声表面波和声表面波器件的概况

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声表面波基础知识

– 脉冲压缩滤波器。又称色散延迟线
• 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。

(完整word版)声表面波滤波器在通信电路中应用

声表面波滤波器在通信电路中的应用摘要随着半导体工艺的迅速发展,光刻精度进一步提高，使得声表面波滤波器超小型化成为现实，而通信技术的快速发展，对声表面波滤波器提出的性能要求也越来越高。

声表面滤波器简称SAWF 或SAW，是利用压电陶瓷、铌酸锂、石英等压电晶体振荡器材料的压电效应和声表面波传播的物理特性制成的一种换能式无源带通滤波器，它用于电视机和录像机的中频输入电路中作选频元件,取代了中频放大器的输入吸收回路和多级调谐回路。

它是在一块具有压电效应的材料基片上蒸发一层金属膜，然后经光刻，在两端各形成一对叉指形电极组成.当在发射换能器上加上信号电压后，就在输入叉指电极间形成一个电场使压电材料发生机械振动（即超声波)以超声波的形式向左右两边传播，向边缘一侧的能量由吸声材料所吸收。

在接收端，由接收换能器将机械振动再转化为电信号，并由叉指形电极输出。

声表面波器件因其体积小、抗辐射能力强、高速、低功耗和高可靠性等优点,在通信、雷达和电子对抗中得到了广泛的应用，尤其是它独有的高频特性，越来越受到重视。

在追求高效率、低插入损耗、高温度稳定的同时，中心频率和通带宽度的可调节性也成为研究热点之一。

关键词：声表面波，滤波器,无线通信目录1绪论 (1)2 SAW滤波器基本理论 (1)2.1SAW滤波器的简介 (1)2。

2SAW滤波器的结构及原理 (1)2.3SAW波滤波器的特点 (3)2。

4SAW滤波器的应用 (3)3 无线通信中用SAW滤波器 (4)3.1等效电路分析 (5)3.2滤波器的设计 (6)总结 (8)致谢 (9)参考文献 (10)1绪论随着无线移动通信技术的发展,人们对移动电话的需求直线上升.为规范移动通信市场，国际上建立了几种公用通信系统标准，如美国移动通信系统(AMPS）、扩展总路线通信系统（ETACS）、全球移动系统（GSM)等.以上各通信系统所使用的频率范围均不相同，但为扩大通信容量,与传统的通信系统相比,它们的射频频率都较高，使用带宽较宽，且发射端和接收端的间隔较窄。

第二章声表面波与器件的制作2

第二章声表面波与器件制作本章中，我们主要介绍声表面波(SAW)的基本特性和基本类型，压电基片的选择，叉指换能器(IDTs)的特征以及声表面波器件的制作方法。

2.1 引言压电效应是指在晶体上施加压力时产生电势差的现象。

压电晶体在外力的作用下发生形变时，某些表面会出现异号电荷，而在压电晶体上加一电场时，晶体不仅产生极化，而且会产生应变和应力。

压电材料的几何应变与施加电场成比例。

从1880年居里兄弟发现压电效应以来，压电学已经成为现代科学技术中的一个非常重要的领域。

而作为压电学发展的一个重要分支，在二十世纪六十年代中期美国的怀特等人提出用叉指换能器在压电基片上激励和检测声表面波的方法之后，声表面波器件的研究得到了很大的发展。

2.2 SAW 的介绍在各向同性固体中传播的声波，根据质点的偏振方向可以分为两大类，一类是质点振动垂直于传播方向的波称之为横波，一类是质点振动平行于传播方向的波称之为纵波。

二者的速度取决于材料的弹性常数，即横波速度 1/2s (/)υ=μρ （2.1）纵波速度 1/2L 2()λ+μυ=ρ （2.2）各向同性材料的弹性常数，称为拉密常数；ρ是材料密度。

从式子中可以看到，横波通常要比纵波慢。

在各向异性固体材料如压电晶体中，质点振动方向和声波传播方向的关系并非如此简单。

一般来说，质点振动方向既不垂直也不平行于声波传播方向，而是有三个互相垂直的偏振方式。

其中偏振方向较为接近传播方向的波称为“准纵波”，两个偏振方向较为接近垂直于传播方向的偏振波称之为“准横波”。

这三种波的速度各不相同，其中准纵波速度最快，而两个准横波的速度比较慢，其中较快的一个称为“准快横波”，较慢的一个称为“准慢横波”。

同时波前的法线方向亦即波的相速度方向与波的能流方向并不一定相同，如图1.1所示。

n 为波前的法线方向r L 、r s1、r s2分别为准纵波、准快横波、准慢横波的能流方向。

一般来讲这三束波不共平面、OL 、OS 1、OS 2正比于三者相速度[1].。

声表面波滤波器技术综述

声表面波滤波器技术综述摘要：目前广泛使用的滤波器作为电子系统中的关键性器件，滤波器的性能直接影响了整个电子系统的性能。

各国的研究工作者致力于提高滤波器的性能和应用范畴。

关键词：声表面波滤波器叉指换能器压电材料1前言目前广泛使用的滤波器作为电子系统中的关键性器件，滤波器的性能直接影响了整个电子系统的性能。

各国的研究工作者致力于提高滤波器的性能和应用范畴。

声表面波(SAW)是英国物理学家 Rayleigh 在对地震波的研究中发现并提出的，是一种沿着固体表面或界面传播的弹性波，存在于一切固体中，包括各向同性和各向异性材料。

