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

DISPOSITIVI E SENSORI SAW:
REALIZZAZIONE E APPLICAZONI
Ing. Fabio Di Pietrantonio
Istituto di Acustica “O. M. Corbino”
Consiglio Nazionale delle Ricerche

DISPOSITIVI SAW E PSAW SU AlN/D

TECNOLOGIE DI REALIZZAZIONE
ELETTRODI INTERDIGITALI

MISURE SAW AlN/D

SENSORE SAW AlN/D

SISTEMA MULTISENSORIALE

RISONATORE SAW 2-PORTE
Elettrodi in Alluminio
λ = 8 µm w= 450 µm
NG = 300 NIDT = 76
vR≃3170
Apodizzazione gaussiana
per sopprimere i modi
trasversli
LC = 1278 µm
f0 ≃ 392.5 MHz
SENSORE SAW SU QUARZO
|S 21| 2 (dB)
phase S 21 (deg)
0
-10
-20
-30
-40
-50
-60
-70
IDT
riflettore w riflettore
LC
3 mm
-80
390 389 390 391 391 392 392 393 394 393 395 394 395 396 396 397
200
150
100
50
0
-50
-100
-150
-200
390 389 390 391 391 392 392 393 394 393 395 394 395 396 396
397
frequency (MHz)

Quarzo
Riflettore
SENSORE SAW SU QUARZO
CIM IDT Riflettore

OSCILLATORI ELETTRONICI PER
DISPOSITIVI SAW
Un oscillatore di Pierce con due reti di adattamento L-C per i
trasduttori SAW e un buffer di uscita realizzato con un transistor npn
in configurazione di inseguitore d’emettitore.
Un oscillatore a retroazione che prevede un amplificatore integrato a
larga banda ed impedenze nominali di ingresso e uscita di 50 Ω (Mini-
Circuits\MAR-8).
Condizioni di Barkhausen sul guadagno e sulla fase d’anello:

Dispositivi SAW a 392.5MHz:
Risonatori 2-porte
Transistor npn BFR92P (Siemens)
Reti a “PI” costituite da due
capacità e un induttore.
Sfasamento necessario per
soddisfare la condizione di
Barkhausen sulla fase
Buffer d’uscita: transistor npn
(BFR92P) in configurazione
d’inseguitore d’emettitore.
OSCILLATORI ELETTRONICI PER
DISPOSITIVI SAW
Oscillatore Pierce

Le dimensioni della basetta
sono 30mm x 11mm.
Tutti i componenti utilizzati
sono a montaggio superficiale.
Ogni oscillatore è alimentato
attraverso un connettore con
filtro LC per radio frequenza.
Livelli di uscita su carico a 50Ω con:
Vcc=8 V
Icc≅14 mA
OSCILLATORI ELETTRONICI PER
DISPOSITIVI SAW
Oscillatore Pierce
Filtri TMX: 0dbm
Risonatori RFM: -6dbm
Contatti
IDT
Alimentazione
Uscita
Amplificatore
BFR92P
Buffer Uscita
BFR92P

OSCILLATORI ELETTRONICI PER
DISPOSITIVI SAW
Oscillatore con amplificatore integrato
Amplificatore commerciale della Mini-
Circuits, MAR-8SM (G ≅ 25 dB a 433.92
MHz).
Sfasatore LC per il rispetto della condizione
di Barkhausen sulla fase.
Buffer d’uscita: transistor npn (BFR92P) in
configurazione d’inseguitore d’emettitore.
Rete di
polarizzazione
Contatti
IDT
Rete di
sfasamento
Alimentazione
BFR92P
Amplificatore
MAR-8
Uscita
Funzionamento con dispositivi
SAW con perdite di inserzione
elevate (>20dB).
Per garantire la stabilità può
essere necessario variare LC.

SISTEMA MULTISENSORIALE
Matrice che prevede l’utilizzo di
cinque dispositivi SAW: uno di
riferimento e quattro sensibili
Struttura differenziale: si valutano i segnali
differenza tra riferimento e i dispositivi
sensibili
Attenuazione variazioni di modo comune che
intervengono sulla frequenza di oscillazione
(variazioni temperatura)

Gas inlet
SMA connectors
For RF output
SISTEMA MULTISENSORIALE
Gas outlet
Temperature
sensor
SAW devices

SISTEMA MULTISENSORIALE
Emitter follower
Output
Power supply
MiniCircuits
MAR-8 Amplifier
SAW device contacts
Polarization net

SISTEMA MULTISENSORIALE
MISURE SU GAS NERVINI
(s)
2 ppm di DMMP
(T=25.9 °C; TR-104)
Δf=730Hz
RISPOSTA NEL TEMPO A
2 ppm di DMMP
(s)
0.2 ppm di Sarin
(T=26.3 °C; TR-104)
Δf=970Hz
RISPOSTA NEL TEMPO A
0.2 ppm di Sarin

