SAW技术精讲.ppt

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1、一、概述二、声表面波器件的原理三、声表面波器件材料四、声表面波器件五、声表面波发展展望六、参考文献目录 微波声学简称微声学， 一般是指频率在300兆赫以上的声学。它是研究固体中微波超声的产生、检测、和传播特性、以及与各种微观结构和物理过程的相互作用的学科。早期工作始于上世纪五十年代末。它与电子学、磁学、光学和晶体物理学均有密切的联系。 在固体中传播的声波称为声体波（BAW），在固体表面传播的声波叫作声表面波（SAW）。SAW有瑞利波、乐甫波、拉姆波、电声波、广义瑞利波等一、概述 声表面波（SAW）是英国物理学家瑞利（Rayleigh）在1885年研究地震波的过程中偶尔发现的。声表面波是沿物体表

2、面传播，能量集中于表面附近的一种弹性波。1.1 声表面波简介1.2 声表面波传播特性声表面波能在压电衬底表面产生并传播，其振幅随深入压电衬底的深度按指数规律衰减。能量集中于表面附近。质点的运动轨迹是一个椭圆1.3 声表面波的发展历史1885，Rayleigh首次阐明表面波（SAW）的存在1965，White首次采用叉指换能器（IDT）激发SAW1970，首次应用于脉冲压电雷达系统1985，SAW滤波器开始取代LC滤波器应用于电视中频处理1990，SAW滤波器开始应用于小型化的移动通讯中21世纪以来，人们在SAW传感器方面开展了大量工作1.4 声表面波的技术特点声表面波具有较低的传播速度和较短的

3、波长，大概比相应电磁波小5个数量级，因此在同一频段上，SAW器件的尺寸比相应电磁波器件的尺寸小得多，这样就可以大幅度减小器件的体积和重量，有利于电子器件的超小型化。由于声表面波是沿固体表面传播的，且传播速度较慢，这使得时变信号在给定瞬时可以完全呈现在晶体基片表面上，当信号在输入和输出之间行进时，就容易对信号进行注入、提取和变换等处理。声表面波是晶体表面传播的弹性波，不涉及晶体内部电子的迁移过程，这样使得SAW器件具有较强的抗辐射能力和较大的动态范围。二、声表面波器件的原理 声表面波器件是在压电基片上制作两个声电换能器叉指换能器（IDT）。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

4、指交叉状的金属图案。 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）通过逆压电效应将输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，并利用声电换能器的特性来完成的。三、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。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

5、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。 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 ，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 四、声表面波器件 声表

6、面波谐振器 声表面波延迟线 声表面波振荡器 声表面波滤波器 声表面波传感器SAW压力传感器SAW温度传感器SAW加速度传感器SAW气体传感器4.1 声表面波谐振器谐振器谐振器就是指产生谐振频率的电子元件声表面波谐振器声表面波谐振器是一种高Q值的声表面波谐振器，在很多方面都与石英晶体谐振器相似，它用作滤波器或者信号源中的频率控制器件，其有用输出是谐振器跟随输入信号的稳态响应。工作实质是将输入IDT激发的以正弦函数形式传播的声表面波入射到反射栅，满足一定频率的波相干叠加，然后在输出IDT中得到相应的输出波形。品质因数(Q因数)：谐振电路所储能量同每周损耗能量之比的一种指标声表面波谐振器结构 随着通

7、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

8、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= Lv。SAW延迟线原理因为SAW在基片中的传播速度比电磁波慢 5个数量级，所以SAW延迟线的体积不及同轴延迟线的千分之一。而且 SAW的能量集中在基片表面，所以SAW延迟线可以同时实现多种信号处理功能，应用最多的是滤波和延迟功能结合。声表面波延迟线是最早实用化且应用最为广泛的一类声表面波器件。它以结构简单、体积小、温度稳定、一致性好的特点在雷达、通信等电子

9、系统中完全取代了电缆延迟线，成为射频、中频段延迟信号的基础器件；同时还大量用在各类传感器组中；它不仅用于雷达、通信等电子设备中作为电信号延迟，还可以作为SAW振荡器的关键元件。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

10、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。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，一种是延迟延迟线型振荡器线型振荡器 另外一种是谐振器型振荡器谐振器型振荡器。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

