声表面波器件原理及其应用
声表面波滤波器原理和应用
声表面波滤波器原理及应用1.声表面波滤波器（SAWF）的结构和工作原理声表面波滤波器（SAWF）是利用压电材料的压电效应和声特性来工作的。
具有压电效应的材料能起到换能器的作用，它可以将电能转换成机械能，反之亦然。
压电效应包括正压电效应和反压电效应。
所谓正压电效应是指压电材料受力变形产生电荷，因而产生电场的效应，即由机械能转换为电能，反压电效应是指压电材料在外加电场的作用下，产生机械形变的效应，也即由电能转换为机械能。
声表面波滤波器（SAWF）的结构如图2—12所示。
这种滤波器的基片是由压电材料（如铌酸锂或石英晶体）制成，在基片上蒸镀两组“叉指电极”，一般由金属薄膜用光刻工艺刻成。
左侧接信号源的一组称为发送换能器，右侧接负载的一组称为接收换能器，图中a、b分别为电极宽度和极间距离，W为相邻叉指对的重叠长度，称为“叉指孔径”。
当交变的电信号u s 加到发送换能器的两个电极上时，通过反压电效应，基片材料就会产生弹性形变，这个随信号变化的弹性波，即“声表面波”，它将沿着垂直于电极轴向（图中x方向）向两个方向传播，一个方向的声表面波被左侧的吸声材料吸收，另一方向的声表面波则传送到接收换能器，由正压电效应产生了电信号，再送到负载R L。
但叉指换能器的形状不同时，滤波器对不同频率信号的传送与衰减能力就会不一样。
图2—12 声表面波滤波器结构示意图为了简便起见，仅分析“均匀”型叉指换能器的频率特性。
所谓“均匀”型就是指图2—12中各叉指对的参数a、b、W 都相同，设换能器有n+1个电极，并把换能器分为n节或N个周期（N=n/2），各电极将激发出相同数量的声表面波，声表面波的波长由指装点基的宽度a和间隔b决定，声表面波的频率与传播速度有关，其自然谐振频率（或机械谐振频率）为v是声表面波的传播速度，约为3×103m/s，比光速小很多，比声速高9倍多。
在f0一定，速度v低时（a+b）就可以小，所以声表面波器件的尺寸可以做得很小，但f0很低，则（a+b）就增大，SAWF的尺寸就增大，因此它适合工作在高频或超高频段。
声表面波谐振器
一种性质相当独特的机械波，当它沿着晶体表面行进时，在垂直晶体表面的方向，能量会以指数形式衰减，而当其深入超过一个波长深度时，能量密度则降为在表面时的十分之一，因此这种波在晶体表面行进时，最主要的优点就是能量能够集中于表层。这种独特的性质，使得表面声波组件可以很容易地运用其所携带的能量。
声表面波谐振器的特性及应用
特性:
低系列阻值，石英稳定性，小尺寸。
应用:
汽车门遥控开关，内部捕捉系统，数据链接，胎压监控系统，无线安全系统，无线条码的读取，无线键盘，无线鼠标，无线操纵杆，遥控灯开关。
声表面波谐振器的标识释义
1、声表谐振器型号
2、中心频率(MHz)
编码 中心频率
224D50 224.5 MHz
306D00 306 MHz
384D05 B, C, D
4、封装: S1, S2, D1, D2, D3
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声表面波器件工艺原理-5修波形工艺原理
五，声表器件修波形工艺原理（一） 工艺目的：在声电信号转换和声信号的传播过程中，将产生一些虚假信号，它们是影响声表滤波器性能的重要因素，必须对此进行抑制。
这些虚假信号有：1）端面反射波：SAW在基片表面传播，当传播到基片端面时，将遭到端面反射，又回到换能器上，这种波叫端面反射波，将影响SAW滤波器的带内波动。
2）三次渡越回波：当输入IDT激发的声波传播到输出IDT后，一部分被接受，一部分被反射回输入IDT，这部分信号又有部分反射后到达输出IDT被再接收，在时间上它比首次到达的信号在两IDT间经历了三倍延迟时间，故称为三次渡越回波（TTE），（TTE）将引起器件带内波动和群延迟特性波纹.3）电磁直通信号：输入IDT上所加的信号直接传播到输出IDT上，称为电磁直通信号它也影响SAW滤波器的带内波动。
4）换能器边沿反射：IDT边沿也会对传播中的IDT产生反射，影响器件的带内波动。
对声信号传播过程中产生的一些虚假信号，常用的抑制方法很多，其中采用吸声胶抑制虚假信号的方法有：在IDT的两端涂敷吸声材料和将端面抹斜；用吸声材料覆盖一部分输入换能器；在芯片的适当部位涂敷吸声材料等。
（二）吸声原理：吸声是一个综合效应，就机理而言，只要能将声波能量消耗掉就行。
散射、吸收、传播衰减、表面的质量负载、相位打乱后的声波抵消等都起到吸声作用。
就材料而言，无论固体、液体、甚至气体，任何材料都能吸收声波，通常是将125、250、500、1000、2000、4000赫兹六个频率的吸声系数(吸声系数=被吸收的能量/传递给材料的全部声能)平均值大于0.2的，列为吸声材料。
良好的吸声材料的声阻抗要与传播声波介质的声阻抗相匹配，使声波无反射的进入吸声系统，并在吸收系统中转化为热能，很快损耗而衰减。
声波的衰减大小与材料的选择和其它配合剂的选择有关；当声波通过吸声材料时，吸声材料会产生弹性和塑性形变，塑性形变使衰减增大，弹性形变使衰减减小。
