FBAR振荡器作为六端口反射计射频源的BAW传感器读出电路

高杨，黄振华，蔡洵

(1.中国工程物理研究院电子工程研究所，四川绵阳621999;2.西南科技大学信息工程学院，四川绵阳621010; 3.重庆大学新型微纳器件与系统技术国防重点学科实验室，重庆400044;4.中国科学院高能物理研究所核探测与核电子学国家重点实验室，北京100049)

FBAR振荡器作为六端口反射计射频源的BAW传感器读出电路

高杨1，4，黄振华2，3，蔡洵2

(1.中国工程物理研究院电子工程研究所，四川绵阳621999;2.西南科技大学信息工程学院，四川绵阳621010; 3.重庆大学新型微纳器件与系统技术国防重点学科实验室，重庆400044;4.中国科学院高能物理研究所核探测与核电子学国家重点实验室，北京100049)

为解决由于FBAR的谐振频率处于射频频段，导致BAW传感器读出电路难以实现的问题，将FBAR振荡器作为六端口反射计射频源，以检测FBAR谐振频率，从而实现BAW传感器信号读出的新型读出电路。在ADS软件中，通过建立FBAR的MBVD模型并采用Pierce拓扑结构实现FBAR振荡器的仿真模型，以及建立六端口反射计的仿真模型，并结合两个仿真模型建立BAW传感器的最小系统模型。BAW传感器最小系统模型的仿真结果表明:由FBAR振荡器和六端口反射计实现BAW传感器读出电路的可行性。为实验验证该结构，搭建一个基于微带六端口网络实物的六端口反射计实验装置，准确地测得1个案例FBAR振荡器的振荡频率为1.5 GHz，该振荡频率就是传感器表头中FBAR的谐振频率。

体声波传感器;读出电路;薄膜体声波谐振器;振荡器;六端口反射计

0 引言

体声波(bulk acoustic wave，BAW)传感器是由薄膜体声波谐振器(thin－film bulk acoustic resonator，FBAR)的谐振频率感应待测物理量的变化，BAW传感器读出电路检测FBAR谐振频率偏移量的新型谐振式传感器。由于FBAR具有灵敏度高，准数字量输出，便于集成和工作频率高等特点，可用于质量［1］、紫外线［2］、汞离子［3］、气体［4］、生物［5］和加速度［6］等传感器。但是，BAW传感器的发展依然存在许多待解决的关键技术，其中一个关键技术就是缺少BAW传感器的读出电路。有文献报道利用六端口反射计的基本原理为BAW传感器设计了一款读出电路。六端口反射计的基本原理是通过测量6个端口中4个端口的电压值，获得待测件(device under test，DUT)的反射系数，然后得到反射系数(Γ)－频率(f)曲线并通过阻抗分析方法测量FBAR的谐振频率［7－8］。但阻抗分析方法实现的读出电路需要一个频带较宽的射频信号发生器提供射频信号，而宽带的射频信号发生器难以实现集成化，且在测量过程中需要针对一个较宽的频带内的所有频点进行扫频测量，所需测量时间长难以实现实时测量。除了阻抗分析方法常用的还有FBAR振荡器方法，FBAR振荡器方法实现的读出电路是将FBAR设计成一个单频点的射频信号发生器，即FBAR振荡器，并通过六端口反射计检测得到FBAR振荡器的振荡频率，只需进行单频点测量，所需测量时间极短可用于实时测量。基于六端口反射计的阻抗分析法和FBAR振荡器法，本文提出了一种采用FBAR振荡器作为六端口反射计射频源，用于检测FBAR谐振频率的BAW传感器读出电路。

1 原理

新型的BAW传感器读出电路是由FBAR振荡器和六端口反射计构成，其中FBAR振荡器工作原理:由于FBAR在串/并联谐振频率间是呈现感性的，若将FBAR与电容串联可得到总阻抗为零的振荡回路，再将振荡回路连入放大电路中即可得到FBAR振荡器。这里使用的振荡器是将FBAR、三极管和集总元件通过Pierce拓扑结构连接而成FBAR振荡器，如图1(a)所示。其中FBAR与两个电容C1，C2构成了振荡回路，电阻R1，R2，Re和Rc为三极管提供工作所需的直流偏置使其工作在放大区，电感L1防止高频信号干扰直流电源，L2防止高频信号到地，Cb耦合电容的作用是将反馈信号耦合到放大器的输入端。

