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。
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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
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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