声表面波传感器的原理及应用综述
谐振型声表面波传感 器将 ＩＤＴ置 于 ２个全反 射的反射 栅间。激励的声表 面波 的频 率与谐 振器 频率 相 等时 ，声表 面波 在反 射栅 间 形成 驻波 ，反射 栅 反射 的能 量 达到 最大 。 外部激励信号 加载 在输 入 ＩＤＴ上 ，ＩＤＴ将 电信 号转 换为 声 表面波 ，声表面波沿压 电晶体表 面向两边传 播 ，经两侧 反射 栅反射叠加 由输 出 ＩＤＴ输 出 ，最终实现声／电转换 。
２０１８年 第 ３７卷 第 ４期
。 、
综述与评论 （Ｉ
ｓ ｃｅｒ ａｎｄ Ｍｉｃｒｏｓｙｓｔｅｍ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ） ＤＯＩ：１０．１３８７３／Ｊ．１０００－９７８７（２０１８）０４－０００１－－０４
声 表 面 波传 感 器 的原 理 及 应 用 综 述
潘 小山 ，刘芮彤 ，王 琴 ，李功燕
（１．中国科 学院 微电子研究所 。北京 朝 阳 １０００２９； ２．国网辽宁省电力有 限公司 电力科学研 究院 ，辽宁 沈 阳 １１０００６）
摘 要 ：详 细论 述了声表面波传感器 的工作模式 、工作原理 ；结合 目前声表 面波传感 器的发展 状况 ，详细 论述 了声表 面波在智 能变电站 、电力设 备 、列车 、湿度检测以及在复杂多变环境 中的应用 ；对声表面波传感 器 的发 展 给 出 了展 望 。 关键词 ：声表面 波 ；传感器 ；工作原理 ；应 用 中图分 类号 ：ＴＰ２１２．９ 文献标识码 ：Ａ 文章 编号 ：１０００－９７８７（２０１８）０４－０００１－０４
SAW
声表面波传感器
物理传感器 温度传感器 压力传感器 湿度传感器 陀螺仪（角速率）
化学、生物传 感器 无线传感器
气体(化学)传感器 液体(生物)传感器
压力检测 温度检测 电子标签识别
声表面波气体传感器
SAW传感器的基本原理是通过SAW器件表面的质量加 载，引起SAW传播速度发生变化，从而改变SAW振荡器的 振荡频率，以此来实现对气体的监控和测量
声表面波滤波器的研究
表面波的理论研究：由于声表面波有多种类型，在不同压电基片上传
播的声表面波的类型不同、传播特性不同，因此，研究声表面波的有关 理论、传播特性、抑制杂波干扰等也是一个很重要的研究领域。
改善滤波器的性能方面：主要有以改变基片材料、压电薄膜厚度、电
极上覆盖介质层等方式改善频率温度系数、获得合适的机电耦合系数、 提高工作频率和减小插入损耗等方面的研究
声表面波延迟线
延迟线：信号在传输过程中，由于多种因素的影响，总会发生不
同程度的延迟，要求统一处理的信号出现了时间差。为了把这种时 间差纠正过来，就需要将早到达的信号延迟一段时间。延迟线就是 能将电信号延迟一段时间的器件。
SAW延迟线原理
左端的IDT将输入电信号转变成声 信号，通过声媒质表面传播后，由 右端的IDT将声信号还原成电信号 输出。延迟时间τ的大小取决于基 片媒质的声表面波速度v和两换能 器之间的距离l，即τ= l／v。
2005 吉林石化公司爆 炸引起松花江重大污染
1995 东京沙林事件
2001美国遭炭疽袭击
声表面波传感器
SAW传感器优势： 富有竞争力的价格优势——光刻技术，结构相对简单 高灵敏度——声波对表面扰动的快速响应，声波能量集中于基片表面 易于集成化——输出的频率电信号易于与计算机接口组成自适应的实施系统 良好的可靠性与稳定性
声表面波器件
32
8.5 声表面波传感器的应用
Vibration and Acceleration SAW Sensor Torque SAW Sensor Flow SAW Sensor SAW Gyroscope Liquid SAW Sensor Gas SAW Sensor Applications of SAW Device in Automobile
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4. SAW技术应用与器件
目前SAW技术的应用已涉及地震学、天文学、 雷达通讯及广播电视中的信号处理、航空航天、 石油勘探、无损检测、识别定位和传感器等许多 学科领域。随着电子学、声学、微平面工艺的飞 速发展，SAW技术的发展也越来越迅速，目前已 成为电子、超声领域最为活跃的学科分支之一。
限幅输出
对数
放
放大
大
RSSI
A/D 转换
数据处理 中心
带通
功放
滤波
开关
带通 滤波
70MHz 晶振
混频器
图7-11 发射接收系统框图
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SAW传感器信号检测
arctan
A cos(0t)
90°功分器
A1 cos(0t) I 低通滤波
Q 低通滤波
A1 sin(0t)
B1 cos(0t i )
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5. SAW器件材料
