声表面波技术.pptx

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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。

声表面波促进伤口愈合的原理与控制方法

声表面波促进伤口愈合的原理与控制方法Surface acoustic wave (SAW) is a type of sound wave that travels along the surface of a material, such as a biological tissue or an artificial substrate. The promotion of wound healing by SAW is based on its ability to induce mechanical stress and strain in the tissue, which in turn activates cellular responses involved in the healing process.表面声波（SAW）是一种沿着材料表面传播的声波，例如生物组织或人工基板。

声表面波促进伤口愈合的原理基于其能够在组织中诱导机械应力和应变，进而激活参与愈合过程的细胞反应。

When SAW is applied to a wound, it generates mechanical forces that can stimulate the migration and proliferation of fibroblasts, which are key players in the production of extracellular matrix and collagen, essential for tissue repair and wound closure. Additionally, SAW has been shown to modulate the inflammatory response at the wound site, reducing the levels of pro-inflammatory cytokines and promoting the secretion of anti-inflammatory factors, which helps to create a more favorable environment for healing.当SAW应用于伤口时，它会产生机械力，可以刺激成纤维细胞的迁移和增殖，这些细胞是产生细胞外基质和胶原蛋白的关键参与者，对于组织修复和伤口闭合至关重要。

声表面波

以伴有电场分布的弹性波形式在压电基底介质中沿表面传播出去。这一表面波传到压电介质的另一端时，被另一个叉指换能器接收，再转换成电信号。这样，就在同一个压电基底上完成了电-声-电的转换过程。在此过程中，如果对信号进行加工处理,就构成声表面波器件,由此而形成声表面波技术。声表面波技术的特点是：①声波比电磁波的传播速度要小 5 个数量级；在相同频率下，波长也短 5 个数量级，因而器件体积将大大缩小；②信号的转换和传递是在压电晶体表面进行的，因而采用半导体平面工艺就可以制做器件。此外，信号的提取，注入和加工处理也很方便。
声表面波
深圳市思在固体半空间表面存在的一种沿表面传播，能量集中于表面附近的弹性波。声表面波又称为表面声波。 1885 年，英国物理学家 J.W.瑞利从理论上预言，在各向同性均匀固体表面存在声表面波，故又称为瑞利波。声表面波的传播速度 Vs 满足瑞利方程
压电晶体本身是换能介质，在传播声表面波的压电晶体表面可以制做电声换能器，使电能和声能互相转换。叉指换能器（图 2[ 叉指换能器结构]）能有效地产生和接收声表面波。这种换能器是在一仔细取向和抛光的压电晶体表面上沉积两组互相交错分布的、梳状的金属条带(叉指)，每组叉指跟一个称之为汇流条的金属条相连接。通过汇流条把电信号加在这两组叉指上，就会产生以一对叉指间隔为周期的电场分布。通过电声耦合，即产生一个弹性应变的分布。它激发固体质点的振动，并

以上内容源自：
式中 V1 和 Vt 分别为固体中纵波和横波的传播速度。对于实际的固体，声表面波的传播速度比横波速度约慢 10％。这时，表面波的传播是非频散的。它的质点振动位移有两个相位差为 90 的分量：一个垂直于表面,另一个顺着表面内波的传播方向。它们的幅度随着深度的加深，虽不一定是单调的，但最终将趋向于零（图 1[ 各向同性均匀固体中声表面波]）。由图可见，当深度在几个波长以后，其幅度就已很小。在自然现象中，如在地震时，就存在声表面波。在超声技术领域，它最初用作声延迟线和用于检测表面缺陷等方面。但由于激发和检测表面波比较复杂，其应用受到一定限制。声表面波不仅可以在各向同性均匀固体中传播，而且也可以在不均匀的（如分层的）固体介质中传播。不过，这时它是频散的，并且有多种模式。在各向异性介质（如晶体）中，也可能存在声表面波，但由于介质的各向异性，其传播特性随表面的取向和传播方向而不同，而质点振动一般有三个分量。对于均匀的晶体，其传播也是非频散的。 1965 年，人们发现，在具有压电性的晶体上声表面波也可以传播。由于存在压电性，在电声之间存在耦合。在这种波传播时，不仅有力学质点的振动，而且电场分布也随之传播。这时，在晶体半空间内电场最终也随深度趋向于零。同时，在界面另一边的真空中，也有电场传播，并随对表面距离的增加而逐步减小；如果在压电晶体表面沉积上一层很薄的良导体（金属膜）就会使表面电场短路，从而降低声表面波的速度。前者称为自由表面，后者称为金属化表面。