SAW器件就是利用SAW理论和技术来实现一些特定功能或进行信号处理的器件，广泛用于广播、电视机、通信和导航等领域。

Jacques Curie和Pierre Curie在1880年~1881年相继发现了压电效应和逆压电效应，为叉指换能器(InterdigitalTransducer，IDT)的发现奠定了材料和理论基础。

20 世纪 60 年代，随着光刻技术的出现和半导体平面工艺水平的发展，SAW 技术在电子领域中的应用研究开始受到重视。

声表面波滤波器是一种利用声表面波效应和谐振特性制成的对频率有选择作用的器件。

2基本原理和基本结构SAW(Surface Acoustic Wave)即声表面波，是一种在压电基片材料表面产生和传播、且振幅随深入基片材料的深度增加而迅速减少的弹性波。

某些材料沿一定方向受机械力作用而发生变形(包括压缩和拉伸2种状态)，其内部会产生极化现象，并使材料相对的2个表面产生等量异号电荷。

施加的外力越大，产生的电荷量也越多；当外力消失后，材料又恢复到起始不带电的状态；将这种现象称为正压电效应。

如果给同样的材料施加电场，这些材料将会发生机械形变；外加电场消失后，材料的形变也随之消失；如果对材料施加交变电场，将会发生机械振动；这种现象称作逆压电效应。

将具有正、逆压电效应的材料称作压电材料。

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。

SAWF(声表面滤波器),特点及用途

什么是SAWF(声表面滤波器),特点及用途什么是SAWF(声表面波滤波器)声表面波滤波器是利用石英、铌酸锂、钛酸钡晶体具有压电效应的性质做成的。

所谓压电效应，即是当晶体受到机械作用时，将产生与压力成正比的电场的现象。

具有压电效应的晶体，在受到电信号的作用时，也会产生弹性形变而发出机械波（声波），即可把电信号转为声信号。

由于这种声波只在晶体表面传播，故称为声表面波。

声表面波滤波器的英文缩写为SAWF，声表面波滤波器具有体积小，重量轻、性能可靠、不需要复杂调整。

在有线电视系统中实现邻频传输的关键器件。

声表面波滤波器的特点是：（1）频率响应平坦，不平坦度仅为±0.3-±0.5dB，群时延±30-±50ns。

（2）SAWF矩形系数好，带外抑制可达40dB以上。

（3）插入损耗虽高达25-30dB，但可以用放大器补偿电平损失。

声表面波滤波器包括声表面波电视图像中频滤波器、电视伴音滤波器、电视频道残留边带滤波器。

声表面波滤波器的典型技术指标如下表所示。

声表面滤波器封装的分类插件型和贴片型(具体的图片如下图声表面波滤波器的应用及发展1 前言声表面波—SAW（SurfaceAcousticWave）就是在压电基片材料表面产生和传播、且振幅随深入基片材料的深度增加而迅速减少的弹性波。

