潘凌楠1，吳成玲1，胡芳仁1, 2

　　(1.南京郵電大學(xué) 光電工程學(xué)院，江蘇 南京 210046；2.南京郵電大學(xué)Peter Grüenberg中心，江蘇 南京 210023)

　　摘要：針對(duì)基于聲表面波技術(shù)的射頻識(shí)別系統(tǒng)工作原理，提出利用COMSOL軟件進(jìn)行ZnO單晶材料射頻波標(biāo)簽特性研究，進(jìn)行多物理域耦合建模與仿真。提取出符合聲表面波特性的模態(tài)圖，得到正特征頻率和反特征頻率分別為268 MHz和275 MHz。通過(guò)對(duì)特征頻率的仿真分析，計(jì)算ZnO單晶的相速度達(dá)到2 715 m/s；通過(guò)頻率響應(yīng)分析，畫出標(biāo)簽位移與頻率之間的關(guān)系圖，獲得了標(biāo)簽的幅頻特性；最后討論脈沖幅度編碼對(duì)回波脈沖的影響。

　　關(guān)鍵詞：ZnO單晶；聲表面波；射頻識(shí)別；標(biāo)簽

　　射頻識(shí)別(Radio Frequency Identification,RFID)技術(shù)是通過(guò)無(wú)線電信號(hào)查詢目標(biāo)并讀取相關(guān)數(shù)據(jù)的一種通信技術(shù)，查詢系統(tǒng)與待測(cè)目標(biāo)之間不需要直接接觸就能識(shí)別［1］。主要通過(guò)無(wú)線射頻信號(hào)空間耦合作用實(shí)現(xiàn)傳遞并獲取識(shí)別對(duì)象的相關(guān)數(shù)據(jù)。聲表面波(Surface Acoustic Wave，SAW)標(biāo)簽屬于無(wú)芯片電子標(biāo)簽，它將接收到的高頻脈沖通過(guò)叉指換能器轉(zhuǎn)變成聲表面波，并在晶體表面?zhèn)鞑ィ哂羞m應(yīng)惡劣環(huán)境、無(wú)源、識(shí)別距離長(zhǎng)、批量生產(chǎn)成本低等優(yōu)點(diǎn),與如今的IC電子芯片標(biāo)簽有良好的互補(bǔ)性。目前，SAW 標(biāo)簽廣泛應(yīng)用于高速公路智能收費(fèi)系統(tǒng)、車輛防盜識(shí)別、貨運(yùn)管理網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)、供應(yīng)鏈管理等方面。

　　ZnO單晶由于其光電耦合系數(shù)高、溫度系數(shù)低且廉價(jià)易得等特性，備受國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)的關(guān)注。但目前國(guó)內(nèi)對(duì)于ZnO單晶研究卻少有報(bào)導(dǎo)。

1工作原理

　　1.1SAW射頻識(shí)別原理

　　圖1SAW射頻標(biāo)簽工作原理SAW射頻識(shí)別系統(tǒng)由閱讀器、聲表面波標(biāo)簽以及終端的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)這三部分組成。其中聲表面波標(biāo)簽由壓電基底以及沉融在基底上面的標(biāo)簽天線、反射柵和叉指換能器組成。其工作原理如圖1所示，標(biāo)簽天線接收到閱讀器發(fā)射的查詢信號(hào)后進(jìn)入叉指換能器，由于存在逆壓電效應(yīng)將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為聲表面波信號(hào)在ZnO單晶上傳播，經(jīng)過(guò)反射柵時(shí)由于反射形成回波信號(hào)［2］，回波信號(hào)再次經(jīng)過(guò)叉指換能器將正壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)換為脈沖回波信號(hào)發(fā)射給閱讀器。反射柵排列不同反射的回波信號(hào)也不同，所代表的標(biāo)簽信息也就不同。

