CN102637259A - IDT/AlN/金刚石多层膜结构的声表面波射频识别标签 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于IDT/AlN/金刚石多层膜结构的声表面波射频识别标签，其中的单端口谐振器部分采用的是IDT/AlN/金刚石多层膜结构，标签天线采用的是倒F天线的形式。采用IDT/AlN/金刚石多层膜结构可以提高标签的传输性能，实现10m以上的射频识别。其标签天线采用的是倒F天线，天线结构简单、重量轻、可共形、制造成本低、辐射效率高，而且F天线易于与谐振器进行良好的匹配，与传统天线有明显的优势。可以降低标签成本，降低天线尺寸，满足现在通信***的需求。

Description

IDT/AlN/金刚石多层膜结构的声表面波射频识别标签

【技术领域】 

本发明属于自动识别技术和信息存储传输技术领域，是一种基于IDT/AlN/金刚石多层膜结构的声表面波射频识别（SAW-   RFID）的标签的设计，其可以应用于代电子学、声学、微电子工艺技术和雷达信号处理技术等的新成就领域。

【背景技术】。 

　射频识别的推广带来了零售、物流等相关产业革命性的变革，而声表面波射频识别(SAW-RFID)技术以声表面波器件为核心的射频识别技术，其克服了传统以IC芯片为核心的射频识别设备的一些缺点，并且具有无源，识别距离远，能识别高速运动的物体等特点，非常适用于车辆不停车收费识别，路标识别，铁路车辆车号识别；以及列车准确停靠控制等***。 

SAW标签被称为第二代射频标签，由单晶结构的谐振器与标签天线组成，与传统IC标签相比具有很多优势。 

（1） 高频无源SAW标签标签与阅读器相互距离较大时的可靠读取标签信息，可达10米；因此高频无源SAW标签可以代替用电池驱动的高成本有源IC标签。一次准确识别时间约1ms左右。 

（2）克服了读取信号可能被液体和金属阻断的情况，可使用在金属和液体产品上；标签不仅可贴在非金属物体,也可贴在金属物体上。 

（3）标签天线与标签芯片匹配简单，制作工艺成本低； 

（4）具有识别+传感的双重功能，如温度传感器、压力传感器、汽体传感器、扭力矩传感器、角速度传感器(陀螺仪)等。

SAW标签的技术原理如图1所示。SAW标签是由叉指换能器和若干反射器与标签天线组成，换能器的两个汇流条与电子标签的天线相连接。RFID读写器的天线发送高频询问脉冲信号，在SAW标签天线的接收范围内，被接收到的高频脉冲通过叉指换能器转变成声表面波，反射器组对入射表面波部分反射，并返回到叉指换能器，叉指换能器又将反射声脉冲串转变成高频电脉冲串。如果将反射器组按某种特定的规律设计，使其反射信号表示规定的编码信息，那么读写器接收到的反射高频电脉冲串就带有该物品的特定编码，通过读写器解调与处理，达到自动识别的目的。 

但是基于SAW技术的射频标签的技术发展仍然存在两大问题：技术要求和成本问题。 

技术方面：SAW标签需要在达到大容量、低辐射、高速度的同时实现器件的小型化。SAW标签的编码延迟一般不能超过2至4μs，如果我们需要制作一个32 ~128位的数据容量的标签，就需要16~64MHz的带宽。而这样的带宽要求只有在标签频率达到2.45GHz或者更高频率才能获得。因此技术层面上，首先是要求标签向高频率、大带宽方向发展，开发超高频或者微波波段（2.45GHz、5.8GHz）的声表面波标签。 

成本问题：高频率声表面波标签的成本问题是制约声表面波标签发展的一个主要问题。由声表面波的基本原理，我们可以知道： 

SAW器件中心频率F=V/λ,V表示材料中的SAW相速度,而V= ,所以F= /λ,  这里，E、ρ 和λ分别表示材料的弹性模量、材料的质量密度和声波的波长，波长λ由叉指换能器（IDT）电极宽度d决定，λ=4d。

