FBAR振蕩器作為六端口反射計射頻源的BAW傳感器讀出電路

高楊，黃振華，蔡洵

(1.中國工程物理研究院電子工程研究所，四川綿陽621999;2.西南科技大學信息工程學院，四川綿陽621010; 3.重慶大學新型微納器件與系統(tǒng)技術國防重點學科實驗室，重慶400044;4.中國科學院高能物理研究所核探測與核電子學國家重點實驗室，北京100049)

FBAR振蕩器作為六端口反射計射頻源的BAW傳感器讀出電路

高楊1，4，黃振華2，3，蔡洵2

(1.中國工程物理研究院電子工程研究所，四川綿陽621999;2.西南科技大學信息工程學院，四川綿陽621010; 3.重慶大學新型微納器件與系統(tǒng)技術國防重點學科實驗室，重慶400044;4.中國科學院高能物理研究所核探測與核電子學國家重點實驗室，北京100049)

為解決由于FBAR的諧振頻率處于射頻頻段，導致BAW傳感器讀出電路難以實現(xiàn)的問題，將FBAR振蕩器作為六端口反射計射頻源，以檢測FBAR諧振頻率，從而實現(xiàn)BAW傳感器信號讀出的新型讀出電路。在ADS軟件中，通過建立FBAR的MBVD模型并采用Pierce拓撲結(jié)構(gòu)實現(xiàn)FBAR振蕩器的仿真模型，以及建立六端口反射計的仿真模型，并結(jié)合兩個仿真模型建立BAW傳感器的最小系統(tǒng)模型。BAW傳感器最小系統(tǒng)模型的仿真結(jié)果表明:由FBAR振蕩器和六端口反射計實現(xiàn)BAW傳感器讀出電路的可行性。為實驗驗證該結(jié)構(gòu)，搭建一個基于微帶六端口網(wǎng)絡實物的六端口反射計實驗裝置，準確地測得1個案例FBAR振蕩器的振蕩頻率為1.5 GHz，該振蕩頻率就是傳感器表頭中FBAR的諧振頻率。

體聲波傳感器;讀出電路;薄膜體聲波諧振器;振蕩器;六端口反射計

0 引言

體聲波(bulk acoustic wave，BAW)傳感器是由薄膜體聲波諧振器(thin－film bulk acoustic resonator，F(xiàn)BAR)的諧振頻率感應待測物理量的變化，BAW傳感器讀出電路檢測FBAR諧振頻率偏移量的新型諧振式傳感器。由于FBAR具有靈敏度高，準數(shù)字量輸出，便于集成和工作頻率高等特點，可用于質(zhì)量［1］、紫外線［2］、汞離子［3］、氣體［4］、生物［5］和加速度［6］等傳感器。但是，BAW傳感器的發(fā)展依然存在許多待解決的關鍵技術，其中一個關鍵技術就是缺少BAW傳感器的讀出電路。有文獻報道利用六端口反射計的基本原理為BAW傳感器設計了一款讀出電路。六端口反射計的基本原理是通過測量6個端口中4個端口的電壓值，獲得待測件(device under test，DUT)的反射系數(shù)，然后得到反射系數(shù)(Γ)－頻率(f)曲線并通過阻抗分析方法測量FBAR的諧振頻率［7－8］。但阻抗分析方法實現(xiàn)的讀出電路需要一個頻帶較寬的射頻信號發(fā)生器提供射頻信號，而寬帶的射頻信號發(fā)生器難以實現(xiàn)集成化，且在測量過程中需要針對一個較寬的頻帶內(nèi)的所有頻點進行掃頻測量，所需測量時間長難以實現(xiàn)實時測量。除了阻抗分析方法常用的還有FBAR振蕩器方法，F(xiàn)BAR振蕩器方法實現(xiàn)的讀出電路是將FBAR設計成一個單頻點的射頻信號發(fā)生器，即FBAR振蕩器，并通過六端口反射計檢測得到FBAR振蕩器的振蕩頻率，只需進行單頻點測量，所需測量時間極短可用于實時測量。基于六端口反射計的阻抗分析法和FBAR振蕩器法，本文提出了一種采用FBAR振蕩器作為六端口反射計射頻源，用于檢測FBAR諧振頻率的BAW傳感器讀出電路。