图1 BAW传感器最小系统框图

六端口反射计的核心器件是六端口网络，且其端口1接信号发生器，端口2接DUT(对于BAW传感器即为FBAR)，其余4个端口分別接上4个功率计，如图2所示。六端口反射计的工作原理:当信号发生器为六端口网络提供某一频率的信号源(功率稳定)时，六端口反射计能够通过4个功率计得到4个功率读数记为P3、P4、P5、P6，六端口反射计可以将这个4个功率读数代入式(1)中求解，可以得到信号源频率所对应的DUT的反射系数(不同频率对应不同的DUT反射系数)。

式中:Γ——反射系数;

P3、P4、P5、P6——功率计读数(已知);

|A3|、|A5|、|A6|——六端口网络的系统参数(随频率变化，已知);

q3、q4、q5、q6——六端口网络的系统参数(随频率变化，已知)。

图2 六端口反射计

由式(1)中的系统参数会随频率变化可知，当信号发生器为六端口反射计提供不同频率的射频信号时，功率计取得的功率读数都不相同。因此，为得到DUT在1.5 GHz(举例说明，其他频率同理)所对应的反射系数，需先得到1.5 GHz对应的系统参数和功率读数，代入式(1)计算即可。由此，若将1.5 GHz得到的功率读数依次与1.3～1.7 GHz对应的系统参数代入到式(1)中，可计算得DUT在1.3～1.7 GHz内的Γ－f曲线，但由于功率读数是1.5 GHz取得，所以该曲线只在1.5 GHz对应的反射系数是正确的。

若要得到某一未知频率的射频源的频率，可将其加载于六端口反射计的信号发生器端口，而六端口反射计的DUT端口连接一个标准负载(标准负载的Γ－f曲线已知)。然后通过六端口反射计的4功率计得到4个功率读数(未知频率对应的功率读数)，并将功率读数依次与某一频带内(包含未知频率)对应的系统参数代入到式(1)中，可计算得标准负载在该频带内的一条Γ－f曲线。由上可知，该Γ－f曲线只在未知频率点为正确值，因此将该曲线与标准负载的已知曲线进行对比，可得唯一交点，该交点对应的频率即为未知频率。

在此基础上，将六端口反射计结构进行改变得到了本文所需的六端口反射计，即在六端口网路的DUT端口连接上一个已知反射系数的标准负载，以及将信号发生器端口变为未知频率的射频信号输入端口，如图1(b)所示。

2 仿真

为了验证上述理论的可行性，根据上节给出的BAW传感器最小系统框图，在ADS软件中对FBAR振荡器和六端口反射计进行建模，进而构建了BAW传感器最小系统的仿真模型，如图3所示。其中FBAR振荡器中的FBAR元件采用MBVD模型，原因是FBAR振荡器进行仿真时，需要使用的是瞬态仿真，而FBAR的Mason模型是基于频域建立的，因而无法使用Mason模型;而六端口反射计中的六端口网络是采用文献［9］给出的微带六端口网络的等效电路模型。

在BAW最小系统的仿真模型建立前，还需要考虑FBAR振荡器的振荡频率以及是否能够起振，六端口反射计的工作频率是否包含FBAR振荡器的振荡频率。由于FBAR振荡器的振荡频率是位于FBAR的串/并联谐振频率之间的感性区域，因此可以通过设计确定FBAR的谐振频率并限制振荡频率;而FBAR振荡器能否起振主要与振荡电路中的C1和C2有关，因此对FBAR振荡器进行仿真时主要通过调节C1和C2的电容值来使其工作;本文通过调节FBAR的谐振频率与振荡电路中的元件参数，设计出了频率分别为1.40，1.45，1.50，1.55，1.60 GHz的5个FBAR振荡器。六端口反射计的工作频带主要取决于微带六端口网路，而微带六端口网络的工作频带是根据文献［10］给出的最佳设计准则来判定的，由此根据六端口网路的最佳设计准则仿真设计一个工作频带为1.47～1.54 GHz的六端口反射计。然后，将这5个FBAR振荡器分别与六端口反射计组合成如图3所示的5个BAW传感器最小系统仿真模型。最后对这5个BAW传感器最小系统仿真模型进行瞬态仿真，并通过模型中的4个电阻R4～R7读取微带六端口网络的4个输出功率。