想要获得高频率的标签，就必须通过提高声表面波的波速或减小电极宽度来实现。由上面的介绍可以看出，减小电极宽度必须使用高性能的光刻设备，是以牺牲标签的制造成本作为代价的，显然不可取，本发明就是针对技术和成本问题进行解决，采用多层膜结构的SAW标签可以有效的提高标签容量，且多层膜结构在相同标签的识别频率下其叉指的电极宽度较宽，因此再采用刻蚀技术制作叉指是可以有效的降低标签成本。 

【发明内容】 

本发明的目的是为了解决现有技术中的问题，而提供一种基于IDT/AlN/金刚石多层膜结构的声表面波射频识别标签。 

为实现上述发明目的，本发明公开了一种IDT/AlN/金刚石多层膜结构声表面波射频识别（SAW-RFID）标签，包括单端口谐振器与倒F天线，其特征在于所述单端口谐振器采用IDT/AlN/金刚石多层膜结构形式。该结构谐振器的特点是在叉指宽度相同的情况下，能够获得比传统压电单晶或压电陶瓷基片高3～5倍的中心频率。 

所述IDT/AlN/金刚石多层膜结构的单端口谐振器，是在硅衬底上采用微波等离子CVD法制备金刚石膜，其沉积厚度大于由该标签中心频率所决定的声表面波3倍波长（ 

）；然后，在金刚石膜上采用磁控射频溅射***制备C-轴取向的AlN薄膜，其厚度为1/5~1/4个声表面波波长；在AlN薄膜上使用电子束蒸发***制备Al膜，再用光刻***刻蚀Al膜制成叉指换能器IDT和反射栅。其中，优选叉指换能器IDT的电极宽度为0.5μm~1.5μm，叉指换能器IDT厚度为50nm~120nm。优选反射栅是由多个、间距在0.5μm~1.5μm之间选择的独立指条组成；反射栅厚度为50nm~100nm。 

本发明所述倒F天线在倒F 部分(ac 间) 并联一个电容C 和一个电阻R。倒F天线的电路板优选背面没有铜层，优选天线采用杨白铜制作。优选倒F 型天线的天线阵子水平部分为螺旋天线形式。（如图3） 

本发明基于IDT/AlN/金刚石多层膜结构的单端口谐振器和倒F天线的SAW- RFID标签有几个特殊的优势：

①                “IDT/AlN /金刚石”多层膜结构声表面波相速很高，可以达到12000m/s以上，易于制备高频声表面波标签；AlN和金刚石相速度差别小，IDT/AIN/金刚石多层膜结构表现出小的速度频散，即SAW相速度随频率不同变化很小。

②                AlN材料温度系数（TCD）很小，当器件承受大功率温度升高时，中心频率随温度升高而漂移很小，对于SAW射频识别标签而言，可以得到更高的可靠性和稳定性。 

③                此标签的倒F天线( invert F anten2na, IFA)收发的信号频率可达5.8GHz以上，甚至更高的频率， 倒F天线方向图在水平面上具有全向性、天线的尺寸小, 重量轻, 结构简单紧凑，外形尺寸小，容易实现多频段工作等独特优点。 

④                倒F天线是在倒L天线abc的垂直元末端加上一个倒L结构edb构成。它使用附加的edb结构来调整天线和馈电同轴线的匹配。并采用HFSS软件进行实际仿真设计。该天线具有低轮廓结构，辐射场具有水平和垂直两种极化，另外由于结构紧凑而且具有等方向辐射特性，同时其良好的接地设计可以有效提高天线的工作效率。  

⑤                本标签采用AlN/IDT/金刚石多层膜结构，此声表面波标签可应用于金属和液体产品上；抗高温、抗辐射，适用于需要高能量X-射线或伽马射线杀菌的食品或药品等产品上。

