第３３卷第１期 ２０１５年２月 轻工机械 Ｌｉｇｈｔ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ｍａｃｈｉｎｅｒｙ Ｖ０１．３３ Ｎｏ．１ Ｆｅｂ．２０１５ （上海工程技术大学机械工程学院，上海摘２０１６２０） 要：声表面波无线射频识别技术是现代无线射频识别方法之一。针对目前声表面波标签设计复杂，精度要求较高等 特点，提出了基于ＡＮＳＹＳ的声表面波标签设计方法。在声场波动方程和Ｍａｘｗｅｌｌ方程的基础上，研究二维模型的可行 性，采用１２８。ＹＸ—ＬｉＮｂＯ 压电晶体为基底，金属铝为叉指换能器电极，设计２个叉指换能器周期的声表面波标签模型 对声表面波标签进行模态分析和谐响应分析，仿真结果反映了声表面波在压电基底上的传播轨迹，声表面波的能量分布 图以及幅频特性，为声表面波标签的精确设计提供依据。 关键词：声表面波标签；铌酸锂晶体；有限元分析法；传播属性 文献标志码：Ａ 文章编号：１００５—２８９５（２０１５）０１－００６０－０４ 中图分类号：０４２２；ＴＮ７１３ ＳＡＷ Ｔａｇ Ｍｏｄｅｌｉｎｇ ａｎｄ Ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ Ｂａｓｅｄ ｏｎ ＡＮＳＹＳ ＣＨＥＮ Ｆｅｉ，ＭＡＯ Ｊｉａｎ （Ｓｃｈｏｏｌ ｏｆ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｓｈａｎｇｈａｉ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｓｃｉｅｎｃｅ，Ｓｈａｎｇｈａｉ ２０１６２０，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｒａｄｉｏ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｓｕｒｆａｃｅ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｗａｖｅ ｉＳ ｏｎｅ ｏｆ ｔｈｅ ｍｏｄｅＩＴｌ ＲＦＩＤ ｍｅｔｈｏｄｓ．Ｆｏｒ ｔｈｅ ｃｏｍｐｌｅｘ ｄｅｓｉｇｎ ａｎｄ ｈｉｇｈ ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ＳＡＷ—Ｔａｇ，ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｐｒｏｐｏｓｅｄ ａ ｄｅｓｉｇｎ ｍｅｔｈｏｄ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ＡＮＳＹＳ．Ｏｎ ｔｈｅ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ａｃｏｕｓｔｉｃ ｗａｖｅ ｅｑｕａｔｉｏｎｓ ａｎｄ Ｍａｘｗｅｌｌ ｅｑｕａｔｉｏｎｓ，ｔｈｅ ｆｅａｓｉｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｔｗｏ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｍｏｄｅｌ ｗａｓ ｄｅｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅ ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｃｒｙｓｔａｌ １ ２８。ＹＸ—ＬｉＮｂＯ３ ｗａｓ ｓｅｔ ａｓ ｔｈｅ ｂａｓｅ ａｎｄ ｔｈｅ ａｌｕｍｉｎｕｍ ａｓ ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ｏｆ ｉｎｔｅｒｄｉｇｉｔａｌ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ，ｔｈｅ ＳＡＷ ｔａｇ ｍｏｄｅｌ ｂｙ ｔｗｏ ｉｎｔｅｒｄｉｇｉｔａｌ ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ ｗａｓ ｃｒｅａｔｅｄ．