1 原理

新型的BAW傳感器讀出電路是由FBAR振蕩器和六端口反射計構(gòu)成，其中FBAR振蕩器工作原理:由于FBAR在串/并聯(lián)諧振頻率間是呈現(xiàn)感性的，若將FBAR與電容串聯(lián)可得到總阻抗為零的振蕩回路，再將振蕩回路連入放大電路中即可得到FBAR振蕩器。這里使用的振蕩器是將FBAR、三極管和集總元件通過Pierce拓撲結(jié)構(gòu)連接而成FBAR振蕩器，如圖1(a)所示。其中FBAR與兩個電容C1，C2構(gòu)成了振蕩回路，電阻R1，R2，Re和Rc為三極管提供工作所需的直流偏置使其工作在放大區(qū)，電感L1防止高頻信號干擾直流電源，L2防止高頻信號到地，Cb耦合電容的作用是將反饋信號耦合到放大器的輸入端。

圖1 BAW傳感器最小系統(tǒng)框圖

六端口反射計的核心器件是六端口網(wǎng)絡，且其端口1接信號發(fā)生器，端口2接DUT(對于BAW傳感器即為FBAR)，其余4個端口分別接上4個功率計，如圖2所示。六端口反射計的工作原理:當信號發(fā)生器為六端口網(wǎng)絡提供某一頻率的信號源(功率穩(wěn)定)時，六端口反射計能夠通過4個功率計得到4個功率讀數(shù)記為P3、P4、P5、P6，六端口反射計可以將這個4個功率讀數(shù)代入式(1)中求解，可以得到信號源頻率所對應的DUT的反射系數(shù)(不同頻率對應不同的DUT反射系數(shù))。

式中:Γ——反射系數(shù);

P3、P4、P5、P6——功率計讀數(shù)(已知);

|A3|、|A5|、|A6|——六端口網(wǎng)絡的系統(tǒng)參數(shù)(隨頻率變化，已知);

q3、q4、q5、q6——六端口網(wǎng)絡的系統(tǒng)參數(shù)(隨頻率變化，已知)。

圖2 六端口反射計

由式(1)中的系統(tǒng)參數(shù)會隨頻率變化可知，當信號發(fā)生器為六端口反射計提供不同頻率的射頻信號時，功率計取得的功率讀數(shù)都不相同。因此，為得到DUT在1.5 GHz(舉例說明，其他頻率同理)所對應的反射系數(shù)，需先得到1.5 GHz對應的系統(tǒng)參數(shù)和功率讀數(shù)，代入式(1)計算即可。由此，若將1.5 GHz得到的功率讀數(shù)依次與1.3～1.7 GHz對應的系統(tǒng)參數(shù)代入到式(1)中，可計算得DUT在1.3～1.7 GHz內(nèi)的Γ－f曲線，但由于功率讀數(shù)是1.5 GHz取得，所以該曲線只在1.5 GHz對應的反射系數(shù)是正確的。

若要得到某一未知頻率的射頻源的頻率，可將其加載于六端口反射計的信號發(fā)生器端口，而六端口反射計的DUT端口連接一個標準負載(標準負載的Γ－f曲線已知)。然后通過六端口反射計的4功率計得到4個功率讀數(shù)(未知頻率對應的功率讀數(shù))，并將功率讀數(shù)依次與某一頻帶內(nèi)(包含未知頻率)對應的系統(tǒng)參數(shù)代入到式(1)中，可計算得標準負載在該頻帶內(nèi)的一條Γ－f曲線。由上可知，該Γ－f曲線只在未知頻率點為正確值，因此將該曲線與標準負載的已知曲線進行對比，可得唯一交點，該交點對應的頻率即為未知頻率。