SAW器件的特性在很大程度上是由压电基片材 料决定的，一般描述SAW器件材料的性能指标有： 机电耦合系数，延时温度系数，相速度、各向异性 因子、插入与传播损耗、密度、弹性模量与杨氏模 量等。
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目前使用的SAW基片材料主要有： 压电单晶：石英（SiO2）、铌酸锂(LiNbO3)、钽酸锂 （LiTaO3）、铌酸钾（KNbO3）等，重复性好、可靠性高、 传播损耗小 ，一般它们是各向异性材料 ，难以同时满足机电 耦合系数高，而温度系数又要小的要求； 压电陶瓷：机电耦合系数最大 ，一致性差 ，工作频率受到多 晶晶粒大小和晶粒间界状况、内部气孔大小的限制，一般只适 宜作低频器件。 压电薄膜：如ZnO ，表面波传播特性由压电薄膜和衬底的特 性共同决定，它可以很方便的与半导体电子器件集成为单片器 件，使声表面波信号处理器件或传感器与外围电路集成化
声表面波基础知识
• 可以将一个δ脉冲展宽 ，或者将展宽的信号压缩，解决信号探 测的距离与分辨率的矛盾
– 卷积器
• 声表面波非线形效应的很好应用。
• 声表面波的新的应用领域
– 标签
• 与IC 的RFID相比，具有无源，没有功耗，探测距离 远等特点
– 声表马达
• 完全不同于传统的电磁驱动，在极微小的领域运用。
SHOULDER
SAW
多媒体用的中频滤波器 2. 1 伴音滤波器典型特性曲线
以AF389A14Dc为例
一般在晶片的两端还涂有吸声材料，以吸收端面反射的声表面波。
如果改变IDT指条的长度，那么连 接不同汇流条的相邻指条的重叠 长度也发生改变，称为对叉指换 能器的加权。 采用不同的加权方式就能得到不 同的声表面波滤波器的特性。 电视中频滤波器是声表面波滤波 器中最经典，最具特色的滤波器 之一，一般是由一个等指长的宽 带换能器和一个加权换能器组成。 这种滤波器设计的关键是设计加 权换能器，也就是说关键是指条 的重叠区域（包络线以内的部分）
IDT of SHOULDER BF36A8Dc
The outline sketch of two input IDT’s
Compare BF36A8Dc with E X6874D
Frequency response
Group delay
4-2. VF389A1Dc VS K3953D Input IDT of E K3953D
切指加全换能器的特点是加权灵活，精度高，缺点是由于指条长度的不等的， 为了使发射换能器的信号能够都被接收换能器有效接收，接收换能器的指条 长度一般情况下都要大于或等于发射换能器的声孔径，所以，通常情况下， 一个换能器采用切指加权，而另一个换能器采用等指长的宽带换能器（非加 权）。 为了提高滤波器的矩形系数和阻带抑制，需要将两个换能器都进行加权。 多条耦合器能很好地解决这个问题。 多条耦合器是有很多周期排列的金属条组成的，它能将声表面波从一个传输 路径耦合到另一个路径，而其他模式的波不能耦合，所以对体波具有很好的 抑制作用。
声表面波简介
声表面波简介声表面波技术是六十年代末期才发展起来的一门新兴科学技术，它是声学和电子学相结合的一门边缘学科。
由于声表面波的传播速度比电磁波慢十万倍，而且在它的传播路径上容易取样和进行处理，因此，用声表面波去模拟电子学的各种功能，能使电子器件实现超小型化和多功能化。
同时，由于声表面波器件在甚高频和超高频波段内以十分简单的方式提供了其它方法不易得到的信号处理功能，因此，声表面波技术在雷达、通信和电子对抗中得到了广泛的应用。
声表面波是沿物体表面传播的一种弹性波。
早在九十多年前，人们就对这种波进行了研究。
1885 年，瑞利根据对地震波的研究，从理论上阐明了在各向同性固体表面上弹性波的特性。
但由于当时的科学技术水平所限，这种弹性表面波一直没有得到实际上的应用。
直到六十年代，由于半导体平面工艺以及激光技术的发展，出现了大量人造压电材料为声表面波技术的发展提供了必要的物质和技术基础。
1949 年，美国贝尔电话实验室发现了LiNbO3单晶。
1964 年产发表了激发弹性表面波平面结构换邹器的专利。
特别应该指出的是，1965 年，怀特（R . M.white）和沃尔特默（F.W.voltmer ）在应用物理杂志上发表了题为“一种新型表面波声－电换能器― 叉指换能器”的论文，从而取得了声表面波技术的关键性突破。
声表面波器件的基本结构和工作原理声表面波器件是在压电基片上制作两个声一电换能器―叉指换能器。
所谓叉指换能器，就是在压电基片表面上形成形状像两只手的手指交叉状的金属图案，它的作用是实现声一电换能。
声表面波器件的工作原理是，基片左端的换能器（输入换能器）通过逆压电效应将愉入的电信号转变成声信号，此声信号沿基片表面传播，最终由基片右边的换能器（输出换能器）将声信号转变成电信号输出。
整个声表面波器件的功能是通过对在压电基片上传播的声信号进行各种处理，并利用声一电换能器的待性来完成的。
