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dispositivi e sensori saw - Università degli Studi di Roma Tor Vergata

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DISPOSITIVI E SENSORI SAW:<br />

REALIZZAZIONE E APPLICAZONI<br />

Ing. Fabio Di Pietrantonio<br />

Istituto <strong>di</strong> Acustica “O. M. Corbino”<br />

Consiglio Nazionale delle Ricerche


DISPOSITIVI SAW E PSAW SU AlN/D


TECNOLOGIE DI REALIZZAZIONE<br />

ELETTRODI INTERDIGITALI


MISURE SAW AlN/D


SENSORE SAW AlN/D


SISTEMA MULTISENSORIALE


RISONATORE SAW 2-PORTE<br />

Elettro<strong>di</strong> in Alluminio<br />

λ = 8 µm w= 450 µm<br />

NG = 300 NIDT = 76<br />

vR≃3170<br />

Apo<strong>di</strong>zzazione gaussiana<br />

per sopprimere i mo<strong>di</strong><br />

trasversli<br />

LC = 1278 µm<br />

f0 ≃ 392.5 MHz<br />

SENSORE SAW SU QUARZO<br />

|S 21| 2 (dB)<br />

phase S 21 (deg)<br />

0<br />

-10<br />

-20<br />

-30<br />

-40<br />

-50<br />

-60<br />

-70<br />

IDT<br />

riflettore w riflettore<br />

LC<br />

3 mm<br />

-80<br />

390 389 390 391 391 392 392 393 394 393 395 394 395 396 396 397<br />

200<br />

150<br />

100<br />

50<br />

0<br />

-50<br />

-100<br />

-150<br />

-200<br />

390 389 390 391 391 392 392 393 394 393 395 394 395 396 396<br />

397<br />

frequency (MHz)


Quarzo<br />

Riflettore<br />

SENSORE SAW SU QUARZO<br />

CIM IDT Riflettore


OSCILLATORI ELETTRONICI PER<br />

DISPOSITIVI SAW<br />

Un oscillatore <strong>di</strong> Pierce con due reti <strong>di</strong> adattamento L-C per i<br />

trasduttori SAW e un buffer <strong>di</strong> uscita realizzato con un transistor npn<br />

in configurazione <strong>di</strong> inseguitore d’emettitore.<br />

Un oscillatore a retroazione che prevede un amplificatore integrato a<br />

larga banda ed impedenze nominali <strong>di</strong> ingresso e uscita <strong>di</strong> 50 Ω (Mini-<br />

Circuits\MAR-8).<br />

Con<strong>di</strong>zioni <strong>di</strong> Barkhausen sul guadagno e sulla fase d’anello:


Dispositivi SAW a 392.5MHz:<br />

Risonatori 2-porte<br />

Transistor npn BFR92P (Siemens)<br />

Reti a “PI” costituite da due<br />

capacità e un induttore.<br />

Sfasamento necessario per<br />

sod<strong>di</strong>sfare la con<strong>di</strong>zione <strong>di</strong><br />