SAW技术

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。
声表面波谐振器结构
随着通信技术的发展，对信号源的高频化、高准确度和高稳定度提出了越来越高的要求，信号源的设计一般是采用石英晶体谐振器在低频下产生振荡（一般为几兆赫或几十兆赫），然后采用倍频的办法形成高频信号，这样作的优点是石英晶体谐振器的频率稳定度高，缺点是线路复杂，体积大，成本高，同时经过几次倍频之后，相位噪声变大；采用声表面波谐振器可以直接在GHZ频带产生振荡而形成高频信号，无需倍频，这样简化了线路，缩小了体积，降低了成本，减小了相位噪声，同时提高了可靠性
4.2 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。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。 SAW延迟线原理
声表面波传感器分类
物理传感器
温度传感器压力传感器湿度传感器加速度传感器陀螺仪（角速率）传感器酶以及免疫传感器
声表面波压力传感器
SAW压力传感器是较早研究的一种SAW传感器。其工作原理是基于声表面波器件在基底压电材料受到外界作用力作用后，材料内部各点的应力发生变化，通过压电材料的非线性弹性行为，使材料的弹性常数、密度等随外界作用力的变化而变化，从而导致声表面波得到传播速度的变化。同时，压电材料受到作用力后，使声表面波谐振器的结构尺寸发生变化，从而导致声表面波的波长改变。声表面波谐振器的谐振频率f=v/λ ，于是谐振频率变化。测量材料频率大小就可以知道外界作用力的大小。

传感技术课件 9

现代传感器技术
<8>
8.2 声表面波技术的基础知识
SAW
现代传感器技术
<9>
8.2 声表面波技术的基础知识
1. 基于压电材料的压电效应与逆压电效应
电能
机械能
2. 波在不连续介质处的反射
电能
现代传感器技术
<10>
8.2 声表面波技术的基础知识
概念：金属叉指换能器 IDT
现代传感器技术
<11>
声表面波滤波器
现代传感器技术
<6>
本章内容
8.1 8.2 8.3 8.4 8.5
概述声表面波技术基础知识研究声表面波的基础理论声表面波传感器技术典型声表面波传感器及应用
现代传感器技术
<7>
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
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
现代传感器技术
<19>
5. SAW器件材料
现代传感器技术
1965年，美国的R.M.White和F.M.Voltmov发明了能在压电材料表面激励声表面波的金属叉指换能器（IDT），加速了声表面波技术的发展，相继出现了许多各具特色的声表面波器件.
现代传感器技术
<3>
8.1 概述
SAW器件是近代声学中的表面波理论、压电学研究成果和微电子技术有机结合的产物。

{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。

大学物理声波超声波PPT课件

超声波对肌肉的温热作用可解除张力，发生普遍的充血现象，软化疤痕及改善循环等效果。
最新课件
9
超声波对植物的作用用一定的强度和频率的超声波处理大麦，结果发现其发芽的平均时间缩短，萌发的机能也增长了。
用超声波处理种在某种程度上加快了种子的萌发，并且可以打破有些种子的休眠期，在中草药种植方面效果尤为显著。这是因为种子由于超声波能量的影响，从而加强了种子细胞中的氧化过程。
能够引起人听觉的声强范围大约为10-12W·m-2～1W·m-2。此范围很大。
最新课件
4
在声学中常用声强级来描述声波在介质中各点的强弱。
声强级
通常规定声强I0＝10-12W·m-2(即相当于频率为1000Hz的声波
能够引起听觉的最弱的声强)为测定声强的标准。如果某一
声波的声强为I，则比值I/I0的对数，叫作相应于声强I 的声
在气体中大得多
最新课件
2
声压介质中有声波传播时的压强与无声波时的静压强之间有一差值，这一压强差称为声压。声压的成因很明显，由于声波是疏密波，在稀疏区域，实际压强小于原来静压强，在稠密区域，实际压强大于原来静压强。
显然，由于介质中各点声振动作周期性变化，声压也在作周期性变化。前者声压为负值，后者声压为正值。
7
超声检测技术
利用超声波的定向发射性质,可以探测水中的物体,如探测鱼群、潜艇等,也可以测量海水的深度,研究海底的地形起伏,发现海礁和浅滩.
在工业上,超声波可以探测工件内部的缺陷(如气泡、裂缝、砂眼等)
超声波与捕鱼
如试验研究发现，鱼在觅食时可发出一定的特征声谱。当
人工模仿或直接播放鱼在觅食时发出的特征声谱时，即使
10-2 10-5 10-6 10-10 10-11