声表面波技术有如下的特点：第一，声表面波具有极低的传播速度和极短的波长，它们各自比相应的电磁波的传播速度的波长小十万倍。
2024年声表面波(SAW)器件市场发展现状
声表面波（SAW）器件市场发展现状引言声表面波（Surface Acoustic Wave，SAW）器件是一种基于声学效应的无源微电子器件，已经在通信、传感、无线电频率控制等领域得到了广泛应用。
本文将介绍声表面波器件的基本原理、市场发展现状以及未来发展趋势。
声表面波（SAW）器件的基本原理声表面波（SAW）器件利用在压电晶体表面传播的声表面波来实现信号的传输和处理。
其基本原理是当电压施加在压电晶体上时，产生的电场会导致晶体中的声表面波的激发。
这种表面波沿着晶体表面传播，携带着信号的能量。
通过在晶体表面上刻蚀电极，可以实现对声表面波的操控，从而实现信号的滤波、放大和调制等功能。
声表面波（SAW）器件市场发展现状市场规模和增长趋势声表面波（SAW）器件市场在过去几年取得了快速的增长。
随着通信和无线电频率控制技术的不断发展，对于高性能和高可靠性的无源器件的需求也越来越大。
声表面波器件由于其低功耗、小尺寸和成本效益等优势，成为了满足这些需求的理想选择。
根据市场研究公司的数据，声表面波（SAW）器件市场在过去五年内以年均15%的复合增长率增长，市场规模已超过10亿美元。
预计未来几年，随着物联网、5G通信和汽车电子等领域的快速发展，声表面波器件市场将继续保持稳定的增长。
应用领域分析声表面波（SAW）器件在通信领域是最常见的应用之一。
在无线通信系统中，声表面波滤波器广泛用于解调、调制和信号处理等关键功能。
此外，声表面波器件还可以用于雷达、航空航天和军事等领域，用于频率合成、频谱分析和目标识别等应用。
另一个重要的应用领域是传感器。
声表面波传感器由于其高灵敏度和快速响应时间，在气体、液体和生物等领域具有广泛的应用前景。
例如，在环境监测、医疗诊断和食品安全等领域，声表面波传感器可用于检测气体成分、生物分子和有害物质等。
市场竞争分析声表面波（SAW）器件市场具有一定的竞争度。
目前，市场上主要的厂商包括Murata、TDK、Skyworks和Qorvo等。
最新声表面波器件原理及其应用1.教学讲义PPT
声表面波器件原理
发现：1885年瑞利，也称瑞利波 表面波：在任何材料或切向上普遍
存在 应用：地震、勘探、探伤
压电效应
▪ 受到压力产生电荷
F
＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋ －－－－－－－－－－－－
声表器件的基本结构
汇流条
屏蔽条
叉指换能器
晶体抛光面 晶体背面打毛或刻沟槽488
3000
3992
3295
3158
2500
2000 YZ铌酸锂 128铌酸锂 112钽酸锂 ST石英
声速
常用压电晶体的参数－机电耦合系数
6.00% 5.00%
4.80%
5.40%
4.00%
3.00%
2.00%
1.00%
0.75%
0.00% YZ铌酸锂 128铌酸锂 112钽酸锂
KFRD-70F0/Y(00).DK.01 KFRD-35F0/Y(00).DK.01
积聚 积聚
长配管Q4机主控板 室内
KFRD-70Q4/YC.DK.02 KFRD-120Q4/SYC.DK.02
锐钜 锐钜
U系列
常规配管Q4机主控板
KFRD-120Q4/SYO.DK.02 KFRD-70Q4/Y0.DK.02 KFR-50Q4/Y0.DK-01
锐钜/积聚 锐钜/积聚 锐钜/积聚
KFRD-120Q4/SY-B(00).DK.01
锐钜/积聚
U系列双能源室内主控板
KFW-50F3/Y(00).DK.01 KFRW-70F3/Y(00).DK.01
锐钜 锐钜
U系列长配管室外主控板
KFR-120W/SC.DK.01.01
锐钜
声表面滤波器的作用和应用
声表面滤波器的作用和应用声表面滤波器它是一种滤波频率杂质的压电元件,利用压电材料的压电特性,利用输入与输出换能器（Transducer）将电波的输入信号转换成机械能,经过处理后,再把机械能转换成电的信号,以达到过滤不必要的信号及杂讯,提升收讯品质的目标. 声表面滤波器产品广泛应用于电视系列,卫星通讯,移动系统,无线传呼,计算机及报警系统等领域,其中定时器,遥控器,音响较为常用.声表滤波器是以石英、铌酸锂或钎钛酸铅等压电晶体为基片,经表面抛光后在其上蒸发一层金属膜,通过光刻工艺制成两组具有能量转换功能的交叉指型的金属电极,分别称为输入叉指换能器和输出叉指换能器.当输入叉指换能器接上交流电压信号时,压电晶体基片的表面就产生振动,并激发出与外加信号同频率的声波,此声波主要没着基片的表面的与叉指电极升起的方向传播,故称为声表面波,其中一个方向的声波被除数吸声材料吸收,别一方向的声波则传送到输出叉指换能器,被转换为电信号输出. SAW滤波器的选频作用常规4大分类：●⑴低通滤波器从0～f2频率之间,幅频特性平直,它可以使信号中低于f2的频率成分几乎不受衰减地通过,而高于f2的频率成分受到极大地衰减.