Barkhausen sulla fase<br />

Buffer d’uscita: transistor npn<br />

(BFR92P) in configurazione<br />

d’inseguitore d’emettitore.<br />

OSCILLATORI ELETTRONICI PER<br />

DISPOSITIVI SAW<br />

Oscillatore Pierce


Le <strong>di</strong>mensioni della basetta<br />

sono 30mm x 11mm.<br />

Tutti i componenti utilizzati<br />

sono a montaggio superficiale.<br />

Ogni oscillatore è alimentato<br />

attraverso un connettore con<br />

filtro LC per ra<strong>di</strong>o frequenza.<br />

Livelli <strong>di</strong> uscita su carico a 50Ω con:<br />

Vcc=8 V<br />

Icc≅14 mA<br />

OSCILLATORI ELETTRONICI PER<br />

DISPOSITIVI SAW<br />

Oscillatore Pierce<br />

Filtri TMX: 0dbm<br />

Risonatori RFM: -6dbm<br />

Contatti<br />

IDT<br />

Alimentazione<br />

Uscita<br />

Amplificatore<br />

BFR92P<br />

Buffer Uscita<br />

BFR92P


OSCILLATORI ELETTRONICI PER<br />

DISPOSITIVI SAW<br />

Oscillatore con amplificatore integrato<br />

Amplificatore commerciale della Mini-<br />

Circuits, MAR-8SM (G ≅ 25 dB a 433.92<br />

MHz).<br />

Sfasatore LC per il rispetto della con<strong>di</strong>zione<br />

<strong>di</strong> Barkhausen sulla fase.<br />

Buffer d’uscita: transistor npn (BFR92P) in<br />

configurazione d’inseguitore d’emettitore.<br />

Rete <strong>di</strong><br />

polarizzazione<br />

Contatti<br />

IDT<br />

Rete <strong>di</strong><br />

sfasamento<br />

Alimentazione<br />

BFR92P<br />

Amplificatore<br />

MAR-8<br />

Uscita<br />

Funzionamento con <strong><strong>di</strong>spositivi</strong><br />

SAW con per<strong>di</strong>te <strong>di</strong> inserzione<br />

elevate (>20dB).<br />

Per garantire la stabilità può<br />

essere necessario variare LC.


SISTEMA MULTISENSORIALE<br />

Matrice che prevede l’utilizzo <strong>di</strong><br />

cinque <strong><strong>di</strong>spositivi</strong> SAW: uno <strong>di</strong><br />

riferimento e quattro sensibili<br />

Struttura <strong>di</strong>fferenziale: si valutano i segnali<br />

<strong>di</strong>fferenza tra riferimento e i <strong><strong>di</strong>spositivi</strong><br />

sensibili<br />

Attenuazione variazioni <strong>di</strong> modo comune che<br />

intervengono sulla frequenza <strong>di</strong> oscillazione<br />

(variazioni temperatura)