SISTEMA MULTISENSORIALE
MISURE SU GAS NERVINI
(s)
2 ppm di DMMP
(T=25.9 °C; TR-104)
Δf=730Hz
RISPOSTA NEL TEMPO A
2 ppm di DMMP
(s)
0.2 ppm di Sarin
(T=26.3 °C; TR-104)
Δf=970Hz
RISPOSTA NEL TEMPO A
0.2 ppm di Sarin

SENSORI SAW PER APPLICAZIONI
WIRELESS

SAW PER APPLICAZIONI WIRELESS
Il trasduttore interdigitato trasforma
il segnale ricevuto in un’onda
acustica superficiale che si propaga
nel cristallo.
I riflettori riflettono parte dell’onda
incidente; quello che ritorna al trasduttore
è una serie di echi ad alta frequenza che
vengono ritrasmessi dall’antenna all’unità
di interrogazione.
Le risposte RF racchiudono informazioni
sulla posizione dei riflettori (identificazione)
e sulle caratteristiche di propagazione della
SAW, dipendenti a loro volta dalle
condizioni ambientali (sensore).
PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO
w
RF Link
d 1
LiNbO 3
Unità
Interrogazione
Dispositivo
SAW
d 2

SAW PER APPLICAZIONI WIRELESS
Niobato di Litio taglio 128° rot. Y, propagazione X:
Riflettori di calibrazione
Frequenza di funzionamento nella banda ISM
(433.07 - 434.77 MHz)
f 0 = v
λ
FREQUENZA DI FUNZIONAMENTO
= v
4d =
3885
= 433.6MHz
4 ⋅ 2.23⋅10
−6

SAW PER APPLICAZIONI WIRELESS
Trasduttore Interdigitato
Basse perdite e impedenza di ingresso prossima a 50 Ω.
Piccole riflessioni meccaniche nel trasduttore.
Apertura sufficientemente larga in modo da evitare diffrazione.
Numero ottimo di coppie per il trasduttore
Larghezza banda elettrica
Q = C Tω 0
G 0
=
2
πK 2 N =
( Δf ) e
f0 Larghezza banda acustica
⎛
⎝
⎜
⎞
⎠
⎟
−1
IDT

SAW PER APPLICAZIONI WIRELESS
RIFLETTORI
Trasduttore bi-direzionale
Riflettori su entrambi i lati
Riflettori di tipo open-circuited
Riflettore di calibrazione: N=2
Riflettori esterni: N=20
Risposte da cammini multipli
determinate dal posizionamento
dei riflettori sui due lati
|S 11 | 2 (dB)
-20
-30
-40
-50
-60
-70
-80
-90
th.
exp.
N=2
N=20
Risposte da
cammini multipli
-100
Riflettori: open-circuited
-110
0.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0
Tempo (µs)

SAW PER APPLICAZIONI WIRELESS
SENSORE CHIMICO
U n a z o n a è d e d i c a t a
all’identificazione (sinistra)
e l’altra alla rilevazione dei
gas (destra).
I riflettori sono stati
posizionati su due livelli.
Evita le risposte spurie da cammini
multipli e consente di ottenere una
buona uniformità delle risposte.
Identificazione: due parole da 10 bit
ciascuna e due bit di calibrazione.
Sensore: due riflettori tra i quali
depositare la CIM.
|S 11 | 2 (dB)
-10
-20
-30
-40
-50
-60
-70
-80
-90
-100
Riflettore di
Calibrazione
Riflettore
Sensore
1000000000
1000110001
Codici
Riflettore
Sensore
0000000000
1000110001
Riflettore di
Calibrazione
-110
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
Tempo (μs)

SAW PER APPLICAZIONI WIRELESS
SENSORE CHIMICO
IDT
Riflettore

SENSORE DI PRESSIONE SAW

SENSORE DI PRESSIONE SAW
PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO
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
membrana di quarzo ST si genera
un’onda di Rayleigh (v=3150 m/s) se h≫λ
Applicando una differenza di pressione
tra le due facce della membrana si
generano delle deformazioni e quindi
degli sforzi
La relazione tra sforzo e deformazione
non è più lineare
Cambiano le costanti elastiche c, che ora
diventano una combinazione lineare tra
le costanti elastiche di primo ordine e
quelle di secondo, quindi cambia la
velocità di propagazione dell’onda e di
c o n s e g u e n z a l a f r e q u e n z a d i
funzionamento del dispositivo
v = c ijkl
ρ
f 0 = v
λ
membrana di quarzo
T
v
v + Δv
P
Deformazione
statica
S