【附图说明】 

图1为IDT/AIN/金刚石多层膜结构标签原理示意图；

图2为IDT/AIN/金刚石结构单端口谐振器结构图；

图3为本专利使用的倒F天线结构；

图4为叉指换能器及反射栅制作的流程。

图中：1、阅读器； 2、输入信号；3、标签天线；4、叉指换能器（IDT）；5、声表面波信号；6、反射栅；7、AlN薄膜；8、金刚石薄膜；9、硅（Si）衬底； 11、接地板；12、电容C；13、电阻R。 

以下结合附图及实施例对发明予以详细说明。 

【具体实施方式】 

本发明的一个实施例是基于IDT/AlN/金刚石多层膜结构的5.8GHz SAW RFID标签。该SAW RFID标签的单端口谐振器采用的是IDT/AlN/金刚石多层膜结构。其标签天线为倒F天线形式。

本发明的工作原理是：当阅读器1发出的射频询问脉冲信号2被标签天线3所接收,标签天线3再把脉冲信号2传输给与标签天线3直接相连的SAW标签单端口谐振器的叉指换能器（IDT）4，其将接受到的脉冲信号2通过AlN压电薄膜7转换为声表面波脉冲信号5,在AlN 7/金刚石多层膜8上传播到反射栅6，因为制备的反射栅状 态与编码有严格的对应关系, 则被反射栅反射回波的声表面波脉冲信号5将带有编码信息。声表面波脉冲信号5再经过叉指换能器（IDT）4转换为射频脉冲信号2, 并从标签天线3发射回去。阅读器1接收到回波脉冲信号2后, 将其放大，调制和解调,并输入计算机数据库,达到射频识别目的。（如图1所示） 

具体实施步骤如下：

1 单端口谐振器的制作

首先利用微波等离子CVD法，在高阻镜面硅9上生长金刚石膜8，其沉积厚度大于标签中心频率所决定的声表面波3倍波长（

），利用调整氩气、氢气、甲烷比例（比例大约为10：22：1）；腔室压强（1pa左右）；混合气体流量（不低于500sccm）、基底温度（一般要高于700℃以上）、微波功率（5KW左右）等沉积条件来制备适用于多层膜结构声表面波射频标签的高质量金刚石薄膜。金刚石薄膜8厚度20μm，要求晶粒致密、均匀、晶粒细小（100-150nm），同时满足高的sp3含量（95％）；20μm厚度是因为沉积在硅上的金刚石膜8必须超过一定厚度才能保证高的弹性模量（消除硅的影响）。

其次，对金刚石表面抛光，首先以100～300nm的金刚石微粉进行粗抛，实现全局平坦；再以较低硬度的二氧化硅为研磨料进行表面精密修复，使金刚石表面粗糙度小于2nm。 

再在金刚石膜8上制备厚度为0.6μm高c-轴取向的AlN (002)薄膜7。通过调整N2 ：Ar（1：1）、衬底温度（350℃）、溅射功率（100W）、腔室压力（1pa）等工艺条件对AlN薄膜7质量进行控制，制备平均偏离度小于＜1°、电阻＞10⁹Ω·cm的高c轴取向AlN薄膜7。 

最后使用超高真空射频磁控溅射***，在得到的AlN薄膜7表面溅射一层AL薄膜（45nm），经过刻蚀工艺制成IDT和反射栅4、6结构。具体制备流程如图4所示：对已制备了Al的薄膜进行清洗；在其表面镀一层掩膜；然后在掩膜上涂光刻胶，经过曝光，显影去除局部涂胶，再对暴露的镀掩膜部分进行刻蚀，最后去除剩余光刻胶和掩膜后即可以完成刻蚀工艺。（如图4） 

2 标签天线的设计制造

采用倒F 型结构出于三方面考虑： 首先， 此类天线适用于尺寸受限的应用场合； 其次它的输入阻抗便于用天线倒F 部分调节；最后，因为地电流集中在天线元件的附近，所以接地板形状和尺寸对性能的影响也比单极子天线要小得多。

