Page 271 - 《应用声学》2025年第2期
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第 44 卷 第 2 期 崔容等： 面向冶金流程智造的高温电磁微声识别芯片的研究与应用 531
计特定结构，可进一步提升其耐高温特性。EMMA 面 150 C∼350 C 的高温环境。特种定制的微声芯
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技术适用于高温熔融金属表面高温的工作环境，是 片工作温度甚至可以达到 400 C、600 C。(4) 微声
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高温熔融金属识别率实现 100% 的最有可能的路线 标识器的脉冲雷达具有识别速度快、抗干扰能力强
之一。 的优点，最快单次识别时间仅需10 µs [13] 。(5) 雷达
具有防串扰性能，EMMA系统仅识别信号最强的微
1 EMMA技术原理 声标识器，具有极好的单标签识别能力、极低的相
邻标签的串扰影响概率。
EMMA 系统主要由微声标识器、雷达以及天
因此，EMMA技术非常适用于钢铁冶炼恶劣环
线组成。微声芯片主要由叉指换能器 (Interdigital
境下的设备识别与定位管理。
transducer, IDT)、反射栅、压电基片构成，其中天
线与 IDT 直接相连，反射栅按照一定的编码规律放 2 耐高温微声芯片设计
置在压电基片上，压电基片一般由压电材料制备而
成 [11] 。EMMA 技术的工作原理如图 2 所示，雷达 高温条件下的 EMMA 标识器设计要求标识器
发射请求脉冲，由直接连接到 IDT 的标识器天线接 内部每一个部分都需要耐受高温，其中最低耐温单
收。换能器将电信号转换成纳米级表面声波，这是 元的温度承受能力即为芯片本身的耐受温度。奥地
粒子位移的机械波。继而，所产生的声表面波沿着 利CTR 公司 2011年报道了其团队耐高温声表面波
基板的表面传播，基板通常由具有强压电性的材料 芯片的研究成果，Al 电极在 YZ-LiNbO 3 材料的基
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制成，例如铌酸锂 (LiNbO 3 )。反射器通常由一根或 片上，只能在 300 C的环境下稳定工作 200 h，其插
几根窄的金属电极组成，并根据编码放置于基底上， 入损耗约 50 dB [14] ，导致其难以长期稳定工作的因
具有精确的位置设计，经由其反射和透射的声表面 素主要是金属薄膜的高温团聚问题。2019年，Hieke
波信号携带基于反射器位置的代码，这种编码方法 等 [15] 报道了 Al 薄膜形成空洞的微观机理，50 nm
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是基于反射脉冲的时间延迟，即时间位置编码或脉 厚的 Al 电极在高温 500 C 持续 40 min，空洞不断
冲位置调制。当反射的声表面波脉冲串返回到IDT 增大，最大的空洞直径达到 2.5 µm，而金属电极指
时，声学信号然后被重新转换成电形式，并由标识器 条的宽度通常为 1∼2 µm 甚至更小，高温产生的空
天线转发。然后雷达检测并解码响应信号，得到微 洞将会直接切断电极指条，因此团聚现象是导致金
声芯片的 ID 信息或者传感信息。即使用表面声波 属电极在电极材料熔点以下温度失效的主要因素，
来读取正确排列的反射器的亚微米“条形码” [11] 。 而采用更高熔点的金属材料可以有效杜绝高温条
件下长期工作的电极团聚的可能。
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ڀฉηՂ ᑟ ࡛ᘙᒛಕಫ 对于均匀换能器的设计，其主要性能影响因素
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τ 2 为金属化比及电极厚度设计。随着电极厚度的增
τ 12 加，反射率增大，透射率降低。电极厚度的增大意
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F i 味着质量加载更大，因此会产生更高的反射率。对
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ᭇ ಊវηՂ 于周期为 p r = 2 µm 的反射栅，其理论的反射中心
图 2 EMMA 技术的工作原理 [12] 频率为
Fig. 2 Working principle of EMMA technology [12] f 0 = v 0 , (1)
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EMMA 技术与 IC-RFID 技术相比具有以下优 其 中，v 0 为 压 电 基 底 上 声 表 面 波 的 传 播 速 度，
势：(1) 芯片无线无源且读取距离远，可穿透一定厚 约 3977 m/s， 设 计 器 件 的 工 作 中 心 频 率 f 0 为
度的水、混凝土、泥土，信号穿透能力远超过 IC 标 922.5 MHz。
签。(2) 使用寿命可以远超过 IC 标签，非常适合设 随着反射栅金属化比的增大，反射率增大，透
备常年免维护的应用需求，可实现 5 年免维护。(3) 射率降低，能量耗散比增大。反射率和透射率的中
微声标识器耐受高温环境，可在 350 C 下的高温正 心频率随着金属化比的增大而降低，进而带宽也随
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常工作，配合耐高温天线，可长期工作于高温设备表 着金属化比的增大而降低，导致反射峰一致性波动