●⑵高通滤波器与低通滤波相反,从频率f1～∞,其幅频特性平直.它使信号中高于f1的频率成分几乎不受衰减地通过,而低于f1的频率成分将受到极大地衰减.●⑶带通滤波器它的通频带在f1～f2之间.它使信号中高于f1而低于f2的频率成分可以不受衰减地通过,而其它成分受到衰减.⑷带阻滤波器与带通滤波相反,阻带在频率f1～f2之间.它使信号中高于f1而低于f2的频率成分受到衰减,其余频率成分的信号几乎不受衰减地通过.在声表面波滤波器中,信号经过电-声-电的两次转换,由于基片的压电效应,则叉指换能器具有选频特性.显然,两个叉指换能器的共同作用,使声表面波滤波器的选频特性较为理想.声表滤波器的主要特点是设计灵活性大、模拟/数字兼容、群延迟时间偏差和频率选择性优良（可选频率范围为10MHz～3GHz）、输入输出阻抗误差小、传输损耗小、抗电磁干扰（EMI）性能好、可靠性高、制作的器件体小量轻,其体积、重量分别是陶瓷介质滤波器的1/40和1/30左右,且能实现多种复杂的功能.SAW滤波器的特点：适应了现代通信系统设备及便携式电话轻薄短小化和高频化、数字化、高性能、高可靠等方面的要求.其不足之处是所需基片材料的价格昂贵,对基片的定向、切割、研磨、抛光和制造工艺要求高.受基片结晶工艺苛刻和制造精度要求严的影响,日本富士通、三洋电器、丰田等少数几家掌握压电基片生产技术的制造商垄断了世界SAW滤波器市场.富士通公司控制了移动电话用小型射频SAW滤波器全球市场40％左右的份额,目前其年产量在1.5亿只以上,最小的产品尺寸已达到2.5mm×2mm,重22mg,集倒装式组件和专利谐振器型滤波器设计于一体,使滤波器性能突破性飞跃.三洋电器公司是世界最大的视听家电用SAW滤波器制造商之一.帝国科技为保持其价格上的优势,公司在我国深圳设有组装厂,年产5000万只.丰田公司主要生产移动通信用SAW滤波器,可提供30多种标准型产品,均适用于表面安装.。
声表面波标签的特点
声表面波标签的特点声表面波标签（Surface Acoustic Wave Tags，SAW标签）是一种无源无源电子标签，它利用声表面波技术实现数据的传输和存储。
它具有许多独特的特点，使其在各个领域广泛应用。
本文将深入探讨声表面波标签的特点，并分享对其的观点和理解。
一、声表面波标签的基本原理声表面波标签的基本原理是利用声表面波传感器和反射器实现数据的传输。
当读写设备中的射频场与标签中的天线共振时，数据被通过声表面波传感器转化为声表面波信号，并在反射器中反射回来。
读写设备通过解码声表面波信号来获取数据，并实现对标签的读写操作。
二、声表面波标签的特点1. 高安全性：声表面波标签采用接触式读写方式，相比于其他无源电子标签（如RFID标签），其读写距离更短，减少了无意中被非法读取或克隆的风险，提高了数据的安全性。
2. 高可靠性：声表面波标签的数据传输基于声表面波技术，可以克服传统电磁波通信中的多径效应和多径干扰问题，减少信号的丢失和干扰，提高了数据传输的可靠性。
3. 高读取精度：声表面波标签的传感器具有较高的灵敏度，可以实现高精度的数据读取。
这使得声表面波标签在要求读取精度较高的场景中得到广泛应用，如物流追踪、库存管理等。
4. 高适应性：声表面波标签可以工作在不同频率范围内，具有很强的适应性。
由于其无源无源的特点，不需要电池供电，可以在各种环境下工作并且具有较长的使用寿命。
5. 大容量存储：声表面波标签中的反射器可以根据实际需求设计成各种形式，从而提供不同容量的存储空间。
这使得声表面波标签适用于不同规模和需求的应用场景。
三、对声表面波标签的观点和理解声表面波标签作为一种新兴的无源无源电子标签技术，具有广泛的应用前景。
我对于声表面波标签的特点和优势表示认同。
声表面波标签的高安全性对于一些对数据安全性要求较高的场景具有重要意义。
在金融领域和军事领域，声表面波标签可以有效防止敏感信息被非法读取或篡改，提高数据的安全性。
声表面波传感器的应用
声表面波传感器的应用发布时间：2021-08-06T02:34:49.855Z 来源：《教育学文摘》2021年6月总第374期作者：逄珂李英棣邓海峰张健傅伟[导读] 抗干扰能力强数字化、易批量生产、体积小、重量轻、功耗低等众多优点，应用十分广泛。
91206部队山东青岛266100摘要：声表面波传感器是一种利用声表面波芯片作为传感元件，以声表面波速度或频率的变化来表征被测量的传感器。
它具有灵敏度高，性能稳定等优点，由于声表面波传感器是由压电材料构成，使得这种传感器具有优良的抗高压及电磁辐射能力，其工作环境取决于压电材料和金属膜的耐受程度，选用的材料合适，就可工作于极端环境，本文主要对声表面波传感器的部分实际应用进行综述。
关键词：声表面波传感器应用声表面波简称SAW(Surface Acoustic Wave)是一种沿弹性基体表面传播的声波，任何固体表面都存在这一现象。
某些外界因素(温度、压力、加速度、磁场、电压等)对SAW的传播参数都会造成影响，根据这些影响与外界因素之间的关系，可以研制出测量各种物理、化学参数的SAW传感器，该类传感器具有高精度、高灵敏度、抗干扰能力强数字化、易批量生产、体积小、重量轻、功耗低等众多优点，应用十分广泛。
