声表面波器件及其应用

    声表面波( Surface Acoustic Wave, SAW) 技术是 20 世纪 60 年代发展起来的一门新兴技术,它是声学和电子学相结合的产物。1885 年, 英国科学家瑞利的“沿弹性体平滑表面传播的波”一文, 开始对声表面波进行研究。但直到 20 世纪 60 年代, 随着半导体技术以及激光技术的发展, 出现了大量的人造单晶, 才为声表面波技术的发展提供了必要的物质和技术基础, 从那时起对于声表面波及其器件的研究才广泛开展起来, 并开辟了广阔的应用领域。

    1 声表面波器件的原理和特点

    声表面波是一种只能在固体表面传播的弹性声波, 其能量大部分集中在表面以下深度约为几个波长的范围内。它具有很多特点: 声表面波的传播速度比电磁波慢 1×10^-5万倍, 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, 能够使电子器件实现超小型化和多功能化。声表面波器件在甚高频和超高频波段内还以十分简单的方式提供了用其他方法不易得到的信号处理功能, 因此声表面波器件在雷达、通信和电子对抗中得到了广泛的应用。

    叉指换能器( Interdigital Transducer, IDT) 的设计是声表面波器件设计的关键, 下面以声表面波滤波器为例进行说明。声表面波滤波器的基本结构是在具有压电特性的压电基片材料抛光面上制作两个叉指换能器, 它采用半导体集成电路平面工艺, 在压电基片的表面蒸镀一定厚度的铝膜, 把设计好的两个叉指换能器的掩膜图案利用光刻方法沉积在基片表面, 分别作为输入换能器和输出换能器。叉指换能器的工作原理是: 当基体左端的换能器( 输入换能器) 的两个端子加上时变电压激励时, 在电介质内产生时变电场, 由于基体是压电介质, 这个时变电场通过压电效应在基体内激发相应的弹性声场, 就把输入的电信号转变成声信号, 形成沿基体表面传播的声表面波, 然后基体右端的换能器( 输出换能器) 后又将到达的声信号转变为电信号输出。换能器构造见图 1。

    整个声表面波器件的功能就是通过对压电基体上传播的声信号进行处理, 并利用声—电换能的特性来完成的。当压电基体中传播的声表面波的频率等于叉指换能器的中心频率时, 在输出换能器上获得的响应最强, 而声表面波的频率远离换能器中心频率时, 获得的响应就弱。根据这个原理就可以得到声表面波滤波器, 而适当地改变叉指换能器上电极条的间隔、数目、长度以及形状等, 就能够得到不同的传输特性。

    声表面波器件具有如下一些特点:

    ( 1) 体积小、重量轻。声表面波具有很低的传播速度以及很短的波长, 比相应的电磁波的速度或波长小约 5 个数量级。在用声表面波器件来模拟电磁器件的功能时, 可以使设备的体积缩小, 重量减轻, 而且还可以使其性能大大改善, 所以声表面波技术的出现可以使很多电子器件及其系统实现超小型化。