Gas inlet<br />

SMA connectors<br />

For RF output<br />

SISTEMA MULTISENSORIALE<br />

Gas outlet<br />

Temperature<br />

sensor<br />

SAW devices


SISTEMA MULTISENSORIALE<br />

Emitter follower<br />

Output<br />

Power supply<br />

MiniCircuits<br />

MAR-8 Amplifier<br />

SAW device contacts<br />

Polarization net


SISTEMA MULTISENSORIALE<br />

MISURE SU GAS NERVINI<br />

(s)<br />

2 ppm <strong>di</strong> DMMP<br />

(T=25.9 °C; TR-104)<br />

Δf=730Hz<br />

RISPOSTA NEL TEMPO A<br />

2 ppm <strong>di</strong> DMMP<br />

(s)<br />

0.2 ppm <strong>di</strong> Sarin<br />

(T=26.3 °C; TR-104)<br />

Δf=970Hz<br />

RISPOSTA NEL TEMPO A<br />

0.2 ppm <strong>di</strong> Sarin


SISTEMA MULTISENSORIALE<br />

MISURE SU GAS NERVINI<br />

(s)<br />

2 ppm <strong>di</strong> DMMP<br />

(T=25.9 °C; TR-104)<br />

Δf=730Hz<br />

RISPOSTA NEL TEMPO A<br />

2 ppm <strong>di</strong> DMMP<br />

(s)<br />

0.2 ppm <strong>di</strong> Sarin<br />

(T=26.3 °C; TR-104)<br />

Δf=970Hz<br />

RISPOSTA NEL TEMPO A<br />

0.2 ppm <strong>di</strong> Sarin


SENSORI SAW PER APPLICAZIONI<br />

WIRELESS


SAW PER APPLICAZIONI WIRELESS<br />

Il trasduttore inter<strong>di</strong>gitato trasforma<br />

il segnale ricevuto in un’onda<br />

acustica superficiale che si propaga<br />

nel cristallo.<br />

I riflettori riflettono parte dell’onda<br />

incidente; quello che ritorna al trasduttore<br />

è una serie <strong>di</strong> echi ad alta frequenza che<br />

vengono ritrasmessi dall’antenna all’unità<br />

<strong>di</strong> interrogazione.<br />

Le risposte RF racchiudono informazioni<br />

sulla posizione dei riflettori (identificazione)<br />

e sulle caratteristiche <strong>di</strong> propagazione della<br />

SAW, <strong>di</strong>pendenti a loro volta dalle<br />

con<strong>di</strong>zioni ambientali (sensore).<br />

PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO<br />

w<br />

RF Link<br />

d 1<br />

LiNbO 3<br />

Unità<br />

Interrogazione<br />

Dispositivo<br />

SAW<br />

d 2


SAW PER APPLICAZIONI WIRELESS<br />

Niobato <strong>di</strong> Litio taglio 128° rot. Y, propagazione X:<br />

Riflettori <strong>di</strong> calibrazione<br />

Frequenza <strong>di</strong> funzionamento nella banda ISM<br />

(433.07 - 434.77 MHz)<br />

f 0 = v<br />

λ<br />

FREQUENZA DI FUNZIONAMENTO<br />

= v<br />

4d =<br />

3885<br />

= 433.6MHz<br />

4 ⋅ 2.23⋅10<br />

−6


SAW PER APPLICAZIONI WIRELESS<br />

Trasduttore Inter<strong>di</strong>gitato<br />

Basse per<strong>di</strong>te e impedenza <strong>di</strong> ingresso prossima a 50 Ω.<br />

Piccole riflessioni meccaniche nel trasduttore.<br />

Apertura sufficientemente larga in modo da evitare <strong>di</strong>ffrazione.<br />

Numero ottimo <strong>di</strong> coppie per il trasduttore<br />

Larghezza banda elettrica<br />

Q = C Tω 0<br />

G 0<br />

=<br />

2<br />

πK 2 N =<br />

( Δf ) e<br />

f0 Larghezza banda acustica<br />

⎛<br />

⎝<br />

⎜<br />

⎞<br />

⎠<br />

⎟<br />

−1<br />

IDT


SAW PER APPLICAZIONI WIRELESS<br />

RIFLETTORI<br />

Trasduttore bi-<strong>di</strong>rezionale<br />

Riflettori su entrambi i lati<br />

Riflettori <strong>di</strong> tipo open-circuited<br />

Riflettore <strong>di</strong> calibrazione: N=2<br />

Riflettori esterni: N=20<br />

Risposte da cammini multipli<br />

determinate dal posizionamento<br />

dei riflettori sui due lati<br />

|S 11 | 2 (dB)<br />

-20<br />

-30<br />

-40<br />

-50<br />

-60<br />

-70<br />

-80<br />

-90<br />

th.<br />

exp.<br />

N=2<br />

N=20<br />

Risposte da<br />

cammini multipli<br />

-100<br />

Riflettori: open-circuited<br />

-110<br />

0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0<br />

Tempo (µs)


SAW PER APPLICAZIONI WIRELESS<br />

SENSORE CHIMICO<br />

U n a z o n a è d e d i c a t a<br />

all’identificazione (sinistra)<br />

e l’altra alla rilevazione dei<br />

gas (destra).<br />

I riflettori sono stati<br />

posizionati su due livelli.<br />

Evita le risposte spurie da cammini<br />

multipli e consente <strong>di</strong> ottenere una<br />

buona uniformità delle risposte.<br />

Identificazione: due parole da 10 bit<br />

ciascuna e due bit <strong>di</strong> calibrazione.<br />

Sensore: due riflettori tra i quali<br />

depositare la CIM.<br />

|S 11 | 2 (dB)<br />

-10<br />

-20<br />

-30<br />

-40<br />

-50<br />

-60<br />

-70<br />

-80<br />

-90<br />

-100<br />

Riflettore <strong>di</strong><br />

Calibrazione<br />

Riflettore<br />

Sensore<br />

1000000000<br />

1000110001<br />

Co<strong>di</strong>ci<br />

Riflettore<br />

Sensore<br />

0000000000<br />

1000110001<br />

Riflettore <strong>di</strong><br />

Calibrazione<br />

-110<br />

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 1.4 1.6 1.8 2.0 2.2 2.4 2.6 2.8<br />

Tempo (μs)