11、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4.4 声表面波滤波器滤波器：是一种用来消除干扰杂讯的器件。其功能就是得到一个特定频率或消除一个特定频率。滤波器的主要作用是：让有用信号尽可能无衰减的通过，对无用信号尽可能大的衰减。声表面波滤波器：声表面波滤波器的基本结构是在压电基片上采用光刻工艺制作金属条带实现换能器、谐振器、反射器功能，有选择地调整声表面波的激励和接收。对于GHz及更高中心频率的声表面波滤波器，条带的宽度在微米级或者更小，因此SAW滤波器本身具备尺寸小、重量轻的特点。1、声表面波滤波器的尺寸小、重量轻2、设计灵活性大、性能出色：相位特性和幅度特性可以

12、独立设计，并且有多种加权方式可供选用3、插入损耗低、带外抑制高：是由于使用的声表面波谐振器具有较高的谐振Q值4、声表面波滤波器还具有一致性好、适合大规模生产的特点：由于采用类似集成电路的制作工艺，加上声表面波滤波器的结构相对简单，因此具有很好的一致性，产品化的声表面波滤波器在制造过程中几乎不需要调试就能达到各个滤波器产品的性能指标几乎一致5、价格低：大规模生产使声表面波滤波器的生产成本降低声表面波滤波器的优点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

13、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。声表面波传感器分类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）气体传感器湿度传感器液体传感器酶以及免疫传感器物理传感器生物传感器化学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

14、。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/，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。声表面波温度传感器 SAW温度传感器是利用温度变引起SAW速度变化从而导致振荡频率变化的设计原理，引起SAW谐振频率随温度变化的主要因素是压电基片。选择较大温度系数和热膨胀系数的压电材料作为压电基片，可提高谐振频率的温度敏感特性。声表面波温度传感器包括接触式和非接触式。接触式温度传感器是与测物体直接接触，在基片、电池与元件的限制下，要求测量温度不能太高，有一定局限性。非接触式传感器不要求与被测体接触，主要利

15、用被测物体辐射的红外线使SAW传播路径表面温度升高，通过测量振荡频率的变化来获得温度变化值。这种方法采用辐射升温，要求接收热容必须很小否则器件灵敏度不高，且易受环境温度影响。声表面波加速度传感器SAW加速度传感器的结构形式与压力传感器类似，当物体处于加速度场中时会受到惯性力的作用，把该力作用在声表面波振荡器的基片上就使其发生形变，从而使声表面波的速度和频率发生变化。加速度越大，谐振频率变化越大，通过测量频率，即可知道加速度大小。声表面波气体传感器 因为声表面波器件只能测量量的大小，不能决定被测量的物质是什么，需要跟化学的手段相结合。目前已成功应用的有两种方式：一是与选择性的敏感膜相结合，由它来

16、决定被测量的是什么物质；二是与气象色谱相结合，实现不同气体分时间上的分离。声表面波气体传感器在SAW器件上涂覆选择性高分子吸附膜材料，当敏感气体通过时，吸附膜上的特定功能团通过物理吸附和配位吸附将敏感气体分子束缚在膜表面上，敏感气体分子的加入使敏感膜单位面积的质量增大，质量负载效应降低了SAW的声速，声速的变化引起了频率的变化，通过测试传感器频率的变化可测出敏感气体的浓度。覆膜式SAW气体传感器声表面波气体传感器气相色谱分离技术 直接利用微型快速气相色谱柱技术把在环境大气背景下的多种微量易挥发性气体的混合物浓缩并分离，形成色谱，从色谱柱中依次流出，通过控制SAW气体传感器表面的温度会使这些易挥

17、发性气体蒸汽按色谱流出顺序凝结在传感器的表面，质量效应导致声波传递参数改变，引起SAW传感器的谐振频率发生改变，进行分析得出被测挥发性气体的种类和浓度。声表面波传感器优点高精度、高灵敏度由于SAW能量集中在介质表面，对外界物理参量的扰动非常灵敏，因而SAW传感器具有很高的灵敏度，可以检测到常规传感器难以检测到的微小变化。准数字输出SAW传感器工作时以频率信号输出，不需经AD转换便可与微机接口，既便于传输处理，同时也减小了数字化带来的误差。微型化，低功耗声表面波传感器为物性型传感器，利用半导体制作工艺，可以使集成化技术得到充分应用，容易将信息敏感器件与信息处理功能电路集成在一起，大大减小传感器的