声表面波传感技术

了能在压电材料表面激励声表面波的金属叉指换能
器（IDT），大大加速了声表面波技术的发展，相继
出现了许多各具特色的声表面波器件，使这门年轻
的学科逐步发展成为一门新兴的、声学和电子学相结合的边缘学科。
2
• 压电效应：某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。当外力去掉后，它又会恢复到不带电的状态，这种现象称为正压电效应。当作用力的方向改变时，电荷的极性也随之改变。相反，当在电介质的极化方向上施加电场，这些电介质也会发生变形，电场去掉后，电介质的变形随之消失，这种现象称为逆压电效应，或称为电致伸缩现象。依据电介质压电效应研制的一类传感器称为为压电传感器。 • 压电效应分类压电效应可分为正压电效应和逆压电效应。 • 正压电效应是指：当晶体受到某固定方向外力的作用时,内部就产生电极化现象,同时在某两个表面上产生符号相反的电荷；当外力撤去后，晶体又恢复到不带电的状；当外力作用方向改变时，电荷的极性也随之改变；晶体受力所产生的电荷量与外力的大小成正比。压电式传感器大多是利用正压电效应制成的。 • 逆压电效应是指对晶体施加交变电场引起晶体机械变形的现象。用逆压电效应制造的变送器可用于电声和超声工程。压电敏感元件的受力变形有厚度变形型、长度变形型、体积变形型、厚度切变型、平面切变型5种基本形式。压电晶体是各向异性的，并非所有晶体都能在这5 种状态下产生压电效应。例如石英晶体就没有体积变形压电效应，但具有良好的厚度变形和长度变形压电效应。 3
程。
• （4）由于声表面波器件是在单晶材料上用半导体平面工
艺制作的，所以它具有很好的一致性和重复性，易于大量生产，而且当使用某些单晶材料或复合材料时，声表面波器件具有极高的温度稳定性。

声表面波器件制作工艺介绍(PPT 61页)

自动粘片
49
主要工艺－点焊（自动铝丝键合）
降到第一焊点
加超声能量键合
上升到线弧高度
50
主要工艺－点焊（自动铝丝键合）
降到第二焊点
加超声形成第二个焊点
断线
51
主要工艺－点焊
6400型自动点焊机
52
主要工艺－点焊线拉力和芯片剪切力测试
53
主要工艺－预焊
预焊工序用于将表贴器件的盖板与基座固定起来。
39
主要工艺－光刻
M2000涂胶显影机
3“、4”标准圆片的光刻胶涂覆及曝光后图形显影，满足特征尺寸CD≥0.5μm声表面波器件的光刻胶涂覆及曝光后图形显影工艺制作要求；
涂敷光刻胶均匀性和一致性：3＂片内为 ±2%，片与片之间达到±2%；
显影均匀性和一致性：当以CD=0.5um 作为测试线宽时，3＂片内为±6%，片
声表面波器件制作工艺介绍
一.声表面波器件的用途
2
滤波器: 电子通讯
移动设备无线宽带广播电视 -------------------------------
谐振器: 移动设备
无匙安全系统
3
射频识别：鉴别：身份识别，
物体识别，运输方式跟踪 -----------------------------------------
同样利用电阻放电原理，使用大型电容组对焊接面进行充电，放电瞬间在封焊面形成高热，融化器件封焊环，达到焊接到目的，同时对器件内部水汽含量也可以进行控制。
58
主要工艺－测试
59
主要工艺－测试
自动SMD测试分选系统
60
成品
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镀层材料 AL、AL-CU2%合金、TI 产量 3英寸 36片/炉 4英寸 18片/炉