一、温度传感器应用表面波速度取决于温度，并由用于制造声波传感器的结晶材料的取向和类型决定。
振荡频率由叉指换能器周期和波速决定，当外界温度改变时，其振荡频率也会改变。
df/f=dv/v-dl/l (9)对于普通的晶体材料，温度的变化对材料长度的影响不大，所以温度对速率的影响主要是由声表面波波速随温度变化而引起的。
基于SAW延迟线振荡器的温度传感器具有毫秒级分辨率、良好的线性度和低滞后。
但是，SAW传感器对质量负载非常敏感，因此SAW温度传感器必须密封在密封包装中。
最近，据报道，一个124-MHz ST切割石英SSBW温度传感器的温度系数为32ppm/℃，分辨率为0.22℃。
SAW技术解析
4.5 声表面波传感器
声表面波传感器是利用声表面波器件为转换元件， 将感受到的被测量参数转换成可用于输出信号的传感 器。例如，当外界因数（如压力、温度、加速度、气 体、化学和生物环境变化等）对声表面波传播特性产 生影响时，在声表面波器件的各项参数上就可以反映 出来，因此可以利用这种现象制备各种压力、温度、 加速度、流量、化学、生物传感器，用于测量和监控 各种化学和物理参数。
SAW振荡器的优点：
SAW振荡器能够弥补LC振荡器、晶体振荡器各方面之不足，它具有优 良的频率温度性、高纯净频谱和低相位噪声，可靠性高，体积小， 质量轻，电磁兼容性好，工作温度范围宽等特点。
由于其独特的优越性，声表面波振荡器在现代电子 系统和军事装备应用中已成为一种重要的微波频率源。 目前应用于SAW传感器的振荡器大致有两种，一种是延迟 线型振荡器 另外一种是谐振器型振荡器。 延迟线型振荡器由于本身能够提供足够长的延时,设计相 对简单 。一般SAW气体传感器所采用的是延迟线型振荡 器 谐振器型振荡器的频率噪声特性优越于延迟线型的振荡 器，它具有高质量因子、低损耗、高频率稳定度的特点， 被用于液体传感器
4.3声表面波振荡器
振荡器是用来产生重复电子讯号（通常是正弦波或方
波）的电子元件
传统振荡器的不足：
随着现代电子技术和军事装备的发展，电子设备中信号处理的工作 频率不断提高，虽然对LC振荡器、晶体振荡器进行多次的频率变换 能得到微波频段的信源，但是： 1、在微波频段的LC型信源存在着严重的温度稳定性问题 2、晶体型振荡器在多次的频率变换导致频谱性能恶化，同时在多次 的频率变换中使用大量的元器件，使信源器件体积大、成本高、可 靠性变差等 3、晶体振荡器难以实现宽的可控频率变化范围和调制频率偏移。
声表面波器件中声波在不同介质中的传播特性
声表面波器件中声波在铌酸锂中的传播特性摘要：声表面波在各种基片或是分层介质结构中的传播特性是不同的。
本文以目前应用最广泛的铌酸锂晶体为研究对象，探讨了其在不同切型和传播方向的条件下，所表现出来的各种传播特征，从而为研制新器件取得了一手数据，为设计开发做好必要的理论准备工作。
关键词：声表面波SA W 传播特性走离角机电耦合系数铌酸锂前言声表面波的频率一般集中在108赫兹左右，其传播能量只集中在弹性物体表面，英文简称为SA W（SURFACE ACOUSTIC WA VE）。
声表面波器件是以声表面波为媒介进行电信号传输的元件。
其结构图如下：图1：声表面波器件结构原理图声表面波器件的发展首先得益于现代无线通讯技术的不断深入，而且在其它相关领域的应用也同样取得了成功，如光线通信、航空管制、卫星微波通信、声纳及数字电视。
为此，研制出来的声表面波器件的类型也是种类繁多，如表面波卷积器、匹配滤波器、震荡器、声光可调节滤波器、延迟器、谐振器、无线传感器等。
它们分别在各自领域发挥着独特的作用。
相信在未来，声表面波器件的应用领域和器件类型都会不断扩大，为信息化社会提供更加完善的功能。
声表面波器件之所以具有如此好的发展前景，首先是因为它通过半导体工艺制作的，产品性能具有一致性和重复性特征，可以实现工业化大生产，可极大降低应用成本。
其次声表面波器件具有很高的温度适应性，无论高温还是低温，都能保证传输性能不发生变化，特别是基片采用复合材料更加如此，适合在相对恶劣的环境下长期工作。
声表面波器件制造技术的提升离不开对晶体基片传播特性的研究，本文写作目的正是如此。
尽管当前对薄膜材料的研究如火如荼，并作为声表面波器件的一个重要研究方向。
但是对单一晶体材料作为基片的研究是复合材料研究的重要理论基础，因此有必要对单一晶体传播特性进行仔细分析，在本文我们选取了使用最广泛的LiNbO 3单晶体（铌酸锂）作为研究对象。
1 声表面波的几个基本概念研究声表面波及器件，首先我们要明确几个基本的概念，主要有相速度、倒速度、倒速度曲线、走离角、群速度和机电耦合系数。
声表面波的应用
声表面波传感器的应用一．声表面波简介声表面波（SAW）技术是声学和电子学相结合而形成的一门新兴边缘学科。
在该技术的基础上,现已经成功地研制出声表面波带通滤波器、振荡器、表面波卷积器和传感器等声表面波器件。
