SAW是SURFACE ACOUSTIC WAVE的简称,声表面波器件是利用声表面波对电信号进行模拟处理的器件,其频率范围约在107~109赫。 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。所谓SAW,是在压电固体材料表面产生和传播、且振幅随深入固体材料的深度增加而迅速减小的弹性波。与沿固体介质内部传播的体声波(BAW)比较,SAW有两个显著特点:一是能量密度高,其中约90%的能量集中于厚度等于一个波长的表面薄层中;二是传播速度慢,约为纵波速度的45%,是横波速度的90%。在多数情况下,SAW的传播速度为3000~5000m/s。根据这两个特性,人们研制出具有不同功能的SAW器件,而且可使这些不同类型的无源器件既薄又轻。
SAW器件主要由具有压电特性的基底材料和在该材料的抛光面上制作的由金属薄膜组成的相互交错的叉指状换能器(IDT)组成。如果在IDT电极两端加入高频电信号,压电材料的表面就会产生机械振动并同时激发出与外加电信号频率相同的表面声波,这种表面声波会沿基板材料表面传播。如果在SAW传播途径上再制作一对IDT电极,则可将SAW检测并使其转换成电信号。IDT叉指状金属电极借助于半导体平面工艺技术可以制作。
图1是一个典型声表面波器件的结构原理图。电信号通过叉指发射换能器转换成声信号(声表面波),在介质中传播一定距离后到达接收叉指换能器,又转换成电信号。在这电—声—电转换传递过程中进行处理加工,从而得到对输入电信号模拟处理的输出电信号。
叉指换能器的金属条电极是铝膜或金膜,通常用蒸发镀膜设备镀膜,并采用光刻方法制出所需图形。叉指电极的条宽约在 100微米(约相应107赫)到1微米(约相应于109赫)。
兼作传声介质和电声换能材料的压电基底材料有:铌酸锂、石英、锗酸铋和钽酸锂等压电单晶;在非压电材料(如玻璃)基底上沉淀的Z轴取向氧化锌薄膜;在低频段还有压电陶瓷。声表面波器件有多种类型,目前已发展到包括SAW滤波器、谐振器、延迟线、相关器、卷积器、移相器和存储器等在内的100余个品种。
声表面波技术的特点:
(1)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。在VHF 和UHF 绳段内,电磁波器件的尺寸是与波长相比拟的。同理,作为电磁器件的声学模拟声表面波器件,它的尺寸也是和信号的声波波长相比拟的。因此,在同一频段上,声表面波器件的尺寸比相应电磁波器件的尺寸减小了很多,重量也随之大为减轻。例如,用一公里长的微波传愉线所能得到的延迟,只需用传输路径为1 。m 的声表面波延迟线即可完成。这表声表面波技术能实现电子器件的超小型化。
(2)由于声表面波系沿固体表面传播,加上传播速度极慢,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。于是当信号在器件的输入和输出端之间行进时,就容易对信号进行取样和变换。这就给声表面波器件以极大的灵活性,使它能以非常简单的方式去.完成其它技术难以完成或完成起来过于繁重的各种功能。比如脉冲信号的压缩和展宽,编码和译码以及信号的相关和卷积。一个实际例子是1976 年报道的一个长为一英寸的声表面波卷积器,它具有使两个任意模拟信号进行卷积的功能,而它所适应的带宽可达100MHz ,时带宽积可达一万。这样一个卷积器可以代替由几个快速傅里叶变换(FFT )链作成的数字卷积器,即实际上可以代替一台专用卷积计算机。
此外,在很多情况下,声表面波器件的性能还远远超过了最好的电磁波器件所能达到的水平。比如,用声表面波可以作成时间-带宽乘积大于五千的脉冲压缩滤波器,在UHF 频段内可以作成Q 值超过五万的谐振腔,以及可以作成带外抑制达70dB 、频率达1 低Hz 的带通滤波器。
(3)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。
(4)声表面波器件的抗辐射能力强,动态范围很大,可达100dB 。这是因为它利用的是晶体表面的弹性波而不涉及电子的迁移过程。
声表面波技术目前也存在某些不足之处。首先,由子受工艺的限制,声表面波器件的工作频率被局限在2-3GHz 以下,另外,由于它采用单晶材料,制作工艺要求精度高、条件苛刻,使一得它的成本较高、价格较贵。
SAW器件应用范围
SAW器件能实现多种复杂信号处理功能,时间带宽积大,动态范围大,并且具有体积小、重量轻、稳定可靠、易于大批量生产且重复性好、无需调谐、设计灵活性高,并且填补了集中参数电子元件与微波回路工作频段之间的空隙,易于与外电路配合使用等优点,所以在军事系统、民用消费品和商用设备中得到广泛应用,主要有以下几个方面:
SAW器件目前正广泛进入各类抗干扰、保密等电子系统中,有的已成为系统的基本构成元件,如SAW滤波器、SAW振荡器,有的已成为军用小型化电子系统的关键信号处理器,如SAW直接频率合成器、SAW色散延迟线、SAW抽头延迟线、SAW存储相关器等。随着当前军用、民用电子系统向小型化、高可靠性、抗干扰、保密等方向的进一步发展,SAW器件必将获得 更加广泛的应用。 |