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。
5
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。

声表面波传感器课件

声表面波传感器
2.表面波的基本理论
【
表面波的基本理论
】
波的分类：在无边界各向同性的固体中传播的声波成为体波或体声波。当固体有界时，由于边界的限制，可出现各种类型的面波，也叫表面波。对于体波，根据质点的振动方向可将它分为纵波与横波，纵波质点振动平行于传播方向，横波质点垂直于传播方向：
ES (1 S ) vl S (1 S )(1 2S )
【表面波的基本理论】
声表面波的基本性质： 1.声表面波的反射和模式转换。在声表面波传播表面上常会发生声阻抗不连续。声表面波与一般的波动一样，当遇到声阻抗不连续时便会发生反射。对于瑞利波，由于其质点作椭圆振动，既有横振动又有纵振动，因此遇到阻抗不连续时，入射波除了以瑞利波形式反射回来外，还有一部分能量在反射时会转换为体波，这种现象称为模式转换。 2.波束偏离与衍射效应。在各向异性固体中，波的相速与群速或者说相位传播方向与能量传播方向一般是不一致的，这种现象称为波束偏离。两者之间的角度Φ称为偏离角度。
【表面波的基本理论】
瑞利波质点运动是一种椭圆的偏振，是相位差为 90° 的纵振动和横振动合成的结果。在图中不难看出，瑞利波能量集中在一个约一个波长深度的表面层内，频率越高，集中能量的层越薄。
这一特点使声表面波较体波更容易获得高声强，同时该特点也使基片对声表面波传播的影响很小，因此就声表面波器件本身，对基片的厚度无严格的要求。在各向异性晶体材料中，瑞利波基本上保持了上述特点。
【声表面波叉指换能器】
一个叉指换能器IDT，各叉指重叠长度相等，对有N对指的换能器（2N+1根指， 2N个间隔），当考虑到Δ ω / ω 0<<1时，其转移函数为：

第4章声波在平面界面的反射、折射和透射 ppt课件

声学边界条件
质量元M的运动方程 [P(1) P(2)]S M dv dt
l 0, M 0
P(1) P(2)
PPT课件
2
静压强在分界面处连续
P0 (1) P0 (2)
P(1) P0 (1) p1; P(2) P0 (2) p2
1、分界面处声压连续
p1 p2
pi0 pr0 pt0
cosi 1c1
pi0

cosr 1c1
pr 0

cost 2c2
pt 0
2c2 1c1
rp
pr 0 pi 0
2c2 cosi 1c1 cost 2c2 cosi 1c1 cost

cost 2c2
cosi 1c1
——软边界，声压反相，速度同相！
5、 2c2 1c1
rp 1; rv 1; t p 0; tv 2
——绝对软边界，声压全反射！ tv 2 ——边界上速度的波腹，声压的波节。
能量反射和透射系数
rI

| pr0 |2
21c1
/ | pi0 |2
21c1

2c2 2c2
rI

| |
pr 0 pi 0
|2 |2
/ 21c1 / 21c1

2c2 cosi 2c2 cosi

1c1 cost 1c1 cost
2

tI

| pt0 |2 / 22c2 | pi0 |2 / 21c1

41c12c2 cosi (2c2 cosi 1c1 cost )2
(c = 1 - 0.05y)

第8章声表面波

和IDT周期长度满足：
2lP
vv f
2lP
SAW在谐振腔内谐振，谐振型振荡器的振荡频率为：
单端对谐振器
双端对谐振器
第8章声表面波
16
8.4.1 SAW传感器的结构形式与基本原理
SAW延迟线型是属于传输型器件，它利用的是声波的行波特性，在波的传播方向上，设置的另一个IDT将接收到的声波转换成电信号输出。显然，在这些叉指电极中的任何反射都会使得器件性能恶化。
第8章声表面波
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。
决于电极形状和l的正整数；φE为反馈回路的相移。
SAWD设计简单，但稳定性较差。