SAW滤波器的基本结构是在具有压电特性的基片材料抛光面上制作两个声电换能器——叉指换能器（IDT）。

它采用半导体集成电路的平面工艺，在压电基片表面蒸镀一定厚度的铝膜，把设计好的两个IDT的掩膜图案，利用光刻方法沉积在基片表面，分别作为输入换能器和输出换能器。

其工作原理是输入换能器将电信号变成声信号，沿晶体表面传播，输出换能器再将接收到的声信号变成电信号输出。

2 SAW滤波器的特点SAW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。

{技术管理套表}声表面波技术

❖ electronic ID ❖ Smart Tire ❖ Exhaust-gas ❖ detection
Electronic ID
8.2 声表面波技术的基础知识
1. 什么是声表面波
SAW泛指沿表面或界面传播的各种模式的波
机械波
在表面传播，能量集中在厚度不超过 1个波长的表层
SAW
SAW的激发
1. 基于压电材料的压电效应与逆压电效应
电能
机械能
电能
2. 波在不连续介质处的反射
Concept: IDT
外加电压吸声材料
接收端
接地电极压电基体
SAW的描述 ❖ 声波可以用质点离开平衡位置的位
移来表示，对于压电体，声波的传播还伴随着电场和电势，因此描述声波的变量还要有电势，一共四个量。
2. 声表面波的类型
不同的边界条件和传播介质条件可以激发出不同模式的声表面波。
在半无限基片上存在的声表面波有瑞利波 (Rayleigh waves)、漏波(Leaky SAW)、广义瑞利波（Generalized Rayleigh waves）、水平剪切波(SHSAW)、电声波(B-G waves)、兰姆波(Lamb waves) 等。
8.4 声表面波传感器技术
工作原理：
利用外界物理量（如温度、压力等）的变化引起声表面波的传播特性发生变化的原理来敏感被测量。
结构型式
SAW传感器一般采用振荡器电路形式，其中SAW振荡器是传感器的核心。SAW传感器的基本工作原理就是利用了SAW振荡器这一频控元件受各种物理、化学和生物量的作用而引起振荡频率的变化，通过精确测量振荡频率的变化，从而实现检测上述物理量及化学量变化的目的。
在层状结构的基片存在有乐甫波(Love waves)、西沙瓦波(Sezawa waves)、斯东莱波（Stoneley waves）等。

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

4
常用的声表面波器件材料

制作 SAW 器件的基片材料，必须是压电材料。压电材料的特性将直接影响所制作的 SAW 器件的各项性能，进而对SAW传感器的性能指标产生重要影响。

表征压电材料性能的重要参数有介电常数、弹性常数、压电常数、介质损耗、机械品质因数、居里温度、温度系数以及机电耦合系数等，它们分别描述了压电材料的弹性、压电、介电、热学性质。

从应用角度来看，不同用途的压电材料对上述各参数有不同的要求。
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常用的声表面波器件材料

在实际应用中，对压电基片材料的基本要求包括较大的机电耦合系数，零或较小的温度延时系数，较低的传播损耗，同时这种基片材料还要易于生产，电材料（重复性好、可靠性高、声表面波传播损耗小，但是一般难以同时满足机电耦合系数高，而温度系数又要小的要求，且一般它们是各向异性材料，所以需要有高精度的定向切割技术）、压电陶瓷（机电耦合系数大，其横向各向同性，容易制成任意形状，价格低廉，工作频率受限，一致性差）和压电薄膜（压电薄膜和非压电衬底形成了多层结构，表面波传播特性则由压电薄膜和衬底的特性共同决定，方便集成）三种。