　　特征頻率是聲表面波標(biāo)簽這種器件的主要參數(shù)，這個(gè)頻率即閱讀器發(fā)射射頻查詢脈沖的頻率。當(dāng)查詢信號(hào)頻率與標(biāo)簽的特征頻率相等時(shí)，此時(shí)轉(zhuǎn)化的聲表面波效率也最高、標(biāo)簽的插入損耗也最?。?］。因此閱讀器可通過(guò)查詢特征頻率來(lái)達(dá)到檢測(cè)不同標(biāo)簽的目的。本文利用COMSOL軟件有限元方法研究影響ZnO單晶射頻標(biāo)簽的頻率特性。

　　2二維模型結(jié)構(gòu)建立

　　叉指換能器（Inter Digital Transducer,IDT)由周期性排列并與匯流條交替連接的多對(duì)電極構(gòu)成。由于聲表面波主要集中在基底表面?zhèn)鞑ィ?］，能量也集中在表面附近。為減少仿真計(jì)算量并且確保仿真的精度，將周期性排列的叉指換能器簡(jiǎn)化成由一對(duì)電極組圖2射頻標(biāo)簽二維模型

　　成［5］。簡(jiǎn)化后的標(biāo)簽二維模型如圖2所示。基片材料為ZnO單晶,取向?yàn)椋?001），IDET采用金屬鋁電極。假設(shè)設(shè)計(jì)波長(zhǎng)λ為10 μm,叉指換能器電極寬度a為2 μm，電極高度h為0.2 μm，兩個(gè)電極中心間距p為5 μm，模型邊界［6］如表1。表1射頻標(biāo)簽的邊界條件邊界ΓTΓBΓL,ΓR機(jī)械邊界條件自由固定自由電學(xué)邊界條件零電荷零電荷周期性邊界條件

　　2.1特征頻率研究

　　利用上面設(shè)計(jì)的尺寸建立模型后,在consol模塊里選擇特征頻率處理器求解標(biāo)簽特征頻率。由于叉指換能器的電極效應(yīng)，仿真過(guò)程中可以提取到兩個(gè)符合聲表面波振型的特征頻率,定義為正特征頻率fsc+和反特征頻率fsc-［7］。由圖3對(duì)稱模態(tài)圖和反特征模態(tài)圖可以看出對(duì)應(yīng)的聲表面波正特征頻率fsc+為268 MHz ，反特征頻率fsc-為275 MHz，并且發(fā)現(xiàn)振幅從上至下逐漸減小，同時(shí)發(fā)聲表面波只在基片表面1~2個(gè)波長(zhǎng)深度內(nèi)傳播，符合聲面波傳播特性。

　　利用式（1）可計(jì)算出ZnO單晶的聲表面波相速度v=2 715 m/s，根據(jù)聲表面波器件工作原理可知，由圖4振動(dòng)位移圖可以看出，當(dāng)外界查詢信號(hào)的頻率等于標(biāo)簽的特征頻率268 MHz 時(shí)，此時(shí)聲表面波的振動(dòng)位移達(dá)到最大。

　　veff=p×(fsc++fsc－)(1)

　　2.2反射柵設(shè)計(jì)

　　本文選擇金屬鋁作為反射柵材料，脈沖幅度編碼利用有無(wú)設(shè)置反射柵代表編碼的1和0。反射柵排列方式不同意味著標(biāo)簽攜帶信息編碼方式不同。當(dāng)聲表面波傳送到反射柵，由于反射和透射產(chǎn)生延遲，導(dǎo)致回波信號(hào)編碼信息不同，從而可以識(shí)別不同標(biāo)簽信息［810］。假設(shè)閱讀器發(fā)射一個(gè)查詢脈沖持續(xù)時(shí)間為to,載波中心頻率為fo。在叉指換能器IDT金屬鋁電極上加載隨時(shí)間變化的電壓，分別為sin(wt)rec(t)和sin(wt+π)rec(t)，幅值為 1 V。其中：rec(t)=1(0<t<t0)。當(dāng)波長(zhǎng)λ為10 μm，由上面仿真出來(lái)的特征頻率為268 MHz，波速v為2 715 m/s。為了模仿識(shí)別標(biāo)簽信息，設(shè)置110110和111011兩種不同反射柵編碼標(biāo)簽?zāi)Ｐ?，由圖5可以看出脈沖間隔時(shí)間為20 ns，

