数是表示共振频率的偏移的一个重要参数?F ?与温度 ?。
11其中最常用的一种压电材料LiNbO 3具有负TCF,这意味着其f r随着下降而下降温度增量。最广泛使用的优化方法是将具有正TCF的材料(例如SiO 2)与普通LiNbO 3基板结合。
综合结构体 将有一个很好的优化 温度稳定性和更一致的TCF,11这有很大的好处温度 稳定和传感应用领域


图1表锯 物理量 传感器


锯 设备与?F ?接近900兆赫的设计和制造的LiNbO 3 /的SiO 2 / Si的结构体, 这有很大改善 温度性能优于传统的LiNbO 3基板。使用标准180nm的频率检测芯片CMOS 提出了用于频率读出的过程 锯 设备。 锯 设备 并且读出芯片被组合以构建便携式 传感器系统。为了验证实际应用的可能性,vr赛车使用组合传感器 系统要做 温度测量 在海外(国外 温度范围从20°C到100°C 。可以实现具有接近线性f r -T关系的优异性能。由于读出电路的频率分辨率是733Hz和制造的工作频带锯 谐振器约为900 MHz,0.016°C 温度可以实现传感精度。结果优于大多数相关商业广告传感器 从而提供了可能性 温度在一些超高精度要求的应用中进行传感。理论分析与理论有限元模拟 还介绍了证明使用的机制和有效性 锯 设备 对于 温度 检测应用。
图2(a)图1显示了LiNbO 3 / SiO 2 / Si 的制造过程结构体,这主要基于离子注入和晶圆键合。第一步是将He +离子注入LiNbO 3晶片。然后在Si晶片上沉积SiO 2层。将两个制备的晶片清洁并粘合在一起,然后加热粘合的对。最后,一层薄的单晶LiNbO 3从原始的LiNbO 3晶片上分离出来并停留在SiO 2 / Si 的表面上结构体。进一步的退火步骤用于增加粘合强度。最后,采用化学机械抛光(CMP)工艺来平滑LiNbO 3膜的表面。LiNbO 3 / SiO 2 / Si结构体 通过这种方法获得的效果要好得多 温度 性能优于传统基板,包括较小的TCF值,更高 温度线性度和更大的耦合系数。12 锯 设备 这项工作是谐振器 结构体包含叉指式换能器(IDT)和反射器。IDT和空间宽度的线路宽度都被设置为1 μm以获得周期P的4 μm。声波LiNbO 3材料中的速度V约为3600m / s,13使用公式简单计算?F - [R =V/P,vr赛车可以估算出?F ?的设备大约是900 MHz。采用EBL工艺实现高精度模式。在预处理之后,进行EBL暴露和显影,金蒸发和随后的剥离以形成电极结构体。14制作的光学图片锯 设备可以在图2(b)中看到。捏造的锯 设备首先是网络分析仪(Agilent N5247A)的特征。反射散射参数(S 11)和透射散射参数(S 21)曲线的测试结果如图2(c)所示。。从结果可以看出,?F [R的设备约为902 MHz。这符合原始设计的期望。但是,网络分析仪是一种体积庞大,操作困难的设备。因此,实际上不可能采用这种f r读出方法传感器 应用

图2

180纳米 CMOS 频率读出芯片的设计和制造符合测试的要求 锯 设备。功能电路的核心区域约为1.8×1.8 mm 2。它由分数N锁相环(PLL)组成,作为激励源设备和使用逐次逼近(SAR)的f r检测电路。拟议电路图如图3(a)所示。图3(b) 显示了 测量小数N分频PLL的频率分辨率,vr赛车可以从中看到频率分辨率为733 Hz。使用制造的锯 设备 和芯片一样,vr赛车打造便携式 传感器实际应用系统。PCB板不仅可以固定锯 设备而且芯片还可以作为连接和提供辅助分立电子元件。图3(c) 显示了 锯 设备并且芯片分别由塑料封装和黑色粘合剂保护。测试设置如图3(d)所示。微程序控制单元(MCU)用于通过串行外围接口(SPI)读/写控制字。与传统方法相比,组合系统显示出相同的测试性能,但具有大规模缩放和简化操作。对于传感器在实际应用中,需要一个体积小,即时反馈的系统。该系统提供了使用的潜力锯 设备 充当实时的 传感器。
图。3.
(a)拟议电路图; (b)中测量小数N分频PLL的频率分辨率; (c)包装的图片锯 设备和读出芯片; (d)测试设置

合并 传感器 系统放在热板上实现 温度 变异。 温度 范围设定在20°C至100°C,步长为5°C 温度因为考虑到PCB板可能受到损害而避免使用。根据测试结果,推导出f r与T 的关系,如图4所示。vr赛车可以看到在给定的温度范围,几乎线性的f r -T关系可以得到。在数据的线性拟合中,R平方为0.99842,这意味着可以实现相当高的线性度。vr赛车重复一遍温度测试几个周期,结果保持稳定。一个锯 设备使用相同的设计和方法在普通LiNbO 3衬底上制造的晶片也作为对比进行测试。从结果vr赛车可以推断出线性和稳定性温度 的表演 锯 设备基于LiNbO 3 / SiO 2 / Si结构体 非常优化 设备在LiNbO 3基板上。因此vr赛车相信,在事先校准之后,系统能够充当温度 传感器。 由于读出电路的频率分辨率是733Hz和制造的工作频带 锯 谐振器约为900 MHz,0.016°C 温度 可以获得传感精度。
图。4.
仿真实验谐振频率-温度关系锯 设备LiNbO 3 / SiO 2 / Si衬底上的实验结果锯 设备在LiNbO 3衬底上作为对比。