18、体积和重量，做到传感器微型化。同时因为SAW的能量集中在介质表面，因而损耗低，加上SAW传感器电路简单，所以整个传感器的功耗很小。声表面波传感器优点便于实现无线、无源化SAW器件的工作频率处于射频频段，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。多参数敏感性，抗干扰能力强声表面波对压力、温度、气体、湿度、电场、磁场等多种物理、化学量敏感，通过选择合适的基片材料及切向可以制成多种类型的传感器；同时由于声表面波器件利用的是晶体表面的弹性波而不涉及晶体内部电子的迁移过程，因而SAW传感器具有良好的抗电磁

19、干扰能力。声表面波传感器优点结构工艺性好，便于大批量生产SAW传感器是平面结构，设计灵活；片状外形，易于组合；能比较方便地实现单片多功能化、智能化；安装容易，并能获得良好的热性能和机械性能。SAW传感器中的关键部件SAW谐振器或延迟线，采用半导体平面制作工艺，结构牢固，质量稳定，重复性及可靠性好，易于大批量生产。 利用弹性体表面传播的声表面波来截取和处理信号的声表面波技术，自20世纪60年代出现以来，发展十分迅速。声表面波器件具有体积小、质量轻、频率选择性强、结构简单、易于批量生产的优点，已广泛应用于移动通信、电视、广播、传感器以及各种军用雷达、通信系统中。展望未来，声表面波技术主要解决以下几

20、个问题。五、声表面波发展展望1、加强声表面波材料方面的研究：传统的SAW衬底材料存在一些缺点，如压电转换效率不够(如石英)，如温度稳定性不好(如铌酸锂等)，新型压电晶体Sr3Ga2Ge4014(SGG)，其压电性好、机电耦合系数高。薄膜材料的应用, 随着声表面波器件使用频率的提高, 各种性能的薄膜材料将越来越多地应用于声表面波器件的制作。2、不断开发新型的声表面波器件开发生产高性能、高频、低损耗的声表面波滤波器和谐振器。加强声表面波传感器的研究和开发，主要在一下几个方面发展：1）阵列化，即在一个器件上做多个通道，同时进行不同物质的检测。2）开发无源无线传感技术，远距离工作的无源无线声表面波传感

21、器更适合于不宜接触的工程结构和环境检测。3）开发新型声表面波激发方式和检测方式。五、声表面波发展展望3、进一步提高声表面波器件的频率采用电极的刻蚀技术, 由光刻到电子束刻蚀、X射线刻蚀等, 能够制出周期越来越小的电极。寻找具有较高声表面波速度的压电材料，高声速的声波模式4、改进声表面波器件的制造和封装工艺五、声表面波发展展望1 李辉，潘峰 . 声表面波器件的研究进展 . 真空科学与技术，2001,21（05）：376-3802 胡爱明 . 微声电子器件 . 北京：国防工业出版社，20083 陈明，范东远，李岁劳 . 声表面波传感器 . 西安：西北工业大学出版社，1997；1754 杨楷，李志刚

22、，等 . 声表面波气体传感器的研究进展 . 电子元件与材料，2008,27（9）：26-305 Rayleigh L. On waves propagated along the plane surface of an elastic body . The proceedings of the London Mathematical, 18856 Horrillo M C, Fernandez M J, Fontecha J L, et al. Detection of volatile organic compounds using surface acoustic wave sensors

23、 with different polymer coatings J. Thin Solid Films, 2004, 467: 234238.7 Chin H,Liu C Y,Chiu Y C ,et al. L High-frequency surface acoustic wave(SAW) devices fabricated by contact-transferred.8 JingzeTian，QingZhang，Q.Zhou，et al.Correlation between adhesion of dijamond-like Earbon film on LITaO3 subs

24、trate and SAW veloeityJ.Surfaee&Coatings TechLnology. 2005，198:198一201.六、参考文献9 Thiele J A, Cunha M P. Dual configuration high temperature hydrogen sensor on LGS saw devices A. Proc of the IEEE Ultrasonics Symposium C. New York: IEEE Press, 2004. 809812.10 Wang W, Lee K, Kim T, et al. A novel wireless, passive CO2 sensor incorporating a surface acoustic wave reflective delay line J. Smart Mater Struct, 2007, 16: 13821389.11 Welsch W,et al. Immunosensing with surface acoustic wave sensor. Sensor and Actuators,1992,(62):562-56412 潘峰等 . 声表面波材料与器件. 科学出版社，2012六、参考文献谢谢！结束结束