在此基礎上，將六端口反射計結(jié)構(gòu)進行改變得到了本文所需的六端口反射計，即在六端口網(wǎng)路的DUT端口連接上一個已知反射系數(shù)的標準負載，以及將信號發(fā)生器端口變?yōu)槲粗l率的射頻信號輸入端口，如圖1(b)所示。

2 仿真

為了驗證上述理論的可行性，根據(jù)上節(jié)給出的BAW傳感器最小系統(tǒng)框圖，在ADS軟件中對FBAR振蕩器和六端口反射計進行建模，進而構(gòu)建了BAW傳感器最小系統(tǒng)的仿真模型，如圖3所示。其中FBAR振蕩器中的FBAR元件采用MBVD模型，原因是FBAR振蕩器進行仿真時，需要使用的是瞬態(tài)仿真，而FBAR的Mason模型是基于頻域建立的，因而無法使用Mason模型;而六端口反射計中的六端口網(wǎng)絡是采用文獻［9］給出的微帶六端口網(wǎng)絡的等效電路模型。

在BAW最小系統(tǒng)的仿真模型建立前，還需要考慮FBAR振蕩器的振蕩頻率以及是否能夠起振，六端口反射計的工作頻率是否包含F(xiàn)BAR振蕩器的振蕩頻率。由于FBAR振蕩器的振蕩頻率是位于FBAR的串/并聯(lián)諧振頻率之間的感性區(qū)域，因此可以通過設計確定FBAR的諧振頻率并限制振蕩頻率;而FBAR振蕩器能否起振主要與振蕩電路中的C1和C2有關，因此對FBAR振蕩器進行仿真時主要通過調(diào)節(jié)C1和C2的電容值來使其工作;本文通過調(diào)節(jié)FBAR的諧振頻率與振蕩電路中的元件參數(shù)，設計出了頻率分別為1.40，1.45，1.50，1.55，1.60 GHz的5個FBAR振蕩器。六端口反射計的工作頻帶主要取決于微帶六端口網(wǎng)路，而微帶六端口網(wǎng)絡的工作頻帶是根據(jù)文獻［10］給出的最佳設計準則來判定的，由此根據(jù)六端口網(wǎng)路的最佳設計準則仿真設計一個工作頻帶為1.47～1.54 GHz的六端口反射計。然后，將這5個FBAR振蕩器分別與六端口反射計組合成如圖3所示的5個BAW傳感器最小系統(tǒng)仿真模型。最后對這5個BAW傳感器最小系統(tǒng)仿真模型進行瞬態(tài)仿真，并通過模型中的4個電阻R4～R7讀取微帶六端口網(wǎng)絡的4個輸出功率。

在功率讀取完成之后，會得到含有4個功率讀數(shù)的5組數(shù)據(jù)，并將5組數(shù)據(jù)依次代入到步長為1 MHz頻率范圍為1.3～1.7 GHz的所有頻率點對應的式(1)中進行計算，得到了5條Γ－f曲線，并將其與參考Γ－f曲線進行比較，如圖4所示。

從圖中可以看出，從仿真得到的功率讀數(shù)，進一步計算得到的5條Γ－f曲線都和參考曲線只有唯一的交點，且交點處的頻率正好是5個FBAR振蕩器各自的振蕩頻率，即1.40，1.45，1.50，1.55，1.60 GHz。雖然只有1.50 GHz的振蕩頻率在六端口反射計的工作頻帶1.47～1.54 GHz之內(nèi)，圖中還給出了其余4個FBAR振蕩器振蕩頻率的求解結(jié)果以驗證上述算法的普適性。