LiNbO 3是常用的压电 具有三角晶体对称性的材料 结构体(3分点组)。15的晶体结构平面中的LiNbO 3可以在图5(a)中看到。它具有六个独立的弹性刚度系数C ij,四个压电εijκij。16的速度机械波在固体物质中的扩散是由材料的弹性刚度决定的。因此,C ij矩阵对频率特性具有至关重要的影响。

图。5.
(a)铌酸锂结构体(3米水晶类); (b)分层的协调系统结构体 铌酸锂/二氧化硅/硅。

这里,C 66 =(C 11 -C 12)/ 2。此外,LiNbO 3的C ij高温度 与一组负面相关 温度系数。17所以温度增加,C ij,V和f r都相应减少。除了,温度对材料密度 ρ也有影响 和热膨胀系数CTE,所有上述因素都有所贡献 锯 设备 频率 - 温度关系如下:
TCV代表了影响力 温度速度,主要是由C ij矩阵的变化引起的。从文献,所有上述价值观和他们的温度系数可以得到。13,15-17层材料SiO2具有完全相反的结构温度与LiNbO 3的财产。该温度对于SiO 2,系数都是正的,因此SiO 2具有补偿的能力温度与LiNbO 3结合时的变化。衬底Si用作低CTE夹持器晶片,这也有利于整体性能。11关于分层的理论计算结构 是一种弹性的应用 波参考文献中开发的传播 18。在图 5(b)中,坐标系是为LiNbO 3 / SiO 2 / Si层叠而构建的结构体,其中X 1是行进方向波。 在每种媒体中, 波机械位移Un(n = 1,2,3)和电势 φ的方程要求满足以下等式:

哪里C.,ε,和 κ都是张量形式,x代表波沿不同轴的运动。在两层之间的边界,波方程式应该是连续的。因此通过求解上述方程,vr赛车可以得到频率特性波在多层中传播。周围温度可以通过影响材料的基本系数来改变频率。但是,对于给定的材料,其TCF也是一个变量温度 因为大多数相关系数不是常数 温度变化。13高阶系数导致非线性f r -T曲线,这阻碍了该方法在实际应用中的使用。这篇文章在这里提出了锯 设备 基于 结构体LiNbO 3 / SiO 2 / Si在测试中具有接近恒定的TCF温度 范围,这意味着当它作为一个工作时,不需要特殊的划分或参考 温度 传感器。

vr赛车建立一个 锯 设备 模型使用 有限元模拟软件COMSOL。所有获得的值如Cij, ρ并且将LiNbO 3,SiO 2和Si的CTE 全部设定为变量温度其中相关系数的值来自文献。13,15-17,20,21使用机械和电场之间的耦合,机械振动可以在谐振时获得模式和电势分布。图6(a)和图6(b)包含共振频率下的模拟模式形状和电位。然后vr赛车扫描一下温度, 因此频率和频率的模拟结果 温度可以得出并呈现在图6(c)中。对于两个衬底LiNbO 3 / SiO 2 / Si和LiNbO 3,当仅为第一级时温度考虑系数,可以获得线性f r -T关系。在添加二阶系数之后,f r -T曲线具有抛物线形状。然而,LiNbO 3 / SiO 2 / Si 的线性度仅比LiNbO 3好得多。这也证实了实验结果。其原因是LiNbO 3和SiO 2的高阶系数由于它们的不同符号而将被抵消。SiO 2的引入降低了第一级温度系数几乎抵消了二阶系数。因此,锯 设备所提出的LiNbO 3 / SiO 2 / Si能够起到高线性和稳定的作用温度 传感器。

图。6.
(a)模拟机械振动模式形状; (b)模拟电位分布; (c)LiNbO 3 / SiO 2 / Si和LiNbO 3的模拟频率 - 温度关系。

便携式 传感器 系统,包括一个 锯 谐振器 设备在LiNbO 3 / SiO 2 / Si衬底和180nm上制造CMOS开发了用于频率读出的芯片。与传统的测试方法相比,它具有相同的性能,但具有更大的尺寸和感应时间。周围温度 使用。检测到 传感器 通过 锯 设备频移。从实验结果vr赛车可以推断出线性和稳定性温度 的表演 锯 设备基于LiNbO 3 / SiO 2 / Si结构体 非常优化 设备在LiNbO 3基板上。理论与方法有限元模拟 还介绍了验证机制和功能 锯 设备 作为一个工作 温度 传感器。 这项工作提供了可能性 温度 测量 在超高精度传感和控制应用中