245106 (Радиочастотная идентификационная метка на поверхностных акустических волнах), страница 6

Рисунок 2.8 – Двунаправленные ВШП в составе отражателя

На начальном этапе расчетов вычислим максимальный коэффициент отражения от отражателя из двух ВШП.

где M – число периодов в обоих частях отражателя, k²- квадрат коэффициента электромеханической связи.

В то же время необходимо выполнение условия:

где N-число периодов в одном из ВШП отражателя.

Для выполнения данного условия возьмем 1 период ВШП. Коэффициент электромеханической связи для подложки ниобата лития со срезом в направлении Y, X постоянен и равен в относительных единицах 0,053. Тогда:

Условие выполняется.

Следовательно число периодов в обоих частях отражателя будет равно 2 и максимальный коэффициент отражения будет равен:

Для оптимальной кодировки данных и с учетом затуханий в металлической пленке ограничимся числом отражателей N=20.

Рассчитаем расстояния α_i между парциальными ВШП и коэффициент отражения k_i. Полученные данные занесем в таблицу 2.4.

,

,

i=0,1,2….N, где N – число отражателей, -коэффициент отражения от отражателя из двух ВШП, λ₀ – период, а M – число периодов в обоих частях отражателя, k²- квадрат коэффициента электромеханической связи.

Отражатель состоит из 2-х половинок, сдвинутых друг относительно друга на расстояние α_i. В этом случае ПАВ, отраженные от каждой половинки отражателя, приходят на приемо-передающий ВШП со сдвигом фаз, определяемым расстоянием между одинаковыми частями отражателя и суммарная амплитуда ПАВ определяется выражением:

где - амплитуда ПАВ, падающей на отражатель, - коэффициент отражения от i-того отражателя, f - частота, - длина ПАВ, - расстояние между половинками в i-том отражателе.

Чтобы переотраженные от соседних отражателей ПАВ не искажали отраженную импульсную последовательность, отражатели выполняются с малым коэффициентом отражения (не более 0,1-0,15). В этом случае переотраженные ПАВ по амплитуде будут почти на порядок меньше, чем отраженные ПАВ, падающие на отражатели от приемо-передающего однонаправленного ВШП. Поэтому отражатели, выполненные в виде ВШП, должны содержать малое число электродов, чтобы коэффициент отражения от них не превышал вышеуказанной величины. Необходимо учитывать, что ПАВ, падающие на следующий отражатель, будут по амплитуде несколько меньше, чем ПАВ, падающие на предыдущий отражатель, так как при каждом отражении часть энергии ПАВ уходит в отраженный сигнал и амплитуда ПАВ по мере распространения в системе отражателей убывает. Следовательно, по мере удаления от приемо-передающего ВШП, амплитуды отраженных ПАВ убывают, а импульсы в отраженной последовательности имеют разную (убывающую) амплитуду. Чтобы этого не происходило, коэффициент отражения уменьшается по мере удаления от приемо-передающего ВШП. Это достигается тем, что отражательные ВШП выполнены из двух одинаковых частей, сдвинутых относительно друг друга на расстояния а_i, которое зависит от номера отражателя, отсчитываемого от приемо-передающего ВШП

Зададим шаг изменения величины α_i равным 1,6 мкм исходя из разрешающей способности обычной контактной фотолитографии, которая будет применяться в дальнейшем при кодировании данных непосредственно в процессе изготовления метки. Также подразумевается наличие всех отражателей на подложке, что соответствует двоичному коду: 11111111111111111111. Допустим, что мощность принимаемого меткой сигнала 100 мВт (максимально допустимая мощность передачи сигнала радиочастотного диапазона) без учета потерь на распространения электромагнитной волны в пространстве. При этом учтены все возможные потери, вносимые как самим приемо-передающим ВШП, так и антенной (п 2.3.4). Произведем расчет и занесем полученные значения в таблицу 2.4

Таблица 2.4 – Результаты расчета

Из таблицы 2.4 видно, что коэффициент отражения, как и сам сигнал практически линейно уменьшается по мере распространения от приемо-передающего ВШП.