倒F天线水平单元的尺寸估算值可以由

，

确定。式中：

和分别表示L1和L2段的长度、C为真空光速，

和分别为介质板的有效介电常数和相对介电常数，

和

分别表示整个介质板的高度和天线的线宽。 

将倒F 型天线的水平部分用螺旋天线取代，可减少其尺寸，倒F 部分(ac间) 附加了电容C 12和电阻R13，让其并联，使螺旋部分谐振，以致使输入阻抗达到50Ω，（如图3）。 

此天线通过调整倒F 天线振子的长度L1 可以改变天线的谐振频率，而调节S2 可以改变馈电线的阻抗，改变S1 可以调节天线的阻抗达到50 欧姆，天线上L2 的位置、长度等参数可以影响天线的带宽。因此使用这种结构的标签天线可以在不外加匹配电路的情况下实现标签天线与谐振器的阻抗匹配。 

对天线进行仿真设计，收发的信号频率为5.8GHz，天线的接地板大小为57 mm ×18 mm, 天线安装在该接地板的上部, 外轮廓尺寸17.9mm ×6.3 mm。天线和地板之间相距3mm, 中间填充空气介质。基板厚度为0.026 mm, 相对介电常数为2.6，得到的回波损耗s₁₁小于-10dB，输入阻抗约为49.45Ω，满足SAW射频天线的要求，并且在无外加匹配电路的情况下，很好的实现的阻抗匹配。具体天线形状见图4。 

本发明实施例的天线是由杨白铜制成, 其具有较好的物理强度, 从而保证了天线结构的稳定性。 

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者同等替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。 

Claims (8)

1.一种IDT/AlN/金刚石多层膜结构的声表面波射频识别标签，包括单端口谐振器与倒F天线，其特征在于所述单端口谐振器为IDT/AlN/金刚石多层膜结构；所述倒F天线在两平行臂之间的连接段ac 间并联一个电阻R和一个电容C。

2. 按照权利要求1所述的IDT/AlN/金刚石多层膜结构的声表面波射频识别标签，其特征在于所述IDT/AlN/金刚石多层膜结构中，是在硅衬底上采用微波等离子CVD法制备金刚石膜，其沉积厚度大于由该标签中心频率所决定的声表面波3倍波长。

3.按照权利要求1所述的IDT/AlN/金刚石多层膜结构的声表面波射频识别标签，其特征在于所述IDT/AlN/金刚石多层膜结构中，是在金刚石膜上采用磁控射频溅射***制备C-轴取向的AlN薄膜，其厚度为1/5~1/4个声表面波波长。

4.按照权利要求1所述的IDT/AlN/金刚石多层膜结构的声表面波射频识别标签，其特征在于所述IDT/AlN/金刚石多层膜结构中，是在AlN薄膜上使用电子束蒸发***制备Al膜，再用光刻***刻蚀Al膜制成叉指换能器IDT和反射栅。

5.按照权利要求4所述的IDT/AlN/金刚石多层膜结构的声表面波射频识别标签，其特征在于所述叉指换能器IDT的电极宽度为0.5μm~1.5μm，叉指换能器IDT厚度为50nm~120nm。

6.按照权利要求4或5所述的IDT/AlN/金刚石多层膜结构的声表面波射频识别标签，其特征在于所述反射栅是由多个、间距在0.5μm~1.5μm之间选择的独立指条组成；反射栅厚度为50nm~100nm。

7.按照权利要求1-6所述的任一IDT/AlN/金刚石多层膜结构的声表面波射频识别标签，其特征在于所述倒F 型天线的天线振子水平部分为螺旋天线形式。

8.按照权利要求7所述的IDT/AlN/金刚石多层膜结构的声表面波射频识别标签，其特征在于天线是由杨白铜制成。

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