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声表面波(SAW,Surface Acoustic Wave)是沿物体表面传播的一种弹性波。声表面波是英国物理学家瑞利(Rayleigh)在19世纪80 年代研究地震波的过程中偶尔发现的一种能量集中于地表面传播的声波。1965年,美国的怀特(R.M.White)和沃尔特默(F.W.Voltmer)发表题为“一种新型声表面波声——电转化器”的论文,取得了声表面波技术的关键性突破,能在压电材料表面激励声表面波的金属叉指换能器 IDT的发明,大大加速了声表面波技术的发展,使这门年轻的学科逐步发展成为一门新兴的、声学和电子学相结合的边缘学科。

简介

声表面波在固体半空间表面存在的一种沿表面传播,能量集中于表面附近的弹性波。 又称为表面声波。
从严格意义上说,声表面波泛指沿表面或界面传播的各种模式的波,不同的边界条件和传播介质条件可以激发出不同模式的声表面波。在半无限基片上存在的声表面波有瑞利波(Rayleigh waves)、漏波(Leaky SAW)、广义瑞利波(Generalized Rayleigh waves)、水平剪切波(SH.SAW)、电声波(B.G waves)、兰姆波(Lamb waves)等。在层状结构的基片存在有乐甫波(Love waves)、西沙瓦波(Sezawa waves)、斯东莱波(Stoneley waves)等。
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。
作为六十年代末期才发展起来的一门新兴科学技术,它是声学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。声表面波的应用最早是在军用雷达、广播、电视领域作频率稳定的滤波器之用。
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。

特点

声表面波滤波器的主要特点是:设计灵活性大、模拟/数字兼容、群延迟时间偏差和频率选择优良(可选频率范围在10MHz-3GHz)、输入输出阻抗误差小、传输损耗小、抗电磁干扰性能号(EMI)、可靠性高、制作的器件体积小、重量轻,而且能够实现多种复杂的功能。SAW滤波器的特征和优点,正适应了现代通信系统设备以及移动通信轻薄短小化和高频化、数字化、高性能、高可靠性等方面的要求。SAW的不足之处在于所需基片材料价格较贵,另外对基片的定向、切割、抛光和制造工艺要求较高,受到基片结晶工艺苛刻和制造精度要求较严的影响。
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。在VHF 和UHF 频段内,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输线所能得到的延迟,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。
第二,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。
第三,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。
第四,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。
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,这个声表面波器件的一个缺点

传感器

赛康科技出厂的开关柜无源无线测温系统中的 声表面波温度传感器,用于电力行业的变电站开关柜测温,温度传感器是直接安装在被测物体表面的测温元件,它负责接收探询射频信号,并返回带温度信息的射频信号到读入器。

原理

传感器表面波技术应用了晶体材料的物理特性。晶体的物理特性的改变通过压电感应原理被自动转化成了电信号。传感器的工作原理是将射频信号发射到压电材料的表面,然后将受到温度影响了的反射波再转回电信号而获取温度数据。表面波技术的最大好处是利用了传感器的被动工作原理-即在非常规的运行环境下(高电压,高电流)实现无线温度数据采集。
声表面波器件相关的工艺原理可以参考以下文献:

识别

利用声表面波技术的电子标签始于上世纪80年代末,它是有别于IC芯片识别的另一种新型非接触自动识别技术,或者,我们可以据此将RFID分成SAWRFID和IC RFID,需要说明的是,SAW RFID也属于无芯片电子标签系统(Chipless)。
如果表面波遇到了机械的或者电的不连续表面,那么,表面波的一小部分被反射。自由表面与金属化表面之间的过渡就具有这样的不连续性。因此,可以用周期性配置的反射条作为反射器。如果反射周期与半波长相符,则所有反射重叠起来的相位是相同的。因此,对于固有频率来说,发射率达到最大值。
SAW无源电子标签采用反射调制方式完成电子标签信息向阅读器的传送。
SAW标签是由叉指换能器和若干反射器组成,换能器的两条总线与电子标签的天线相连接。阅读器的天线周期地发送高频询问脉冲,在电子标签天线的接收范围内,被接收到的高频脉冲通过叉指换能器转变成声表面波,并在晶体表面传播。反射器组对入射表面波部分反射,并返回到叉指换能器,叉指换能器又将反射声脉冲串转变成高频电脉冲串。如果将反射器组按某种特定的规律设计,使其反射信号表示规定的编码信息,那么阅读器接收到的反射高频电脉冲串就带有该物品的特定编码。通过解调与处理,达到自动识别的目的。
声表面波电子标签识别系统的一般做法和ICRFID的一般做法是基本一致的,也就是将声表面波电子标签安装在被识别对象物上,当带有电子标签的被识别对象物进入阅读器的有效阅读范围时,阅读器自动侦测到电子标签的存在,向电子标签发送指令,并接收从电子标签返回的信息,从而完成对物体的自动识别。 由于声表面波传播速度低,有效的反射脉冲串在经过几微秒的延迟时间后才回到阅读器,在此延迟期间,来自阅读器周围的干扰反射已衰减,不会对声表面波电子标签的有效信号产生干扰。 由于SAW器件本身工作在射频波段,无源且抗电磁干扰能力强,因此SAW技术实现的电子标签具有一定独特的优势,是对集成电路技术的补充。
其主要特点是:
1)读取范围大且可靠,可达数米;
2)可使用在金属和液体产品上;
3)标签芯片与天线匹配简单,制作工艺成本低;
4)不仅能识别静止物体,而且能识别速度达300千米/小时的高速运动物体;
5)可在高温差(-100℃~300℃)、强电磁干扰等恶劣环境下使用。
SAW电子标签技术应用领域非常广泛,包括物流管理、路桥收费、公共交通、门禁控制、防伪、农场的健康与安全监控识别、超市防盗和收费、航空行李分拣、邮包跟踪、工厂装配流水线控制和跟踪、设备和资产管理、体育竞赛等。
SAW标签也适用于压力、应力、扭曲、加速度和温度等参数变化的测量,如铁路红外轴温探测系统的热轴定位、轨道衡、超偏载检测系统、汽车轮胎压力等。

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,并利用声一电换能器的特性来完成的。
当我们把电压加载在压电晶体如石英的电极上,那么由于压电效应就会在压电晶体的晶格中形成机械畸变。所谓的声表面波就是在压电基片材料表面产生并传播、并且其振幅随深入基片材料的深度的增加而迅速减少的弹性波。声表面波滤波器的基本结构是在具有压电特性的基片材料抛光面上制作两个0.1μm厚的铝膜构成的电极结构即声电换能器(叉指换能器)。叉指换能器就是采用半导体集成电路的平面工艺,在压电基片表面蒸镀一定厚度的铝膜,再把设计好的两个IDT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。声电转换器的形状是指状电极结构,即手指相互交叉的形式(如图1所示)。每两个这种相互交叉的指状系统构成一个指间转换器或者叉指换能器。其工作原理是:输入换能器将电信号转换成声波信号,沿晶体表面传播,输出换能器再将接收到的声波信号转换成电信号输出。

应用

迄今已经研制成功了许多声表面波器件,如表面波带通滤波器、延迟线匹配滤波器温度传感器、振荡器和表面波卷积器等:由于声表面波器件具有小型、可靠性高、一致性好、多功能以及设计灵活等优点,所以它在雷达、通信、空中交通管制、电子战f 微波中继、声纳以及电视中已经或正在得到广泛的应用。