SAW PER APPLICAZIONI WIRELESS<br />

SENSORE CHIMICO<br />

IDT<br />

Riflettore


SENSORE DI PRESSIONE SAW


SENSORE DI PRESSIONE SAW<br />

PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO<br />

S u u n a s u p e r f i c i e l i b e ra d i u n a<br />

membrana <strong>di</strong> quarzo ST si genera<br />

un’onda <strong>di</strong> Rayleigh (v=3150 m/s) se h≫λ<br />

Applicando una <strong>di</strong>fferenza <strong>di</strong> pressione<br />

tra le due facce della membrana si<br />

generano delle deformazioni e quin<strong>di</strong><br />

<strong>degli</strong> sforzi<br />

La relazione tra sforzo e deformazione<br />

non è più lineare<br />

Cambiano le costanti elastiche c, che ora<br />

<strong>di</strong>ventano una combinazione lineare tra<br />

le costanti elastiche <strong>di</strong> primo or<strong>di</strong>ne e<br />

quelle <strong>di</strong> secondo, quin<strong>di</strong> cambia la<br />

velocità <strong>di</strong> propagazione dell’onda e <strong>di</strong><br />

c o n s e g u e n z a l a f r e q u e n z a d i<br />

funzionamento del <strong>di</strong>spositivo<br />

v = c ijkl<br />

ρ<br />

f 0 = v<br />

λ<br />

membrana <strong>di</strong> quarzo<br />

T<br />

v<br />

v + Δv<br />

P<br />

Deformazione<br />

statica<br />

S


SENSORE DI PRESSIONE SAW<br />

SIMULAZIONI E POSIZIONAMENTO DEI RISONATORI<br />

Gli sforzi e le deformazioni sulla<br />

membrana dopo l’applicazione <strong>di</strong><br />

pressioni comprese tra 0bar e<br />

3bar sono stati stu<strong>di</strong>ati con<br />

simulazioni FEM 3D<br />

Il <strong>di</strong>ametro e lo spessore della<br />

membrana sono stati scelti in<br />

funzione della grandezza dei<br />

trasduttori e del punto <strong>di</strong> rottura<br />

del quarzo<br />

h = 500µm<br />

d = 22mm<br />

I risonatori sono stati posizionati<br />

nei due punti della membrana<br />

d o v e s i h a n n o l e m a s s i m e<br />

deformazioni <strong>di</strong> segno opposto,<br />

quin<strong>di</strong> al centro e sul bordo<br />

strain in propagation <strong>di</strong>rection<br />

ben<strong>di</strong>ng ( μm)<br />

2x10 -4<br />

4x10 -4<br />

6x10 -4<br />

8x10 -4<br />

1x10 -3<br />

0<br />

-1x10 -3<br />

-8x10 -4<br />

-6x10 -4<br />

-4x10 -4<br />

-2x10 -4<br />

0<br />

-10<br />

-20<br />

-30<br />

-40<br />

-50<br />

breaking point<br />

breaking point<br />

posizione<br />

risonatori<br />

-0.0100 -0.0075 -0.0050 -0.0025 0.0000 0.0025 0.0050 0.0075 0.0100<br />

location on the <strong>di</strong>aphragm (mm)<br />

membrane thick: 500 μm<br />

applied pressure: 3 bar


SENSORE DI PRESSIONE SAW<br />

SIMULAZIONI E POSIZIONAMENTO DEI RISONATORI<br />

Gli sforzi e le deformazioni sulla<br />

membrana dopo l’applicazione <strong>di</strong><br />

pressioni comprese tra 0bar e<br />

3bar sono stati stu<strong>di</strong>ati con<br />

2x10<br />

simulazioni FEM 3D<br />

-4<br />

4x10 -4<br />

6x10 -4<br />

8x10 -4<br />

1x10 -3<br />

breaking point<br />

strain in propagation <strong>di</strong>rection<br />

0<br />

Il <strong>di</strong>ametro e lo spessore della<br />

membrana sono stati scelti in<br />

funzione della grandezza dei<br />

trasduttori -1x10 e del punto <strong>di</strong> rottura<br />

del quarzo0<br />

-3<br />

-8x10 -4<br />

-6x10 -4<br />

-4x10 -4<br />

risonatori<br />

breaking point<br />

ben<strong>di</strong>ng ( μm)<br />

-2x10 -4<br />

-10<br />

-20<br />

-30<br />

h = 500µm<br />

d = 22mm<br />

posizione<br />

I risonatori sono stati posizionati<br />

nei due -40 punti della membrana<br />

