一文了解什么是声表面波SAW？

大家好,我是小木匠,今天学点什么呢

上周我们一起学习了声波的基础知识:《声波和电磁波到底有什么区别?》,我们在文章中简单介绍了声波的原理,频率,波长以及波速。同时引出了声表面波滤波器SAW的工作原理。我们简单再回顾一下:电信号传输到换能器IDT上,通过压电陶瓷的压电效应转换成声波信号,然后对声波进行处理,之后通过IDT把声波信号再转换为电信号进行下一步的传输。

具体的工作过程如下图所示。

那么今天我们再详细了解一下到底什么是声表面波SAW?

提到SAW,可能很多人会和SIW混淆。但是这个SAW的含义和SIW是完全不同的。SAW来源于Surface Acoustic Wave的首字母缩写,这里就是表面声波,也就是这种声波是沿着物体表面传播的,这个和BAW刚好是一对,BAW:体声波,我们在之后的文章中再慢慢讲述。那么SIW是什么呢?我们在介绍传输线基础知识的时候讲到过:《基片集成波导SIW 简介》,SIW就是基片集成波导:Substrate Intergrated Waveguide,我们以后可能也会讲到,这个在毫米波可能会有大的应用。

跑题啦,接着讲SAW。声表面波的发现要晚于电磁波,1885年,英国物理学家Rayleigh在研究地震波是发现了一种能量集中在地表传播的声波,最开始命名为瑞利波。哈哈,以发现者的名字命名是对发现者最大的致敬。这种波的能量集中在物体表面,波速是电磁波的十万分之一,传播衰减很小。

但是当时受到科学技术发展水平的限制,并没有得到广泛的应用。直到1965年,R．M．White 和 F．M．Voltmov利用沉积在石英晶体上的叉指换能器(Interdigital Transducer ,IDT)可以有效地激励和检测 SAW,同时又由于可以用制造半导体的光刻技术进行大批量生产质量很好的叉指换能器,使声表面波得到了广泛的应用,声表面波技术从此之后也得到了快速的发展,各种声表面波器件先后被设计和制造出来。这项研究成果被发表在《一种新型声表面波声——电转化器》。这项研究成果使得声学和电子学相互结合起来,发展成一门比较新的交叉科学。

这也就决定了这项学科的难度,懂声学的不一定懂电磁学,而电磁学的专家不一定懂声学,中间还有个压电效应。印象中写过关于压电效应的文章,找不到啦。后面再学习。下图给了一个简单的压电效应示意图。

声表面波,严格来说就是沿着固体表面或者界面传播的各种模式的波,是一种弹性波,也是一种机械波,具有机械波的所有特征。在理想状况下,在半无线基片表面存在的波型有: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。地震波也是一种声表面波。

声表面波器件具有重量轻,体积小,可靠性高,一致性好,设计灵活以及可以采用微电子加工技术制造,适合批量生产等优点,已被应用于移动通讯、广播电视、无损检测、识别定位、导航和遥测等众多领域。现在 SAW 器件的工作频率已经覆盖 10MHz～5GHz,是现代信息化产业不可或缺的关键元器件。

可能很多朋友会问,声表面波器件体积是怎么小的?我们知道微波器件的大小和波长有关,对于很多无源器件来说,很多设计直接就和波长相关:1/4波长谐振器等． 电磁波的波长是光速和频率的比值,当然还有相对介电常数er,这个相对介电常数对波长的缩小在介质波导滤波器上得到了广泛验证。但是声波的波长相对于电磁波来说要短的多的多,这是为什么呢?因为声波在特定晶体中的传播速度是固定的,比如上文中石英玻璃中的那个传播数值:5370m/s,声波的波长等于波速除以频率,比如频率是1G时,这个波长就很小了,所以声波器件能做的很小。但是太小的波长,又要求有较高的工艺精度,就类似于毫米波器件一样。这可能也限制了SAW器件的频率应用范围。不过不要紧,有SAW就有BAW,还有FBAR,更有XBAR,我们慢慢一件一件吃透它。

参考文献:

1,百度百科: 声表面波