SENSORE DI PRESSIONE SAW
SIMULAZIONI E POSIZIONAMENTO DEI RISONATORI
Gli sforzi e le deformazioni sulla
membrana dopo l’applicazione di
pressioni comprese tra 0bar e
3bar sono stati studiati con
simulazioni FEM 3D
Il diametro e lo spessore della
membrana sono stati scelti in
funzione della grandezza dei
trasduttori e del punto di rottura
del quarzo
h = 500µm
d = 22mm
I risonatori sono stati posizionati
nei due punti della membrana
d o v e s i h a n n o l e m a s s i m e
deformazioni di segno opposto,
quindi al centro e sul bordo
strain in propagation direction
bending ( μm)
2x10 -4
4x10 -4
6x10 -4
8x10 -4
1x10 -3
0
-1x10 -3
-8x10 -4
-6x10 -4
-4x10 -4
-2x10 -4
0
-10
-20
-30
-40
-50
breaking point
breaking point
posizione
risonatori
-0.0100 -0.0075 -0.0050 -0.0025 0.0000 0.0025 0.0050 0.0075 0.0100
location on the diaphragm (mm)
membrane thick: 500 μm
applied pressure: 3 bar

SENSORE DI PRESSIONE SAW
SIMULAZIONI E POSIZIONAMENTO DEI RISONATORI
Gli sforzi e le deformazioni sulla
membrana dopo l’applicazione di
pressioni comprese tra 0bar e
3bar sono stati studiati con
2x10
simulazioni FEM 3D
-4
4x10 -4
6x10 -4
8x10 -4
1x10 -3
breaking point
strain in propagation direction
0
Il diametro e lo spessore della
membrana sono stati scelti in
funzione della grandezza dei
trasduttori -1x10 e del punto di rottura
del quarzo0
-3
-8x10 -4
-6x10 -4
-4x10 -4
risonatori
breaking point
bending ( μm)
-2x10 -4
-10
-20
-30
h = 500µm
d = 22mm
posizione
I risonatori sono stati posizionati
nei due -40 punti della membrana
d o v e s-50 i h a n n o l e m a s s i m e
deformazioni di segno opposto,
quindi al centro e sul bordo
-0.0100 -0.0075 -0.0050 -0.0025 0.0000 0.0025 0.0050 0.0075 0.0100
location on the diaphragm (mm)
membrane thick: 500 μm
applied pressure: 3 bar

SENSORE DI PRESSIONE SAW
REALIZZAZIONE
Su una piastrina di quarzo sono stati
realizzati 2 risonatori 2-porte in Alluminio
operanti alla stessa frequenza (393 MHz)
con λ =8µm e aventi una pista metallica
per ogni piazzola, per prelevare il
segnale.
La cavità che delimita la membrana è
stata realizzata operando un foro
passante in una piastra spessa di Macor.
In un’altra piastra di Macor è stata
ricavata una cavità circolare profonda
1mm, la camera a tenuta, la quale
rappresenta il riferimento di pressione
per il sensore.
Le tre parti sono state incollate sotto
vuoto con una colla a indurimento
termico, in modo da lasciare i risonatori
all’interno della camera a tenuta.
I risonatori sono inseriti ognuno in un
circuito oscillante dal quale si preleva il
segnale (frequenza) e si fa la differenza
mediante un mixer (uscita differenziale).
saldature
Macor
risonatori camera a tenuta
membrana
al circuito
piste

SENSORE DI PRESSIONE SAW
BANCO DI MISURA
CAMERA DI MISURA
GENERATORE
DI PRESSIONI
MIXER
FREQUENZIMETRO

SENSORE DI PRESSIONE SAW
La variazione di frequenza rispetto
alla frequenza di riferimento in
f u n z i o n e d e l l a va r i a z i o n e d i
pressione rispetto alla pressione di
riferimento ha un andamento
lineare
frequency shift (Hz)
924090
924085
924080
924075
924070
924065
924060
924055
924050
924045
924040
0 mt
1 mt
Δh = 1m
ΔP = 13.33Pa
Δf = 14Hz
0 mt
1 mt
0 mt
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500
time (s)
2 mt
0 mt
2 mt
0 mt
MISURE
frequency (Hz)
frequency shift (kHz)
f -f
0
924100
924080
924060
924040
924020
924000
923980
923960
923940
923920
frequency shift (kHz)
f -f
0 p
110
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
110
100
90
80
70
60
50
40
30
20
10
1 mt
2 mt
3mt
4 mt
5 mt
0 mt
6 mt
7 mt
8 mt
9 mt
10 mt
0 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000 5500 6000 6500 7000
Measured
Fit
time (s)
-10
-20
-2000 0 2000 4000 6000 8000 10000 12000 14000 16000
0
altitude (mt)
Measured
Linear Fit
Y=42.15403-112.16353X
-10
-20
-1000 -900 -800 -700 -600 -500 -400 -300 -200 -100 0 100
0
p-p 0 (mbar)

Hz
S = 1.14
Pa
SENSORE DI PRESSIONE SAW
Δf noise
= 4Hz
R = 3.5Pa = 3.5⋅10 −5 Bar