圖3 BAW傳感器最小系統(tǒng)模型

圖4 利用仿真的Γ－f曲線求解FBAR振蕩器振蕩頻率的5個案例

3 實驗

為了進一步驗證采用FBAR振蕩器作為六端口反射計射頻源，用于檢測FBAR諧振頻率的BAW傳感器讀出電路的可行性，對上述仿真設計得到的微帶六端口反射計進行了制作。微帶六端口反射計制作完成后，首先采用矢量網(wǎng)絡分析儀對微帶六端口網(wǎng)絡進行了S參數(shù)測試，測試結(jié)果如圖5所示，從圖中可以看出在頻率1.5 GHz附近滿足六端口反射計的最佳設計準則(Sn1＞－10 dB，n=2，3，…，6和Sn2＞－10 dB，n=1，3，5，6，而S42＜－20 dB)。然后在制作的微帶六端口網(wǎng)絡的1端口連接FBAR振蕩器(頻率設計為1.5 GHz)，2端口連接SMA匹配負載(反射系數(shù)已知)，3、4、5和6端口分別連接功率計(由檢波器和示波器構(gòu)成)，如圖6所示，用來測量FBAR振蕩器的振蕩頻率(1.5 GHz);通過功率計得到4個功率讀數(shù)，并將4個功率讀數(shù)依次代入到步長為100 MHz頻率范圍為1.0～2.0 GHz的所有頻率點對應的式(1)中進行計算，得到了1條Γ－f曲線，并將其與參考Γ－f曲線進行比較，如圖7所示。

圖5 采用矢量網(wǎng)絡分析儀測得的微帶六端口網(wǎng)絡S參數(shù)曲線

圖6 基于一個微帶六端口的六端口反射計實驗裝置

圖7 利用六端口反射計實驗裝置測得的Γ－f曲線求解FBAR振蕩器振蕩頻率的1個案例

從圖中可以看出，利用上述的六端口反射計實驗裝置實測得到的功率讀數(shù)，沿用圖4中相同的解算方法得到一條Γ－f曲線，和參考曲線只有唯一交點，且交點處的頻率為FBAR振蕩器的振蕩頻率1.50 GHz。由此，說明圖6所示的微帶六端口反射計能夠測量FBAR振蕩器的振蕩頻率。

4 結(jié)束語

本文提出了一種FBAR振蕩器作為六端口反射計射頻源的BAW傳感器讀出電路新架構(gòu)，該架構(gòu)的特點是:首先采用Pierce振蕩器電路結(jié)構(gòu)，將嵌入在BAW傳感器表頭中的FBAR構(gòu)成1個FBAR振蕩器;再將FBAR振蕩器接入六端口反射計的射頻源端口Port 1，六端口反射計的Port 2連接SMA匹配負載(反射系數(shù)已知)、Port 3～6分別連接4個功率計;當FBAR振蕩器起振后，使用1組功率讀數(shù)和1種新的解算方法，可以解算出FBAR振蕩器的振蕩頻率，這個振蕩頻率就是傳感器表頭中FBAR的諧振頻率，從而實現(xiàn)了BAW傳感器檢測信號的讀出。綜合利用FBAR的MBVD等效電路模型、Pierce振蕩器與六端口反射計的電路模型，在ADS軟件中仿真驗證了該結(jié)構(gòu)的可行性。此外，還搭建了一個基于微帶六端口網(wǎng)絡實物的六端口反射計實驗裝置，準確地測得了1個案例FBAR振蕩器的振蕩頻率為1.5 GHz，完成了初步的實驗驗證。

［1］JONHSTON M L，KYMISSIS I，SHEPARD K L.FBARCOMS oscillator array for mass－sensing applica－tions［J］.IEEE Sensors Journal，2010，10(6):1042－1047.

［2］QIU X，ZHU J，OILER J，et al.Film bulk acoustic－wave resonator based ultraviolet sensor［J］.Applied Physics Letters，2009，9(15):1517－1519.