SAWD设计简单，但稳定性较差。
15
8.4.1 SAW传感器的结构形式与基本原理

谐振型（SAWR）由左右两个反射栅阵列构成谐振腔，声表面波在两个反射栅之间来回反射、叠加、共振形成驻波。

对于叉指间隔和反射栅指条间隔均匀分布的SAWR，SAW波长和IDT周期长度满足： v v
2l P

SAW辨识标签具有误码率低、读取时间快、作用距离远、不受光遮盖和读取方向影响等优点，因而 SAW标签是对 IC射频标签的一个有力补充。

声表面波器件的用途、生产制作和工艺介绍

从上面可以看出LN、LT是一种多功能晶体，我们在实践中注意各种性能对使用和生产相互影响。比如热释电产生静电吸尘、静电击裂晶片影响．
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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部造成部分振荡，即RSPUDT，一部分叉指的单向性是反向的，正向的部分多于反向的部分。换能器总体而言仍是单向的。单位长度的平均单向性减弱，带宽减小，换取脉冲响应增长，形状因子变好。
双迹RSPUDT
双迹RSPUDT
• 利用双迹来增加变量增加灵活性，但无模型可利用，关系复杂，只能用多变量优化
谐振器的致命缺点
• 谐振腔的长度决定了多个共振峰的间距。长度越长间距越远。
• 保持反射栅和换能器同步是改进性能的重要措施。
• 简单单模谐振器的带宽很窄，要求宽带时采用多模耦合，最常用的是双模谐振器（DMS）。
• DMS的最新发展是EPCOS的专利。
EPCOS专利
• DMS结构示意图
EPCOS专利
不同的a
SPUDT换能器的拓朴加权
• SPUDT换能器的拓朴加权的结果 • 优点：k值更高，1.8% 5%
相位差保证 45o 可以得到宽带5-8% • 缺点：线条更细，只适用于中频与一般SPUDT一样，形状因子和旁
瓣不够好
RSPUDT结构
• RSPUDT结构示意
(3)小尺寸
• 小的形状因子要求长的脉冲响应 • 为了加长SPUDT的脉冲响应，在换能器内
• DMS结构的周期变化
EPCOS专利
• EPCOS专利
器件的模型和模拟
• P矩阵级联—速度快、不精确计算用的COM参量由周期格林函数计算确定
• 有限指条的格林函数模拟—慢、精确 • 实际设计中两者结合起来进行优化
设计优化和精确模拟的重要性
SAW器件市场竞争激烈，设计优化和模型创新保证竞争获胜。
用 • 一切相互作用都是线性的
COM模型的基本方程
• 可有三种形式
R x
jkR
jk S
exp(2
jk0 x)
jau exp(
jk0 x)
S x
jk
Re xp(2 jk0x)
jkS
ja u exp( jk0x)
i x
2
ja
Re xp(jk0x) 2ja Sexp(
jk0x)
jCu
k0
2
由COM方程得到的色散曲线求解短路栅格对波的反射和透射
II COM模型
短路栅格的反射系数和透射系数禁带的讨论开路栅格阵的讨论 • 有源情况下非齐次方程的解有源情况下非齐次方程的特解有源情况下非齐次方程的全解换能器的激发
II COM模型
指间多次反射效应对双向性换能器激发的影响换能器的单向性 • COM模型的参量及参量提取 • COM模型的P矩阵表示
精确模拟减小实验上的反复试验大大降低设计成本
II COM模型
COM模型的基本假设
• 周期性微扰 • 只存在左右两方向的波R(x)和S(x) • R和S之间通过周期性微扰互相耦合 • 电极之间外加电压u，汇流条上有电流i(x) • U和i通过压电基体的反压电作用激发R和S • R和S也通过基体的压电作用与U和i相互作
声和电磁的混合模型是很重要的
（2）低损耗
• 单相单向换能器—中频 • 谐振器—RF，中频 • RF，双工器—特别强调低损耗、功率承受
能力 • 中频—线性相位、带外抑制
单相单向换能器（SPUDT）
• 单向每周期多指条如电极宽度控制（EWC）线条细，不宜用于RF 天然单向性换能器的有限长度导致有限单向性调谐匹配引入匹配损耗、非单向损耗
简要历史回顾
• 二十世纪六、七十年代的需求雷达—脉冲压缩保密通讯—编码及解压缩射频振荡器电子对抗—扫频
• 二十世纪九十年代和二十一世纪的需求滤波器、辨识标签、传感器
模型要求
• 二十世纪六--八十年代脉冲响应模型+二阶效应修正特点：损耗与带内波纹相关（来自双向性）器件图形尺寸与脉冲响应、频率响应相关
谐振器参量
• 压电体材料： YZ-LiNbO3 • 电极材料：铝 • 换能器和栅格周期：2.132微米 • 电极厚度：8%x波长=17微米 • 电极宽度：0.7微米 • 换能器指条数：301 • 反射栅指条数：20x2
电磁影响
频率进入千兆赫频段，电磁分布参量、电磁直通等因素不可忽略，设计中建立
• 用于CDMA
Recursive Z-迹滤波器
Tapered RSPUDT
谐振器
用谐振器构成滤波器
双端对或多端对梯状滤波器或阻抗元滤波器
SPUDT和谐振器的根本区别
• 换能器之间紧密联系或相互基本独立 • 源内阻对输出阻抗的影响或负载对输入阻
抗的影响 • 外加调谐匹配电路与否 • 谐振器损耗小 • 谐振器阻带抑制差
p
，
k
k0
COM模型的基本方程
• 假设
R(x) R0(x) exp[ j(t kx)]
S(x) S0(x) exp[ j(t kx)]
声表面波和声表面波器件的概况(I)及其COM模型(II)
向26所同志学习
为我国的声表面波事业共同努力
(I)声表面波和声表面波器件的概况
• 简要历史回顾 • 模型要求 • 二十世纪九十年代以后的要求 • （1）提高频率 • （2）低损耗
单相单向换能器（SPUDT） • （3）小尺寸
(I)声表面波和声表面波器件的概况
二十世纪九十年代以后的要求
• 低损耗 • 小尺寸 • 高频率 • 解决途径—将指间多次反射效应从弱的二
阶效应变为强的主要作用机制 • 模型—脉冲响应模型要相应地变为COM模
型或等效电路模型
(1)提高频率
• 新波动模式 YZ-LiNbO3上漏纵波在适当的电极厚度、金属化比下耦合强传播损耗小
YZ-LiNbO3上漏纵波谐振器
SPUDT结构
• SPUDT结构示例
SPUDT结构分析
• 换能中心和反射中心
SPUDT结构分析
两个方向反射的干涉叠加
p s11 2d 2n p s11 2d 2n
SPUDT换能器的加权
• 常用加权：切趾、抽指 • 切趾—引入切趾损耗 • 抽指—不适用于宽带 • 拓朴加权—利用不同几何结构，可以得到
• RSPUDT • 双迹RSPUDT • Recursive Z-迹滤波器 • Tapered RSPUDT • 谐振器 • SPUDT和谐振器的根本区别 • 器件的模型和模拟
II COM模型
• COM模型的基本假设 • COM模型的基本方程 • COM模型的参量 • COM模型方程的解 • 无源情况下齐次方程的通解