Ｔｈｒｏｕｇｈ ｍｏｄａｌ ａｎａｌｙｓｉｓ ａｎｄ ｈａｒｍｏｎｉｃ ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ ＳＡＷ ｔａｇ，ｔｈｅ ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ｏｆ ＳＡＷ ｉｎ ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｓｕｂｓｔｒａｔｅ ｃａｎ ｂｅ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ，ａｓ ｗｅｌｌ ａｓ ｔｈｅ ｅｎｅｒｇｙ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ａｍｐｌｉｔｕｄｅ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ，ｗｈｉｃｈ ｐｒｏｖｉｄｅ ｔｈｅ ｐｒｏｏｆ ｆｏｒ ｐｒｅｃｉｓｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ＳＡＷ ｔａｇｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ＳＡＷ（Ｓｕｒｆａｃｅ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ）ｔａｇ；ＬｉＮｂＯ３ ｃｒｙｓｔａｌ；ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ａｎａｌｙｓｉｓ；ｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ ｐｒｏｐｅ￣ｙ 声表面波（Ｓｕｒｆａｃｅ Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｗａｖｅ，ＳＡＷ）是指能够 大批量生产等优点。 ＳＡＷ标签的精确设计是ＳＡＷ—ＲＦＩＤ系统中重要 在物体自由表面产生并沿着表面或界面传播的弹性波， 其振幅随着物体透入深度而衰减，能量也主要集中在物 体表面。随着叉指换能器（Ｉｎｔｅｒｄｉｇｉｔａｌ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ， ＩＤＴ）的出现，ＳＡＷ与射频波能够在压电基底表面完成 声电转换，因此ＳＡＷ技术得到了迅速的发展 。随 环节，能够影响其在识别过程中的传播速度和识别时 间。在实际应用中ｌ３ Ｊ，由于复杂的外界环境，较难得 到压电晶体内波动微分方程的精确解。ＡＮＳＹＳ软件 能够对多物理域进行建模和仿真，较好地反映ＳＡＷ在 压电基体上的传播属性，本文提出了一种基于ＡＮＳＹＳ 的声表面波标签仿真方法，为ＳＡＷ标签的设计提供理 论基础。 着新材料的不断出现，信息融合技术的不断发展，ＳＡＷ 技术在很多领域得到了广泛的应用。 无线射频（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｉｄｅｎｔｉｉｆｃａｔｉｏｎ，ＲＦＩＤ） 技术是物联网技术中不可或缺的自动识别技术之一。 １ ＳＡＷ－ＲＦＩＤ识别原理 图１是１个ＳＡＷ．ＲＦＩＤ识别系统 』，主要包括阅 读器和射频标签２部分。ＳＡＷ．ＲＦＩＤ系统的工作原理 为：阅读器通过天线发射１个射频脉冲查询信号，在查 传统的基于Ｉｃ技术的ＲＦＩＤ技术具有识别距离短，适 应恶劣环境能力较差的缺陷，而ＳＡＷ．ＲＦＩＤ技术能够 弥补这些缺陷 ｊ，且其标签具有制造工艺简单，可以 收稿日期：２０１４－０４—２０：修回日期：２０１４－０７－３０ 作者简介：陈飞（１９８９），男，江苏泰州人，硕士研究生，主要研究方向为物联网技术。