潘凌楠1，吳成玲1，胡芳仁1, 2

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

　　摘要：針對基于聲表面波技術的射頻識別系統工作原理，提出利用COMSOL軟件進行ZnO單晶材料射頻波標簽特性研究，進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圖，得到正特征頻率和反特征頻率分別為268 MHz和275 MHz。通過對特征頻率的仿真分析，計算ZnO單晶的相速度達到2 715 m/s；通過頻率響應分析，畫出標簽位移與頻率之間的關系圖，獲得了標簽的幅頻特性；最后討論脈沖幅度編碼對回波脈沖的影響。

　　關鍵詞：ZnO單晶；聲表面波；射頻識別；標簽

　　射頻識別(Radio Frequency Identification,RFID)技術是通過無線電信號查詢目標并讀取相關數據的一種通信技術，查詢系統與待測目標之間不需要直接接觸就能識別［1］。主要通過無線射頻信號空間耦合作用實現傳遞并獲取識別對象的相關數據。聲表面波(Surface Acoustic Wave，SAW)標簽屬于無芯片電子標簽，它將接收到的高頻脈沖通過叉指換能器轉變成聲表面波，并在晶體表面傳播，具有適應惡劣環境、無源、識別距離長、批量生產成本低等優點,與如今的IC電子芯片標簽有良好的互補性。目前，SAW 標簽廣泛應用于高速公路智能收費系統、車輛防盜識別、貨運管理網絡系統、供應鏈管理等方面。

　　ZnO單晶由于其光電耦合系數高、溫度系數低且廉價易得等特性，備受國內外研究機構的關注。但目前國內對于ZnO單晶研究卻少有報導。

1工作原理

　　1.1SAW射頻識別原理

　　圖1SAW射頻標簽工作原理SAW射頻識別系統由閱讀器、聲表面波標簽以及終端的數據處理系統這三部分組成。其中聲表面波標簽由壓電基底以及沉融在基底上面的標簽天線、反射柵和叉指換能器組成。其工作原理如圖1所示，標簽天線接收到閱讀器發射的查詢信號后進入叉指換能器，由于存在逆壓電效應將電信號轉化為聲表面波信號在ZnO單晶上傳播，經過反射柵時由于反射形成回波信號［2］，回波信號再次經過叉指換能器將正壓電效應轉換為脈沖回波信號發射給閱讀器。反射柵排列不同反射的回波信號也不同，所代表的標簽信息也就不同。

　　特征頻率是聲表面波標簽這種器件的主要參數，這個頻率即閱讀器發射射頻查詢脈沖的頻率。當查詢信號頻率與標簽的特征頻率相等時，此時轉化的聲表面波效率也最高、標簽的插入損耗也最小［3］。因此閱讀器可通過查詢特征頻率來達到檢測不同標簽的目的。本文利用COMSOL軟件有限元方法研究影響ZnO單晶射頻標簽的頻率特性。

　　2二維模型結構建立

　　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電極構成。由于聲表面波主要集中在基底表面傳播［4］，能量也集中在表面附近。為減少仿真計算量并且確保仿真的精度，將周期性排列的叉指換能器簡化成由一對電極組圖2射頻標簽二維模型

　　成［5］。簡化后的標簽二維模型如圖2所示。基片材料為ZnO單晶,取向為（0001），IDET采用金屬鋁電極。假設設計波長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，兩個電極中心間距p為5 μm，模型邊界［6］如表1。表1射頻標簽的邊界條件邊界ΓTΓBΓL,ΓR機械邊界條件自由固定自由電學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

　　利用上面設計的尺寸建立模型后,在consol模塊里選擇特征頻率處理器求解標簽特征頻率。由于叉指換能器的電極效應，仿真過程中可以提取到兩個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對稱模態圖和反特征模態圖可以看出對應的聲表面波正特征頻率fsc+為268 MHz ，反特征頻率fsc-為275 MHz，并且發現振幅從上至下逐漸減小，同時發聲表面波只在基片表面1~2個波長深度內傳播，符合聲面波傳播特性。

　　利用式（1）可計算出ZnO單晶的聲表面波相速度v=2 715 m/s，根據聲表面波器件工作原理可知，由圖4振動位移圖可以看出，當外界查詢信號的頻率等于標簽的特征頻率268 MHz 時，此時聲表面波的振動位移達到最大。

　　veff=p×(fsc++fsc－)(1)

　　2.2反射柵設計

　　本文選擇金屬鋁作為反射柵材料，脈沖幅度編碼利用有無設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簽攜帶信息編碼方式不同。當聲表面波傳送到反射柵，由于反射和透射產生延遲，導致回波信號編碼信息不同，從而可以識別不同標簽信息［810］。假設閱讀器發射一個查詢脈沖持續時間為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)。當波長λ為10 μm，由上面仿真出來的特征頻率為268 MHz，波速v為2 715 m/s。為了模仿識別標簽信息，設置110110和111011兩種不同反射柵編碼標簽模型，由圖5可以看出脈沖間隔時間為20 ns，

　　圖5不同反射柵編碼對應不同的回波脈沖相比發射的查詢波展寬了一倍，實際上回波脈沖在反射柵傳播時經歷反射疊加造成回波脈沖的延展。制作標簽時可通過在標簽兩邊添加吸聲材料減少此延誤。

3結論

　　本文利用COMSOL軟件中有限元仿真模塊進行ZnO單晶射頻波標簽特性研究，進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圖，并計算出聲表面波在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個波長范圍內傳播,要使其激發出的聲表面波振動位移達到最大，外加的查詢信號頻率應與其標簽的特征頻率相等，才能符合聲表面波的特性。通過對射頻標簽反射柵的仿真設計，進而可以簡單明了地識別標簽。上述實驗結果表明了仿真研究的有效性，可以為實際制作射頻標簽提供參考。

參考文獻

　　［1］ 劉男男，李陽，李亞楠. 基于RFID的醫療器械智能控制系統設計 ［J］.物聯網技術，2015（1）：7577.

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

　　［3］ 高山,杜秀麗,李曉偉，等.基于射頻識別技術的溫度監測系統［J］. 微型機與應用,2014, 33（20）:8082.

　　［4］ 黃鑫，陳智軍，阮鵬，等．聲表面波標簽的仿真與實驗研究［J］.中國機械工程,2014，25（5）：651656.

　　［5］ 何明，梁文輝，陳國華，等．基于多視圖的信息物理融合系統體系結構研究［J］. 計算機工程與應用，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.

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

　　［9］ 錢莉榮，楊保和．ZnO薄膜/金剛石在不同激勵條件下聲表面波特性的計算與分析［J］.物理學報，2013, 62（11）：468479.

　　［10］ 宗子軒，諶海云，吉寧，等．物聯網和SCADA系統的發展、現狀與展望［J］.物聯網技術，2014（12）：6164.