第8章声表面波
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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
第8章声表面波
10
8.1 概述
⑷便于实现无线、无源化
SAW器件的工作频率一般在几十MHz到几个GHz，处于射频频段，因而可直接发射，进行遥测。同时利用SAW敏感器件的低损耗和压电基片的机电转换特性及其对电磁波能量的贮存能力，还可以实现声表面波传感器的无源化。这对于运动部件、密闭腔、易燃、易爆、辐射、高温等特殊环境的检测更为有利。

声表面波

声表面波滤波器（surface acoustic wave）简称SAW滤波器，声表面波是沿物体表面传播的一种弹性波。

声表面波概念在各式各样的电子产品及无线通讯产品中，都会牵涉到信号的接收与发射。

为了确保信号的质量，在系统设计时，会使用到数量不一的滤波器。

滤波器的种类很多，有陶瓷滤波器、LC滤波器等，各依所对应之频率范围、频率响应特性、价格之不同而在使用上有所分别。

SAW滤波器是利用电磁波与声波的特性进行传播的。

表面声波是一种独特的机械波，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（就是说衰减非常非常快），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，使得声表面波元件可以很容易地运用其所携带之能量。

声表面波（SAW，Surface Acoustic Wave）是沿物体表面传播的一种弹性波。

声表面波是英国物理学家瑞利（Rayleigh）在19世纪80 年代研究地震波的过程中偶尔发现的一种能量集中于地表面传播的声波。

1965年，美国的怀特（R.M.White）和沃尔特默（F.W.Voltmer）发表题为“一种新型声表面波声——电转化器”的论文，取得了声表面波技术的关键性突破，能在压电材料表面激励声表面波的金属叉指换能器 IDT的发明，大大加速了声表面波技术的发展，使这门年轻的学科逐步发展成为一门新兴的、声学和电子学相结合的边缘学科。

简介声表面波[1] 在固体半空间表面存在的一种沿表面传播，能量集中于表面附近的弹性波。

[1] 又称为表面声波。

从严格意义上说，声表面波泛指沿表面或界面传播的各种模式的波，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(SH．SAW)、电声波(B．G waves)、兰姆波(Lamb waves)等。

第7章声表面波传感器

7.2 SAW传感器结构及等效电路
• SAW振荡器通常有延迟线型（DL型）和谐振器型（R型）两种结构。 • 目前的声表面波器件所用压电基片有压电单晶、压电陶瓷和压电薄膜。
7.2.1 延迟线型结构
(b)振荡器（a）延迟线
图7-7 延迟线型振荡器结构
7.2.2 谐振器型结构
（a）谐振器（b）振荡器
• Love波（乐甫波是一种色散波，即波
速与频率有关。） • Lamb波（拉姆波是一种在薄板中传播的板波。拉姆波也是一种色散波。） • B-G波（电声波是一种质点振动垂直于传播方向和表面法线的横表面波。由于它是Bleustein及Gulyaev首先于 1968年发现的，因此又称B-G波。） • 等。
第7章声表面波传感器
• 声表面波（Surface Acoustic Wave， SAW）是一种在固体浅表面传播的弹性波，对它的认识起源于英国科学家瑞利在19世纪末期研究地震波过程中发现的一种集中于地表面传播的声波。
• 声表面波存在若干模式，主要包括: • Rayleigh波（瑞利波，声表面波技术所应用的绝大部分是这种类型的波。瑞利波有两个性质：一是瑞利波速度与频率无关，即瑞利波是非色散的；二是瑞利波速度比横波要慢。）
• 声表面波技术起始于是20世纪60年代末期。我国对于声表面波技术的研究是从1970年前后开始。 • 目前，商品化的声表面波器件工作频率处在30MHz到3000MHz的范围。 • 5000MHz的声表面波滤波器产品的研制已有报道。
7.1 叉指换能器
• 叉指换能器（interdigital transducer，IDT）是目前用得最广泛而直很有效的瑞利表面波换能器。
图7-8 谐振器型振荡器结构