Ｅ－ｍａｉｌ：ｃｆ＿ｚｄｍ＠１６３．ｃｏｒｎ ［自控・检溯］ 陈飞，等：基于ＡＮＳＹＳ的声表面波标签仿真研究 ・６１・ 询范围内，ＳＡＷ标签上的天线接收信号并传递至又指 换能器，由于压电基片的逆压电效应，叉指换能器激发 出相应的ＳＡＷ，该ＳＡＷ在压电基片表面传播，到达含 有编码信息的反射栅后，部分ＳＡＷ又将返回至叉指换 能器，叉指换能器再将该ＳＡＷ通过基片压电效应转变 成ＲＦ射频波，并由标签天线发射出去，同时阅读器的 天线接收发射信号，从而得到阅读器天线范围内的 ＳＡＷ标签信息。 天线ＳＡＷ压电基片 Ｆｉｇｕｒｅ １ ＳＡＷ—ＲＦＩＤ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ２ ＳＡＷ标签仿真建模理论分析 当ＳＡＷ在压电基片上传播时，电磁波必然存在于 压电基体中，因此在压电基体中，必定包含有声波的弹 性波动方程和电磁波Ｍａｘｗｅｌｌ方程，同时该方程通过 本构方程联系起来 Ｊ，如公式（１）所示： ２ ㈩ 其中， 为应力，Ｆ为施加在ＩＤＴ上的负载，Ｐ为压电基 体的密度， 为压电介质中质点振动的位移，Ｄ为电位 移张量，ｄ为压电应变常数，ｏ－为应力张量。 在压电晶体中，波的传播过程中一般包含有５种 波，即纯声波、耦合准声波、强化声波、纯电磁波以及耦 合准电磁波。由于在ＬｉＮｂＯ 压电晶体中，声波的速度 一般比电磁波速度慢５个数量级，因此电磁波的有旋 分量和声波的耦合很弱，所以采用准静态近似法来处理 电磁场的问题，即仅考虑３个声波，而忽略２个电磁 波 Ｊ。又因为压电介质为绝缘体，在压电介质内部没有 自由电荷移动，因此Ｍａｘｗｅｌｌ方程可以简化为公式（２）： Ｄ ＝０，Ｅｉ＝一 。 （２） 其中：Ｄ；为电位移，Ｅｉ为电场强度， ｊ为电势函数的 为了简化模型，对ＩＤＴ电极采用近似无线周期延 伸，如图１所示，令 轴为ＳＡＷ传播方向，】，轴垂直于 基底表面，ｚ方向与ＩＤＴ电极方向平行，由于ＳＡＷ在 ｚ轴方向的传播方式都相同，则有公式（３）所示： ｄ ：０ （３） 因此，分析ＳＡＷ在压电介质中的传播问题可以简 化为建立在二维模型基础上，在保证仿真结果的基础 上，降低了仿真的复杂度。 ３ ＳＡＷ标签建模与仿真 ３．１有限元模型 经过理论分析，可以将压电基片简化为二维模 型 Ｊ。在实际ＳＡＷ标签中，ＩＤＴ数目一般有几十对到 上百对，为了提高运算速度，可以建立２个周期，即在 ＸＹ平面内建立２个周期节长度、基片高度为２～５倍 波长的模型。假设ＳＡＷ波长为Ａ，当ＳＡＷ与叉指换 能器周期Ｐ一致时，叉指换能器得到最大激励，取Ａ＝ １．６ ｍ，则基片高度为５Ａ，取电极高度ｈ与ＳＡＷ波长 Ａ的比值，ｈ／Ａ＝５％，由此确定模型的尺寸，如图２所 示。其中，，Ｔ为ＬｉＮｂＯ３晶片的上边界，厂Ｂ为ＬｉＮｂＯ３ 的下边界，厂Ｌ为ＬｉＮｂＯ。的左边界，厂 为ＬｉＮｂＯ，的右 边界，叉指对为铝电极。 图２ ＳＡＷ标签二维模型 Ｆｉｇｕｒｅ ２ Ｔｗｏ－－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ＳＡＷ・－Ｔａｇ ３．２单元类型和材料参数 对１２８。ＹＸ—ＬｉＮｂＯ 压电基底的仿真为耦合场单元 模型＿８ Ｊ，选用结构和电场相互作用，其中铝电极叉指 对选择ＰＬＡＮＥ１３，其Ｏｐｔｉｏｎｓ选项中单元自由度选择 “ＵＸ ＵＹ ＶＯＬＴ”，单元行为选择“Ｐｌａｎｅ ｓｔｒａｉｎ”；１２８。 ＹＸ—ＬｉＮｂＯ 晶体选择ＰＬＡＮＥ２２３，其Ｏｐｔｉｏｎｓ选项中选 择“Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｉｒｃ”，单元类型为“Ｐｌａｎｅ ｓｔｒａｉｎ”后，确定单 元类型后在材料参数中定义材料的密度、介电常数、弹 性常数和压电常数，其中后２个常数为矩阵形式，需要 输入不同的次序转换后的系数矩阵；最后再定义铝的 密度和泊松比以及杨氏模量参数。 ３．３ 网格划分 ＳＡＷ标签网格划分如图３所示，模型建立完成
