声表面波特点与应用

声表面波，也称为表面声波（surface acoustic wave），是指在弹性体的自由表面上产生并沿着表面或界面传播的各种模式的波，包括瑞利波(Rayleighwave)，勒夫波(Lovewave)等。

具有以下特点:

其一，传播速度低，波长短，其速度比电磁波要低5个数量级，利用该特性可使电子设备体积缩小，重量减轻，性能改善。
其二，由于声表面波系沿弹性体表面传播，加上传播速度极慢，便于对信号进行取样和变换。
其三，采用单品材料和半导体平面工艺制造，具有很好的一致性和重复性，便于量产
其四，不涉及晶体内部电子的迁移过程，器件抗辐射能力强。

1965年，美国加利福尼亚大学的怀特(White)和沃尔特默(Voltmer)取得了声表面波技术的关键性突破，发明了能在压电材料表面激励和检测声表面波的金属叉指换能器(interdigital transducers,IDT)的出现,使声表面波技术进入了实用应用阶段。

声表面波器件是一种声学技术与电子技术相结合的信号处理电子器件。它利用半导体平面工艺在压电材料基片表面制作出叉指状的金属电极(称作叉指换能器，IDT)，电极接上交变电压即可在基片表面激发出声表面波(SAW)，电信号可藉此声表面波传递。

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声表面波器件

声表面波工作原理

在固体中，声波有两种传播途径:一种以纵波或横波形式在固体内部传播，称为声体波;
另一种能量集中于固体表面并沿着半无限体表面传播，即为声表面波。
 

声表面波传播示意图

        声表面波是一种机械波，在大多数固体中的传播速度为2000~10000米/秒，与之相比，电磁波的传播速度要高4-5个数量级。

SAW的优势

1. 在压电晶体上激励声表面波非常方便。
2. 声表面波在压电晶体表面上传播速度慢，过程简洁，容易提取和剪裁信号.
3. 晶体材料有理想的传播损耗(低损耗，低衍射，低色散)，合适的压电耦合系数和足够的温度稳定性。
4. 在紧凑的结构里可以得到长延迟。
5. 通过光刻技术可在衬底上制作任意几何图形阵列以实现多种功能。通常所使用的基片长度约为几百个波长，因此设计自由度很大。
6. 精密光刻设备精度高，生产重复性好，而且衬底材料具有高再制造性。
7. 使用各种精确的数值分析方法和成熟的设计技术，可以灵活设计各类复杂的器件。
8. 一般采用单层光刻技术，适宜量产，同时一枚晶圆可同时制作很多只器件。

        这些都是SAW器件能够广泛应用于信号处理的关键。因此，选取合适的压电材料，在其表面制备金属叉指换能器(interdigital tansducers，IDT)，可以非常方便地利用声表面波传递和处理信号，实现滤波、延时、传感等功能。

声表面波滤波器结构

        声表面波器件可视为由具有压电特性的衬底材料和其表面的两组叉指换能器组成，其基本结构如下图所示。声表面波器件的工作原理是:压电衬底一端的输入IDT通过逆压电效应将输入的电信号转变成声信号,声信号沿压电衬底表面传播,再由衬底另一端的输出IDI将声信号转变成电信号输出。整个SAW器件的功能是通过对在压电衬底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。
 

常用滤波器特性（SAW一般不超过3.5GHz）