由于声表面波器件具有体积小、可靠性高、一致性好以及设计灵活等优点,所以在雷达、通信等领域的研究得到了广泛的应用。
把声表面波技术应用于传感器技术领域在近十年来得到了很大的发展。
目前, 采用技术来研制力、加速度、温度、湿度、气体及电压等一系列新型传感器的工作逐渐成为传感器研究的一个热点。
二．声表面波传感器工作原理SAW传感器构成的识别系统由一个SAW传感器标签、一个带主动式天线的阅读器和一个信号后处理单元组成。
SAW 标签由传感器天线、压电模式、指换能器和经传感器体外编码的反射区组成。
传感器天线接收由远处阅读器发送来的访问电磁脉冲信号,通过叉指换能器转化为声表面波,遇到反射条后形成回波,回波通过叉指换能器重新转化为电磁波并再次通过天线发射出去。
这些回波信号形成了由晶体表面的反射条的数目和位置决定的脉冲序列,它类似于条形码图案,每个脉冲的时间延迟取决于SAW 传播速度。
信号后处理单元对脉冲延迟变进行估计,实时解调出识别码。
天线接收到询问信号后,由IDT将电信号转换为声波信号,声波信号撞击反射区。
反射区位置不同,个数不同,会产生不同的振幅和不同的相位变化。
三．声表面波传感器的应用（1） LiNb03的声表面波应用声表面波器件(SAW)的基本原理是在压电基体上通过光刻的方法制出由相互交叉的电极(一般为铝电极)组成的叉指电极(叉指换能器)，利用基片的压电效应激发起沿着表面层传播的高频超声波，从而实现滤波、延时、脉冲压缩与扩展、卷积等多种电子学功能。
叉指换能器的基本构造如图，换能器的中心频率f0由声表面波的相速vs和电极的周期λ0确定:fo=vs/λ0，即声表面波器件的中心频率和声波的传播速率成正比，与电极的周期成反比，所以提高器件的中心频率主要在于如何提高声表面波的传播速率和缩短电极周期，又因为光刻技术的限制不可能无限制地缩短电极周期，因此当前制作高频声表面波器件的关键在于选择合适的基体材料和不断提高改进基体的晶体质量和提高压电性能，同时降低传输损耗。
声表面波器件的用途、生产制作和工艺介绍
常用表面波切型
简称
主面及传播方向
128 °Y-X 128 ° 旋转Y切X向传播
LN
铌酸锂
64 °Y-X LN
Y-Z LN
64° 旋转Y切X向传播 铌酸锂
Y切Z向传播 铌酸锂
碳化硅 100 120 180 240# W28 W1 1000# 2000 W3.
规格号 # # #
4
#
5
粒度尺 160 125 80 63
28- 14- 15.5
8.5
3.5-
寸范围
20 10
2.5
晶片粗 >7 ≥5 ≥3 1-3 糙度
0.5 0.5-0.7 0.150.3
金胜
3--
1.5— 0.8- 0.5 水晶:
5
2.2 1.5 - 0.5-1.0
1.0 其他
0.8-1.5
DQ备 晶片背面粗糙度数值为LN晶片实测典型值。晶片材料不同其
注
加工粗糙度值略有差别。
四.声表面波器件制作工艺流程
1.前工序
镀金属膜
涂胶
曝光
显影
腐蚀
基
片
探针测试
清
洗
涂胶
曝光
显影
镀金属膜
剥离
镀保护膜
后工序
Hale Waihona Puke 湿法工艺①.镀膜铝 晶片
②.涂光刻胶
光刻胶 铝
晶片
③.曝光
光刻胶 铝
UV 光
晶片
④.显影
光刻 胶
铝
晶片
⑤.刻蚀
声表面波传感器的原理及应用综述
声表面波传感器的原理及应用综述摘要：声表面波传感器能将信号集中于基片表面、工作频率高，具有极高的信息敏感精度，能迅速地将检测到的信息转换为电信号输出，具有实时信息检测的特性；另外，声表面波传感器还具有微型化、集成化、无源、低成本、低功耗、直接频率信号输出等优点。
国内目前已经形成了包括声表面波压力传感器、声表面波温度传感器、声表面波生物基因传感器、声表面波化学气相传感器以及智能传感器等多种类型。
关键词：声表面波；传感器；工作原理；应用1声表面波传感器的工作原理1.1声表面波声表面波是一种在固体浅表面进行传播的弹性波，具有多种模式，瑞利波是目前应用最广泛的一种声表面波。
不同类型的声表面波具有不同的特性，利用其制成的传感器可适用于不同场合探测。
1.2声表面波传感器的结构类型声表面波传感器的两种基本构型为延迟线型﹙delayline﹚和谐振型﹙resonator﹚。
延迟线型和谐振型声表面波传感器在结构上均由压电基片、叉指换能器和发射栅共同构成。
延迟线型声表面波传感器通过天线接收正弦激励信号，传递至叉指换能器﹙interdigital transducer，IDT﹚，正弦信号在压电基片激励出声表面波，实现声波和电信号的转换。
声表面波在压电基片上传播经过一段时间延迟到达反射栅，反射栅将部分声波反射回来，反射的声波又通过IDT转换为正弦激励信号，从而实现电声转换。
谐振型声表面波传感器将IDT置于2个全反射的反射栅间。
激励的声表面波的频率与谐振器频率相等时，声表面波在反射栅间形成驻波，反射栅反射的能量达到最大。
外部激励信号加载在输入IDT上，IDT将电信号转换为声表面波，声表面波沿压电晶体表面向两边传播，经两侧反射栅反射叠加由输出IDT输出，最终实现声/电转换。