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1965年，美国的R.M.White和F.M.Voltmov发明了能在压电材料表面激励声表面波的金属叉指换能器（IDT），大大加速了声表面波技术的发展，相继出现了许多各具特色的声表面波器件，使这门年轻的学科逐步发展成为一门新兴的、声学和电子学相结合的边缘学科。
2
声表面波特点（相比电磁波）
6
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
7
SAW
8
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
9
Concept: IDT
外加电压吸声材料
16
Materials
17
8.3 SAW问题的基础理论
1. 压电效应及其本构方程
Tij
cE ijkl
Skl
ekij Ek
Di
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S ik
Ek
2. 压电体内的波动方程
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18
3. 压电介质中的Christofel方程
第8章声表面波传感技术
➢8.1 概述 ➢8.2 声表面波技术基础知识 ➢8.3 研究声表面波的基础理论 ➢8.4 声表面波传感器技术 ➢8.5 典型声表面波传感器及应用
1
8.1 概述
声表面波（SAW）是一种能量集中在表面传播的弹性波。最早是由英国物理学家瑞利在19世纪80 年代在研究地震波过程中偶然发现的。
13
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。
ห้องสมุดไป่ตู้14
（1）具有较低的传播速度和较短的波长；（2）沿固体表面传播的，且传播速度较慢；（3）晶体表面传播的弹性波，不涉及晶体内部电子的迁移过程；（4）采用单晶材料和用平面工艺制造，故重复性和一致性好，易于大批量生产。
3
声表面波器件
滤波器、延迟线、振荡器、混频器、放大器、卷积器、
相关器、编码器、声光调制器、声光偏转器、声光开
关、超声马达、射频标签和传感器等。特别是其作为
一种快速、超小型的频率控制、选择和信号处理器件，
对电子和通信系统的发展起着极为重要的作用。目前，
SAW器件正在朝着GHz频段到10GHz频段的超高频化
发展。可以预测它将在信号检测、信号处理中发挥越
来越重要的作用。
4
用SAW器件研制、开发新型传感器始于20世纪 80年代，起初，人们发现外界因素(如温度、压力、磁场、电场、某种气体等)对声表面波传播特性会造成影响，进而研究这些影响与外界因素的关系。根据这些函数关系．设计了各种所需结构．用于测量各种化学的、物理的、生物的被测参数。
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各种SAW问题的解都是从上述公式出发，结合各个问题的对称性和边界条件来求得。
19
4. 声表面波特性的理论分析
声表面波特性的理论分析就是根据给定的材料常数（包括弹性常数、压电常数、介电常数、密度、热膨胀系数及其相应的一阶和二阶温度系数常数）按Christofel方程和边界条件来计算某个切向条件下的声表面波速度(包括自由化表面和金属化表面)、机电耦合系数（K2）、能流角（PFA）、延时温度系数（TCD）等特性参数，这是进行SAW器件设计的基础和出发点。
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。
12
3. 瑞利波特点
瑞利波是在半无限基片边界条件下沿介质表面传播的声波，SAW技术中所应用的绝大部分是瑞利波，它具有特点： ①非色散波，即波速与频率无关； ②质点作椭圆偏振，偏振平面不一定在弧矢平面内，椭圆的主轴也不一定与传播方向或表面法线平行； ③质点通常有三个位移分量，并随深度方向呈衰减振荡，能量几乎集中在1~2个波长的深度范围内； ④波的相速度依赖于晶体的切向和波的传播方向，除沿纯模方向外，能流方向一般也不平行于传播方向。
接收端
接地电极压电基体
10
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。
11
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。
5
尽管SAW传感器的历史并不长，在实用化方面尚有很多困难，但由于它的符合信号系统小型化、数字化、智能化和集成化、高精度的发展方向，因而越来越受到传感器行业的青睐，世界上许多国家对SAW传感器的开发研究极为关注。从80年代至90年代，SAW传感器在欧美，特别是在日本，获得了迅速发展，出现了十几种类型的SAW传感器。近十几年来，SAW技术、电子技术和微平面工艺的不断发展，使SAW振荡器的频率不断提高，器件和电路Q值不断增大，这为SAW传感器的发展提供了良好契机。
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。
15
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

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