声表面波 插指换能器结构图
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。
声表面波气体传感器器件的设计
第28卷第2期2006年4月舰 船 科 学 技 术SH I P SC I E NCE AND TECHNOLOGY Vol .28,No .2Ap r .,2006文章编号:1672-7649(2006)02-0072-04声表面波气体传感器器件的设计付曙霞,杨震夏(中国船舶重工集团公司第七一八研究所,河北邯郸056027)摘 要: 论述了声表面波气体传感器器件的结构设计及设计参数的选择,设计了ST 和AT 不同切向的石英晶体材料做压电基片材料的3种振荡器,通过电性能参数的测试,比较了3种振荡器的性能优劣。
关键词: 声表面波;气体传感器;振荡器中图分类号: TP212 文献标识码: AThe desi gn of surface acousti ce wave chem i ca l ga s sen sorF U Shu 2xia,Y ANG Zhen 2xia(The 718Research I nstitute of CSI C,Handan 056027,China )Abstract: The paper studied the effects of the S AW che m ical warfare detect or πs designing .ST quartz and AT quartz were used f or substrate of three types of S AW oscillat ors .The oscillat ors are designed,fabri 2cated and tested .W e selected the op ti m ized S AW oscillat ors t o be S AW devices thr ough experi m ents .Key words: surface acoustice wave;che m ical gas sens or;oscillat or收稿日期:2006-03-200 引 言声表面波(S AW )气体传感器是一种将声表面技术与电子技术结合起来的新型传感器,它将非电量信息的气体转化为声表面波振荡器频率的变化,比一般用电压、电流输出的传感器的测量精度高,且不需要A /D 转换而直接用于数据处理,实现传感器的实时监测和智能化[1,2]。
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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28
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
声表面波相关叉指换能器的半物理仿真
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１９６５ 年 生. 杭 州 电 子 科 技 大 学 机 械 工 程 学 院 教 授.EＧma
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声表面波滤波器封装
声表面波滤波器封装在集成至模块过程中，声表面波元件必须要经受高达100 bar的压强，这就要求采用新的封装技术。
为了让声表面波元件中的声表面波在无干扰情况下传播，封装中的芯片表面上方要有一个空腔。
一般说来，在2 GHz滤波器中用于将电信号转换成声波的叉指换能器由铝镀层组成（厚度为150 nm，宽度小于500 nm）。
为避免腐蚀，这些结构必须能够防潮（可以在芯片上加一层非常薄的钝化层，或者采用气密封装），同时还必须要耐高温、显著的温度变化以及高湿空气。
体声波（BAW）以及薄膜体声波谐振器（FBAR）元件也需要具有空腔的封装。
之前专为声表面波滤波器开发的封装技术现亦为体声波元件沿用。
以前，声表面波元件总是直接焊接在手机电路板上的。
不过现在，声表面波滤波器越来越多地被集成到模块中，而各种各样的模块则用于手机。
以下为一些典型实例：•含有超过两个滤波器及其阻抗匹配元件的滤波器组•包含滤波器、开关以及匹配元件的前端模块，多见于GSM应用•含有收发集成电路、滤波器以及匹配元件的收发模块•带双工器的功放（PAiD）模块LTCC或FR4基片常用于模块中。
LTCC基片可集成数十个无源元件，而声表面波滤波器、其它无源元件和半导体则安装在基片上表面。
然后，使用金属帽盖、顶部密封（Glob Top）或包膜工艺对模块加以密封。
在传递模塑期间，当温度高达180℃时，最高可产生100 bar的压强。
声表面波滤波器封装内的空腔因此必须足够坚固，以承受高达10 N/mm2的压强。
模块中采用的声表面波元件必须不仅能适应挤出成型工艺，还必须具有占用面积小和插入高度低的特点。
从金属封装到CSSP最初，声表面波元件采用的是气密金属封装技术，焊线在外接端子和芯片之间起连接的作用。
在表面贴装技术面市后，便采用了具有扁平焊接引脚的陶瓷封装。
然而，陶瓷封装与焊线的组合却难以实现低于3 × 3 mm2的封装面积以及低于1 mm的插入高度。