d o v e s-50 i h a n n o l e m a s s i m e<br />

deformazioni <strong>di</strong> segno opposto,<br />

quin<strong>di</strong> al centro e sul bordo<br />

-0.0100 -0.0075 -0.0050 -0.0025 0.0000 0.0025 0.0050 0.0075 0.0100<br />

location on the <strong>di</strong>aphragm (mm)<br />

membrane thick: 500 μm<br />

applied pressure: 3 bar


SENSORE DI PRESSIONE SAW<br />

REALIZZAZIONE<br />

Su una piastrina <strong>di</strong> quarzo sono stati<br />

realizzati 2 risonatori 2-porte in Alluminio<br />

operanti alla stessa frequenza (393 MHz)<br />

con λ =8µm e aventi una pista metallica<br />

per ogni piazzola, per prelevare il<br />

segnale.<br />

La cavità che delimita la membrana è<br />

stata realizzata operando un foro<br />

passante in una piastra spessa <strong>di</strong> Macor.<br />

In un’altra piastra <strong>di</strong> Macor è stata<br />

ricavata una cavità circolare profonda<br />

1mm, la camera a tenuta, la quale<br />

rappresenta il riferimento <strong>di</strong> pressione<br />

per il sensore.<br />

Le tre parti sono state incollate sotto<br />

vuoto con una colla a indurimento<br />

termico, in modo da lasciare i risonatori<br />

all’interno della camera a tenuta.<br />

I risonatori sono inseriti ognuno in un<br />

circuito oscillante dal quale si preleva il<br />

segnale (frequenza) e si fa la <strong>di</strong>fferenza<br />

me<strong>di</strong>ante un mixer (uscita <strong>di</strong>fferenziale).<br />

saldature<br />

Macor<br />

risonatori camera a tenuta<br />

membrana<br />

al circuito<br />

piste


SENSORE DI PRESSIONE SAW<br />

BANCO DI MISURA<br />

CAMERA DI MISURA<br />

GENERATORE<br />

DI PRESSIONI<br />

MIXER<br />

FREQUENZIMETRO


SENSORE DI PRESSIONE SAW<br />

La variazione <strong>di</strong> frequenza rispetto<br />

alla frequenza <strong>di</strong> riferimento in<br />

f u n z i o n e d e l l a va r i a z i o n e d i<br />

pressione rispetto alla pressione <strong>di</strong><br />

riferimento ha un andamento<br />

lineare<br />

frequency shift (Hz)<br />

924090<br />

924085<br />

924080<br />

924075<br />

924070<br />

924065<br />

924060<br />

924055<br />

924050<br />

924045<br />

924040<br />

0 mt<br />

1 mt<br />

Δh = 1m<br />

ΔP = 13.33Pa<br />

Δf = 14Hz<br />

0 mt<br />

1 mt<br />

0 mt<br />

0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500<br />

time (s)<br />

2 mt<br />

0 mt<br />

2 mt<br />

0 mt<br />

MISURE<br />

frequency (Hz)<br />

frequency shift (kHz)<br />

f -f<br />

0<br />

924100<br />

924080<br />

924060<br />

924040<br />

924020<br />

924000<br />

923980<br />

923960<br />

923940<br />

923920<br />

frequency shift (kHz)<br />

f -f<br />

0 p<br />

110<br />

100<br />

90<br />

80<br />

70<br />

60<br />

50<br />

40<br />

30<br />

20<br />

10<br />

110<br />

100<br />

90<br />

80<br />

70<br />

60<br />

50<br />

40<br />

30<br />

20<br />

10<br />

1 mt<br />

2 mt<br />

3mt<br />

4 mt<br />

5 mt<br />

0 mt<br />

6 mt<br />

7 mt<br />

8 mt<br />

9 mt<br />

10 mt<br />

0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500 7000<br />

Measured<br />

Fit<br />

time (s)<br />

-10<br />

-20<br />

-2000 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000<br />

0<br />

altitude (mt)<br />

Measured<br />

Linear Fit<br />

Y=42.15403-112.16353X<br />

-10<br />

-20<br />

-1000 -900 -800 -700 -600 -500 -400 -300 -200 -100 0 100<br />

0<br />

p-p 0 (mbar)


Hz<br />

S = 1.14<br />

Pa<br />

SENSORE DI PRESSIONE SAW<br />

Δf noise<br />

= 4Hz<br />

R = 3.5Pa = 3.5⋅10 −5 Bar

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