［3］ZHANG H.Micromachined bulk acoustic resonators for radio－frequency systems and biochem mass sensing［D］.LA:University of Southern California，2006.

［4］BENETTI M，CANNATA D，DAMICO A，et al.Thin film bulk acoustic wave resonator(TFBAR)gas sensor［C］// IEEE Ultrasonics Symposium，2004，3:1581－1584.

［5］GABL R，F(xiàn)EUCHT H D，ZEININGER H，et al.First results on label－free detection of DNA and protein molecules using a novel integrated sensor technology based on gravimetric detection principles［J］.Biosensors＆bioelectronics，2004，19(6):615－620.

［6］HUMBERTO C，JOSéA P，JOSEP M，et al.Highfrequency sensor technologies for inertial force detection based on thin－film bulk acoustic wave resonators (FBAR)［J］.Microelectronic Engineering，2009，86(4－6):1254－1257.

［7］LAKIN K M.A review of thin－film resonator technology［J］.Microwave＆Magazine，IEEE，2003，4(4):61－67.

［8］黃振華，高楊，蔡洵，等.基于六端口反射計的體聲波傳感器讀出電路［J］.壓電與聲光，2015，38(6):1066－1070.

［9］LI C，ZHANG H，WANG P.A novel six－port circuit based on four quadrature hybrids［J］.International Journal of RF and Microwave Computer－Aided Engineering，2010，20 (1):128－132.

［10］ENGEN G F.The six－port reflectometer:an alternative network analyzer［J］.IEEE Trans on Microwave＆Tech，1977，25(12):1075－1080.

(編輯:李妮)

BAW sensor read－out circuit with a FBAR oscillator as RF source of six－port reflectometer

GAO Yang1，4，HUANG Zhenhua2，3，CAI Xun2
(1.Institute of Electronic Engineering，China Academy of Engineering Physics，Mianyang 621999，China; 2.School of Information Engineering，Southwest University of Science and Technology，Mianyang 621010，China; 3.National Key Laboratory of Fundamental Science of Micro/Nano－Device and System Technology，Chongqing University，Chongqing 400044，China;4.State Key Laboratory of Particle Detection and Electronics，Institute of High Energy Physics，CAS，Beijing 100049，China)

Due to the resonance frequency of FBAR at RF frequency bands，causing BAW sensor read－out circuit is difficult to be achieved.To solve this problem，a new type BAW sensor read－out circuit is proposed by using the six－port reflectometer to test FBAR oscillator frequency.In ADS software，the FBAR oscillator simulation model is established by using the MBVD model of FBAR and the topology of Pierce，as well as six－port reflectometer simulation model is established，the minimum system model of the BAW sensor is established by these two simulation model.The simulation results of the minimum system model of the BAW sensor show that the read－out circuit of BAW sensor is implemented by using the FBAR oscillator and the six－port reflectometer based on six－port reflectometer is feasible.In order to experimentally validate this structure，a six－port reflectometer experimental setup based on a real microstrip six－port network is constructed，and the oscillation frequency 1.5 GHz of a FBAR oscillator case is measured.This measured oscillation frequency is just the resonant frequency of the FBAR embedded in a sensor head.

bulk acoustic wave sensor;read－out circuit;film bulk acoustic wave resonator(FBAR); oscillator;six－port reflectometer

A

1674－5124(2016)11－0060－05

10.11857/j.issn.1674－5124.2016.11.013

2016－04－12

2016－05－13

國家自然科學基金(61574131);中國工程物理研究院超精密加工技術重點實驗室基金(2014ZA001);核探測與核電子學國家重點實驗開放課題基金(2016KF02);西南科技大學特殊環(huán)境機器人技術四川省重點實驗室開放基金(14zxtk01)

高楊(1972－)，男，四川綿陽市人，研究員，博士，從事微電子機械系統(tǒng)研究。