　　圖5不同反射柵編碼對(duì)應(yīng)不同的回波脈沖相比發(fā)射的查詢波展寬了一倍，實(shí)際上回波脈沖在反射柵傳播時(shí)經(jīng)歷反射疊加造成回波脈沖的延展。制作標(biāo)簽時(shí)可通過(guò)在標(biāo)簽兩邊添加吸聲材料減少此延誤。

3結(jié)論

　　本文利用COMSOL軟件中有限元仿真模塊進(jìn)行ZnO單晶射頻波標(biāo)簽特性研究，進(jìn)行多物理域耦合建模與仿真。提取出符合聲表面波特性的模態(tài)圖，并計(jì)算出聲表面波在ZnO單晶傳播的相速度v=2 715 m/s，特征頻率為268 MHz。由于SAW集中在ZnO單晶表面1~2個(gè)波長(zhǎng)范圍內(nèi)傳播,要使其激發(fā)出的聲表面波振動(dòng)位移達(dá)到最大，外加的查詢信號(hào)頻率應(yīng)與其標(biāo)簽的特征頻率相等，才能符合聲表面波的特性。通過(guò)對(duì)射頻標(biāo)簽反射柵的仿真設(shè)計(jì)，進(jìn)而可以簡(jiǎn)單明了地識(shí)別標(biāo)簽。上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了仿真研究的有效性，可以為實(shí)際制作射頻標(biāo)簽提供參考。

參考文獻(xiàn)

　?。?］ 劉男男，李陽(yáng)，李亞楠. 基于RFID的醫(yī)療器械智能控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) ［J］.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2015（1）：7577.

　　［2］ 溫興輝，陳偉，錢雯雯，等.基于射頻技術(shù)的電動(dòng)自行車智能防盜系統(tǒng) ［J］.微型機(jī)與應(yīng)用,2014,33（10）:2729,32.

　?。?］ 高山,杜秀麗,李曉偉，等.基于射頻識(shí)別技術(shù)的溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［J］. 微型機(jī)與應(yīng)用,2014, 33（20）:8082.

　?。?］ 黃鑫，陳智軍，阮鵬，等．聲表面波標(biāo)簽的仿真與實(shí)驗(yàn)研究［J］.中國(guó)機(jī)械工程,2014，25（5）：651656.

　　［5］ 何明，梁文輝，陳國(guó)華，等．基于多視圖的信息物理融合系統(tǒng)體系結(jié)構(gòu)研究［J］. 計(jì)算機(jī)工程與應(yīng)用，2013，49（12）：2531.

　　［6］ 姚恒斌，胡芳仁，吳成玲. ZnO單晶聲表面波諧振器傳播特性的研究 ［J］.壓電與聲光，2015，37（4）：550553,557.

　　［7］ PLESSKY V P,REINDL L M. Review on SAW RFID tags［J］. IEEE Transactions on Ultrasonics, Ferroelectrics and Frequency Control, 2010,54(7):654668.

　?。?］ 盧旭，陳智軍，黃鑫，等．基于COMSOL的聲表面波標(biāo)簽仿真［J］.壓電與聲光,2012,34（4）：494497.

　?。?］ 錢莉榮，楊保和．ZnO薄膜/金剛石在不同激勵(lì)條件下聲表面波特性的計(jì)算與分析［J］.物理學(xué)報(bào)，2013, 62（11）：468479.

　?。?0］ 宗子軒，諶海云，吉寧，等．物聯(lián)網(wǎng)和SCADA系統(tǒng)的發(fā)展、現(xiàn)狀與展望［J］.物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)，2014（12）：6164.