声表面波传感器课件
在各个异性固体材料中 传播的声波
【表面波的基本理论】
表面波的类型
瑞 利 波
电 声 波
乐 甫 波
瑞 利 型 波
【表面波的基本理论】
ES (1 S ) S (1 S )(1 2S )
vs
E
2S (1 S )
vl ——纵波速度，m/s; vs ——横波速度，m/s; Es——表面波材料的弹性模量，Pa； S ——表面波材料的泊松比； S ——表面波材料的质量密度，kg/m3
弹性模量：弹性形变中，正应力和正应变的比值； 泊松比：横向应变与纵向应变之比。
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。
，它由若干淀积在压电衬底材料上
的金属膜电极组成，这些电机条互
相交叉放置，两端由汇流条连在一
起，其形状如同交叉平放的两排手
指，故称为均匀(或非色散)叉指换
能器。叉指周期T=2a+2b。两相邻
电极构成一电极对，其相互重叠的
长度为有效指长，即换能器的孔径，
记为W。若换能器的各电极对重叠
《传感器技术》教学课件第6章
当晶体受到沿y轴方向的压力作用时，晶体的变形如图6-4 （c）所示。与图6-4（b）情况相似，P1增大，P2、P3减小。在x 轴上出现电荷，它的极性为x轴正向为正电荷。在y轴方向上仍 不出现电荷。
如果沿z轴方向施加作用力，因为晶体在x方向和y方向所产 生的形变完全相同，所以正负电荷重心保持重合，电偶极矩矢 量和等于零。这表明沿z轴方向施加作用力，晶体不会产生压电 效应。
a、b——晶体切片的长度和厚度。
电荷qx和qy的符号由受压力还是受拉力决定。
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上述讨论假设晶体沿x轴和y轴方向受到的是压力， 当晶体沿x轴和y轴方向受到拉力作用时，同样有压电效
应，只是电荷的极性将随之改变。石英晶片上电荷极性 与受力方向的关系如图6-3所示。
图6-3 晶体切片上电荷极性与受力方向的关系
在自然界中大多数晶体都具有压电效应，但压 电效应十分微弱。随着对材料的深入研究，发现石 英晶体、钛酸钡、锆钛酸铅等材料是性能优良的压 电材料。
7
表6-1 常用压电材料的性能参数
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6.1.1 压电晶体
以石英晶体为例，它是单晶体中具有代表性同时也是应用 最广泛的一种压电晶体，化学式为SiO2。图6-2（a）表示了天 然结构的石英晶体外形是一个正六面体。
当压电元件受外力作用时，两表面产生等量的正、负电荷Q， 压电元件的开路电压（认为其负载电阻为无限大）U为：
压电常数 压电效应强弱：灵敏度 弹性常数（刚度） 固有频率、动态特性 介电常数 固有电容、频率下限 机电耦合系数 机电转换效率 电阻 泄漏电荷、改善低频特性 居里点 丧失压电性的温度
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压电材料可以分为两大类：压电晶体和压电陶 瓷。压电材料要求具有大的压电系数，机械强度高， 刚度大，具有高电阻率、大介电系数和高居里点， 温度、湿度和时间稳定性好等特点。
声表面波滤波器的叉指换能器技术演进概述
声表面波滤波器的叉指换能器技术演进概述声表面波（SAW）滤波器因具有带外抑制性好、体积小等特点，广泛应用于移动通信领域。
文章首先介绍了SAW滤波器的工作原理；然后从专利申请角度对国内外SAW滤波器发展状况进行梳理；随后从SAW滤波器的叉指换能器电极结构对SAW滤波器中的关键技术进行了分析；最后，对SAW滤波器的发展进行了总结。
标签：声表面波；滤波器；叉指换能器引言声表面波是一种沿物体表面传播的弹性波，SAW技术在雷达、广播电视等领域获得广泛应用[1]。
然后随着移动通信飞速发展，SAW器件的需求急剧增长，声表面波技术越来越得到重视。
随着制造技术的发展，SAW器件性能的优越性越来越凸显，因其频率响应平坦、体积小等优点而得到广泛的应用[2]，随着SAW 滤波器的广泛应用，对其性能要求也越来越高，由此使SAW滤波器技术迅猛发展。
1 SAW滤波器国内外的发展状况作者对历年来SAW滤波器的国内外专利申请进行了梳理，如图1所示。
从全球专利申请量来看，在20世纪80年代中后期，由于电视、卫星通信的发展，SAW滤波器技术随之发展，出现了第一次专利申请峰值；随后在90年代中后期，随着移动通信的发展，SAW滤波器因其体积小、损耗低被大量应用于手机等通讯设备中，其专利申请量出现第二次峰值，但随着SAW滤波器技术的日趋完善，全球SAW滤波器的相关专利申请从2005年左右开始有下降趋势。
从国内专利申请量来看，国内SAW滤波器技术从上世纪90年代开始发展，在20世纪末到21世纪初，SAW滤波器技术在国内开始迅速发展，但由于国内整体起步较晚，技术发展相对较慢，因此近年来在SAW滤波器技术方面的国内专利申请量依然保持平稳发展态势。
2 SAW滤波器的IDT电极技术发展及关键技术SAW滤波器的主要组成有输入输出IDT电极和压电基片，与SAW滤波器性能密切相关的因素即是IDT电极的设计，因此，文章从IDT电极设计这一技术分支分析了SAW滤波器的技术发展路线。