在功率读取完成之后，会得到含有4个功率读数的5组数据，并将5组数据依次代入到步长为1 MHz频率范围为1.3～1.7 GHz的所有频率点对应的式(1)中进行计算，得到了5条Γ－f曲线，并将其与参考Γ－f曲线进行比较，如图4所示。

从图中可以看出，从仿真得到的功率读数，进一步计算得到的5条Γ－f曲线都和参考曲线只有唯一的交点，且交点处的频率正好是5个FBAR振荡器各自的振荡频率，即1.40，1.45，1.50，1.55，1.60 GHz。虽然只有1.50 GHz的振荡频率在六端口反射计的工作频带1.47～1.54 GHz之内，图中还给出了其余4个FBAR振荡器振荡频率的求解结果以验证上述算法的普适性。

图3 BAW传感器最小系统模型

图4 利用仿真的Γ－f曲线求解FBAR振荡器振荡频率的5个案例

3 实验

为了进一步验证采用FBAR振荡器作为六端口反射计射频源，用于检测FBAR谐振频率的BAW传感器读出电路的可行性，对上述仿真设计得到的微带六端口反射计进行了制作。微带六端口反射计制作完成后，首先采用矢量网络分析仪对微带六端口网络进行了S参数测试，测试结果如图5所示，从图中可以看出在频率1.5 GHz附近满足六端口反射计的最佳设计准则(Sn1＞－10 dB，n=2，3，…，6和Sn2＞－10 dB，n=1，3，5，6，而S42＜－20 dB)。然后在制作的微带六端口网络的1端口连接FBAR振荡器(频率设计为1.5 GHz)，2端口连接SMA匹配负载(反射系数已知)，3、4、5和6端口分别连接功率计(由检波器和示波器构成)，如图6所示，用来测量FBAR振荡器的振荡频率(1.5 GHz);通过功率计得到4个功率读数，并将4个功率读数依次代入到步长为100 MHz频率范围为1.0～2.0 GHz的所有频率点对应的式(1)中进行计算，得到了1条Γ－f曲线，并将其与参考Γ－f曲线进行比较，如图7所示。

图5 采用矢量网络分析仪测得的微带六端口网络S参数曲线

图6 基于一个微带六端口的六端口反射计实验装置

图7 利用六端口反射计实验装置测得的Γ－f曲线求解FBAR振荡器振荡频率的1个案例

从图中可以看出，利用上述的六端口反射计实验装置实测得到的功率读数，沿用图4中相同的解算方法得到一条Γ－f曲线，和参考曲线只有唯一交点，且交点处的频率为FBAR振荡器的振荡频率1.50 GHz。由此，说明图6所示的微带六端口反射计能够测量FBAR振荡器的振荡频率。

4 结束语

本文提出了一种FBAR振荡器作为六端口反射计射频源的BAW传感器读出电路新架构，该架构的特点是:首先采用Pierce振荡器电路结构，将嵌入在BAW传感器表头中的FBAR构成1个FBAR振荡器;再将FBAR振荡器接入六端口反射计的射频源端口Port 1，六端口反射计的Port 2连接SMA匹配负载(反射系数已知)、Port 3～6分别连接4个功率计;当FBAR振荡器起振后，使用1组功率读数和1种新的解算方法，可以解算出FBAR振荡器的振荡频率，这个振荡频率就是传感器表头中FBAR的谐振频率，从而实现了BAW传感器检测信号的读出。综合利用FBAR的MBVD等效电路模型、Pierce振荡器与六端口反射计的电路模型，在ADS软件中仿真验证了该结构的可行性。此外，还搭建了一个基于微带六端口网络实物的六端口反射计实验装置，准确地测得了1个案例FBAR振荡器的振荡频率为1.5 GHz，完成了初步的实验验证。

［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，FEUCHT 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］黄振华，高杨，蔡洵，等.基于六端口反射计的体声波传感器读出电路［J］.压电与声光，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.

(编辑: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

国家自然科学基金(61574131);中国工程物理研究院超精密加工技术重点实验室基金(2014ZA001);核探测与核电子学国家重点实验开放课题基金(2016KF02);西南科技大学特殊环境机器人技术四川省重点实验室开放基金(14zxtk01)

高杨(1972－)，男，四川绵阳市人，研究员，博士，从事微电子机械系统研究。