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六十年代末期,声表面波技术才发展起来成为一门新兴科学技术,它是结合了声学和电子学的一门边缘学科。由于声表面波的传播速度比电磁波慢十万倍,并且在它的传播路径上容易取样和进行处理,所以,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。
声表面波技术
声表面波是沿物体表面传播的一种弹性波。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。
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。
1、声表面波器件的结构和原理
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)通过逆压电效应将愉入的电信号转变成声信号,此声信号沿基片表面传播,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待性来完成的。
2、声表面波技术的特点
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。
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。
声表面波传感器
声表面波(surface acoustic wave ,SAW ) 传感器是近年来发展起来的一种新型微声传感器,是一种用声表面波器件作为传感元件,将被测量的信 息通过声表面波器件中声表面波的速度或频率的变化反映出来,并转换成电信号输出的传感器。
声表面波传感器能够测量物理、化学等信息 (如温度 、应力 、气体密度 ) 。由于体积小,声表面波器件被誉为开创了无线 、小型传感器的新 纪元;同时,其与集成电路兼容性强,在模拟数字通信及传感领域获得了广泛的应用。
声表面波传感器能将信号集中于基片表面、工作频率高,具有极高的信息敏感精度,能迅速地将检测到的信息转换为电信号输出,具有实时信息检测的特性;另外 ,声表面波传感器还具有微型化 、集成化 、无源 、低成本、低功耗、直接频率信号输出等优点。
国内目前已经形成了包括声表面波压力传感器、声表面波温度传感器 、声表面波生物基因传感器、声表面波化学气相传感器以及智能传感器等多种类型。
声表面波是一种在固体浅表面进行传播的弹性波,具有多种模式 ,瑞利波是目前应用广泛的一种声表面波。不同类型的声表面波具有不同的特性,利用其制成的传感器可适用于不同场合探测。
1、声表面波传感器的结构类型
声表面波传感器的两种基本构型为延迟线型(delay line)和谐振型(resonator) ,图1所示为延迟线型和谐振型的传感器结构类别 。延迟线 型和谐振型声表面波传感器在结构上均由压电基片、叉指换能器和发射栅 共同构成 。
延迟线型声表面波传感器通过天线接收正弦激励信号,传递至叉指换能器 (interdigital transducer,IDT ) ,正弦信号在压电基片激励出声表面波,实现声波和电信号的转换。声表面波在压电基片上传播经过一段时间延迟到达反射栅 ,反射栅将部分声波反射回来 ,反射的声波又通过 IDT转换为正弦激励信号 ,从而实现电声转换。
谐振型声表面波传感器将 IDT置于2 个全反射的反射栅间。激励的声表面波的频率与谐振器频率相等时,声表面波在反射栅间形成驻波 ,反射栅反射的能量达到。外部激励信号加载在输入IDT上 ,IDT将电信号转换为 声表面波,声表面波沿压电晶体表面向两边传播,经两侧反射栅反射叠加 由输 出 IDT 输 出 ,终实现声/电转换 。
2、声表面波传感器的工作模式
声表面波器件一般使用压电晶体 (例如石英晶体等 )作为媒介,然后通过外加一正电压产生声波,并通过衬底进行传播,然后转换成电信号输出。声表面波传感器中起主导作用的主要是压电效应,其设计时需要考虑多种因素:如相对尺寸、敏感性 、效率等。一般地,无线无源声表面波传感器的信号频率范围从40MHz 到几个GHz。图2 所示为声表面波传感器常见的结构,主要部分包括压电衬底、天线、敏感薄膜 、IDT等 。传感器的敏感层通过改变声表面波的速度来实现频率的变化。
3、声表面波传感器工作原理
无线无源声表面波系统包:发射器、接收器、声表面波器件、通信频道。发射器和接收器组合成收发器或者解读器的单一模块。图3为声表面波系统及其相互关联的基础部件。解读器将功率传送给声表面波器件,该功率可以是收发器输入的连续波,脉冲或者啁啾 。一般地,声表面波器件获得 的功率大小具有一定限制,以降低的发射功率,从而得到相同平均功率的啁啾 。根据各向同性的辐射体,接收的信号一般能通过的辐射功率天线发射。
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