2.2.4 Конструкция метки

На рисунке 2.9 изображена конструкция предлагаемой метки на ПАВ.

Рисунок 2.9 – Конструкция РЧИД-метки на ПАВ

2.2.5 Кодирование данных

Определим минимальную длительность считывания импульса:

Τ_{и. мин}=1/Δf=1/27*10⁶=37 (нс).

Расстояние между отраженными импульсами должно быть равно удвоенной длительности считывающего импульса (74 нс), что позволяет легко различить отраженные импульсы на импульсном отклике от радиочастотной метки:

R=V_ПАВ* 2Τ_{и. мин} =3409.52*74*10^-9=252,3(мкм)

Возьмем наиболее простой способ кодировки данный включением-выключением импульса. В этом случае наличие отражателя на заданном фиксированном промежутке будет восприниматься как 1, отсутствие как 0. Покажем также возможность одновременного опроса нескольких меток при передвижении массива отражателей на расстояние от 1 до 10 мм. Изобразим это в виде диаграммы, представленной на рисунке 2.10.

Рисунок 2.10 –временная диаграмма положения отражателей при перемещении массива относительно приемо-передающего ВШП

Таким образом, как видно из диаграммы, имеется возможность исключить наложения сигналов перемещением массива отражателей относительно приемо-передающего ВШП при одновременном опросе сразу нескольких меток.

2.2.6 Определение габаритных размеров проектируемой метки

Определяем длину звукопровода [15].

L_д = L_вх + L_отр + L₁ + 2L₂

где L_вх – длина входного преобразователя; L_отр – длина массива отражателей; L₁ = 1…10 мм – расстояние между приемо-передающим ВШП и первым отражателем массива; L₂ = 5…10 мм – расстояние между крайним электродом преобразователя и торцевой гранью звукопровода.

Длина входного преобразователя:

L_вх = 17*18/16 λ +16*10/16λ=71,72+37,5=109,22(мкм).

Длина массива отаражателей:

L_отр=Σa_i+(20-1)R=5172,67(мкм).

Тогда:

L_дmax=109,22+5172,67+10000+5000=20282 мкм≈20,3(мм).

Ширина звукопровода, мм:

L_ш = W_вх + 2(L3 + L4)=0,3+2(5+0,00093)=10,3.

где L₃ = 5…10 мм – расстояние между общей шиной решетки преобразователя и продольной гранью звукопровода; L₄ = 2d – ширина общей шины решетки преобразователя.

Толщина звукопровода выбирается около 20λ для уменьшения влияния объемных волн. В нашем случае толщина звукопровода составляет 75 мкм.

1. Технологические этапы изготовления РЧИД-метки на ПАВ

2.3.1 Стадия предварительной обработки поверхности подложек

При шлифовке рабочей поверхности звукопроводов используется асимптотический метод, т.е. последовательная обработка все более мелкими корундовыми шлифпорошками. Шлифовка начинается порошками №25 и №3, а затем микропорошками М20, М10 и М5. Это позволяет получить чистоту поверхности около 10 и глубину нарушенного слоя монокристалла 5-7 мкм [16].

Обработка звукопроводов диаметром 76 мм производится свободным абразивом по групповому методу на шлифовальном станке планетарного типа. Во время процесса возможен также активный контроль толщины посредством измерения интенсивности пьезошумов.

Полировка рабочей поверхности звукопроводов из ниобата лития производится на полировальном станке типа В1М3.105.001 с использованием на начальном этапе алмазной пасты АСМ 715 или АСМ 5/3, на конечном этапе алмазной пастой АСМ 1/10.

1. Предварительная очистка подложек ниобата лития

Для получения хорошей адгезии и возпроизводимости электрофизических свойств наносимых на подложку электродов, поверхность звукопровода должна быть подвергнута тщательной очистке. Способ очистки во многом зависит от выбранного метода последующей металлизации.

Стадия предварительной очистки подложек ниобата лития состоит из следующих этапов [17].