1.3声表面波传感器的工作模式声表面波器件一般使用压电晶体﹙例如石英晶体等﹚作为媒介，然后通过外加一正电压产生声波，并通过衬底进行传播，然后转换成电信号输出。
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增加膜厚→频率降低
减薄膜厚→频率升高
声表面波器件简介
基础：电子学、声学 应用领域：电子学诸领域 制造技术：半导体平面工艺 功能：信号的延时、滤波、脉冲展宽/压缩、 振荡/稳频、编码/相关、卷积等 频率范围：10MHz－2~5GHz
固定延迟线（组）
L
T=L/V
三次行程
输入换能器和输出换能器对信号分别反射一 次
L 三次行程延时T=3×L/V
固定延迟线（组）应用
DPSK扩频信号解扩，与抽头延迟线配合使 用
雷达系统的模拟、标定、维修。30微妙的延 时，相当于雷达探测4.5公里远处的目标的延 时。
滤波器
0dB
插损 带内波动 Δ f-3dB
带外抑制 Δ f-40dB f0
1965年White和Voltmer
发明叉指换能器
60年代半导体平面
工艺的成熟
声表面波学科
理论→技术→产业
声表面波的有效激发
输入叉指换能器 输出叉指换能器
吸声材料
吸声材料
压电晶体基片
表面波传播区域
声表器件的基本结构
汇流条 屏蔽条
参数－声速
4000 3500 3488 3295 3158 声速 3992
北京中讯四方科技股份有限公司
声表面波器件原理及应用简介
声表面波器件原理
发现：1885年瑞利，也称瑞利波 表面波：在任何材料或切向上普遍 存在 应用：地震、勘探、探伤
压电效应
受到压力产生电荷
F
＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋＋
－－－－－－－－－－－－
逆压电效应
加入电荷（电压）产生形变
V
声表面波的产业的开端
常用压电晶体的参数－温度系数
100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 91
57
温度系数
18 0 ST石英
YZ铌酸锂 128铌酸锂 112钽酸锂
不常用的压电晶体材料
锗酸铋：声速慢，1500米/秒，适合做长时延 的器件。缺点：硬度太小，易碎，易划伤。 四硼酸锂：声速高，6000米/秒，适合做高频 器件。缺点：水溶性晶体，工艺难度大。
如何计算指条线宽？
所用的晶体材料→查得声速 判断换能器类型→单指还是分裂指
单指结构
波长＝声速/频率
指宽＝波长/4
波长
分裂指结构
波长＝声速/频率
指宽＝波长/8 波长
条带耦合器结构
波长＝声速/频率
条带耦合器指宽≈分裂指宽×1.5 ≈波长×3/16 条带耦合器
膜厚影响频率的原因？
质量负载效应：金属膜的存在使声速
扩频信号的中频解扩 抗干扰、保密通信
色散延迟线
色散 频散
色散结构换能器
线性调频信号
调频信号的压缩
沟槽式色散线（RAC器件）
沟槽阵约1万条，槽深几百至几千埃。
色散线的相关技术指标
中心频率 带宽 色散时延 时间带宽积（时带积） 压缩比（35dB）
色散线的应用
雷达，解决距离与分辨率的矛盾，既要看的 远，又要看的清。 高速跳频台的侦察与干扰，每秒500跳。实 时，高频率分辨率（20KHz）
脉冲压缩前的雷达图象
脉冲压缩后的雷达图象
声表压控振荡器
结构：
SAW DL
放大器 移相器 输出
振荡条件：幅度，相位
声表压控振荡器优点
和晶体振荡器相比，有较宽的压控范围，可 达1－3% 和LC振荡器相比，有良好的相位噪声。 基频工作频率高
谢 谢 大 家
数字调制方式：BPSK，DPSK，MSK，QPSK BPSK：二相频移键控 1 0 1 1 0
叉指的编码
1
0
1
1
0
信号的相关
1 0 1 1 0
抽头延迟线相关指标
中心频率 码速率 伪码长度：M序列，m序列，BARK序列 信号调制类型：BPSK，DPSK，MSK， QPSK
抽头延迟线应用
关键：降低或消除双向损耗 措施：单向结构或谐振结构
单相单向换能器（SPUDT）
在换能器内部加入反射栅阵，使反 射声波与辐射声波在需要方向上同 相相加，在另一个方向上反相相消， 使声波只向一个方向辐射。
反向 正向
谐振结构
在换能器两旁放置反射栅阵，形成 谐振腔结构。
抽头延迟线（固定、可编程）
3000 2500 2000
YZ铌酸锂
128铌酸锂
112钽酸锂
ST石英
常用压电晶体的参数－机电耦合系数
6.00% 5.00% 4.00% 3.00% 2.00% 1.00% 0.00% 0.75% 0.11% YZ铌酸锂 128铌酸锂 112钽酸锂 ST石英 4.80% 机电 耦合 系数 5.40%
矩形系数＝ Δ f-40dB/ Δ f-3dB
滤波器应用
功能：滤波，让需要的信号通过，滤除不需 要的信号。
应用：电视机，无绳电话，手机（每只手机 中有声表滤波器3-5只）
滤波器简单原理－非加权结构
叉指结构
时域响应
频域响应
滤波器简单原理－加权结构
叉指结构
通信用低插损滤波器简介
双向损耗：6dB