[科普中國]-聲表面波

聲表面波（SAW，Surface Acoustic Wave）是沿物體表面?zhèn)鞑サ囊环N彈性波。聲表面波是英國物理學家瑞利（Rayleigh）在19世紀80 年代研究地震波的過程中偶爾發(fā)現(xiàn)的一種能量集中于地表面?zhèn)鞑サ穆暡ā?965年，美國的懷特（R.M.White）和沃爾特默（F.W.Voltmer）發(fā)表題為“一種新型聲表面波聲——電轉化器”的論文，取得了聲表面波技術的關鍵性突破，能在壓電材料表面激勵聲表面波的金屬叉指換能器 IDT的發(fā)明，大大加速了聲表面波技術的發(fā)展，使這門年輕的學科逐步發(fā)展成為一門新興的、聲學和電子學相結合的邊緣學科。

簡介在固體半空間表面存在的一種沿表面?zhèn)鞑?，能量集中于表面附近的彈性波。又稱為表面聲波。

從嚴格意義上說，聲表面波泛指沿表面或界面?zhèn)鞑サ母鞣N模式的波，不同的邊界條件和傳播介質條件可以激發(fā)出不同模式的聲表面波。在半無限基片上存在的聲表面波有瑞利波(Rayleigh waves)、漏波(Leaky SAW)、廣義瑞利波(Generalized Rayleigh waves)、水平剪切波(SH．SAW)、電聲波(B．G waves)、蘭姆波(Lamb waves)等。在層狀結構的基片存在有樂甫波(Love waves)、西沙瓦波(Sezawa waves)、斯東萊波(Stoneley waves)等1。

發(fā)展簡史早在九十多年前，人們就對這種波進行了研究。1885 年，瑞利根據(jù)對地震波的研究，從理論上闡明了在各向同性固體表面上彈性波的特性。但由于當時的科學技術水平所限，這種彈性表面波一直沒有得到實際上的應用。直到六十年代，由于半導體平面工藝以及激光技術的發(fā)展，出現(xiàn)了大量人造壓電材料為聲表面波技術的發(fā)展提供了必要的物質和技術基礎。

作為六十年代末期才發(fā)展起來的一門新興科學技術，它是聲學和電子學相結合的一門邊緣學科。由于聲表面波的傳播速度比電磁波慢十萬倍，而且在它的傳播路徑上容易取樣和進行處理，因此，用聲表面波去模擬電子學的各種功能，能使電子器件實現(xiàn)超小型化和多功能化。同時，由于聲表面波器件在甚高頻和超高頻波段內以十分簡單的方式提供了其它方法不易得到的信號處理功能，因此，聲表面波技術在雷達、通信和電子對抗中得到了廣泛的應用。聲表面波的應用最早是在軍用雷達、廣播、電視領域作頻率穩(wěn)定的濾波器之用。

1949 年，美國貝爾電話實驗室發(fā)現(xiàn)了LiNbO3單晶。1964 年產(chǎn)發(fā)表了激發(fā)彈性表面波平面結構換能器的專利。特別應該指出的是，1965 年，懷特（R . M.white）和沃爾特默（F.W.voltmer ）在應用物理雜志上發(fā)表了題為“一種新型表面波聲－電換能器― 叉指換能器”的論文，從而取得了聲表面波技術的關鍵性突破2。

原理聲表面波器件是在壓電基片上制作兩個聲一電換能器―叉指換能器。所謂叉指換能器，就是在壓電基片表面上形成形狀像兩只手的手指交叉狀的金屬圖案，它的作用是實現(xiàn)聲一電換能。聲表面波器件的工作原理是，基片左端的換能器（輸入換能器）通過逆壓電效應將輸入的電信號轉變成聲信號，此聲信號沿基片表面?zhèn)鞑?，最終由基片右邊的換能器（輸出換能器）將聲信號轉變成電信號輸出。整個聲表面波器件的功能是通過對在壓電基片上傳播的聲信號進行各種處理，并利用聲一電換能器的特性來完成的。

當我們把電壓加載在壓電晶體如石英的電極上，那么由于壓電效應就會在壓電晶體的晶格中形成機械畸變。所謂的聲表面波就是在壓電基片材料表面產(chǎn)生并傳播、并且其振幅隨深入基片材料的深度的增加而迅速減少的彈性波。聲表面波濾波器的基本結構是在具有壓電特性的基片材料拋光面上制作兩個0.1μm厚的鋁膜構成的電極結構即聲電換能器（叉指換能器）。叉指換能器就是采用半導體集成電路的平面工藝，在壓電基片表面蒸鍍一定厚度的鋁膜，再把設計好的兩個IDT的掩膜圖案利用光刻方法沉積在基片表面，分別作為輸入換能器和輸出換能器。聲電轉換器的形狀是指狀電極結構，即手指相互交叉的形式。每兩個這種相互交叉的指狀系統(tǒng)構成一個指間轉換器或者叉指換能器。其工作原理是：輸入換能器將電信號轉換成聲波信號，沿晶體表面?zhèn)鞑?，輸出換能器再將接收到的聲波信號轉換成電信號輸出3。

特點聲表面波濾波器的主要特點是：設計靈活性大、模擬/數(shù)字兼容、群延遲時間偏差和頻率選擇優(yōu)良（可選頻率范圍在10MHz-3GHz）、輸入輸出阻抗誤差小、傳輸損耗小、抗電磁干擾性能好（EMI）、可靠性高、制作的器件體積小、重量輕，而且能夠實現(xiàn)多種復雜的功能。SAW濾波器的特征和優(yōu)點，正適應了現(xiàn)代通信系統(tǒng)設備以及移動通信輕薄短小化和高頻化、數(shù)字化、高性能、高可靠性等方面的要求。SAW的不足之處在于所需基片材料價格較貴，另外對基片的定向、切割、拋光和制造工藝要求較高，受到基片結晶工藝苛刻和制造精度要求較嚴的影響。

第一，聲表面波具有極低的傳播速度和極短的波長，它們各自比相應的電磁波的傳播速度的波長小十萬倍。在VHF 和UHF 頻段內，電磁波器件的尺寸是與波長相比擬的。同理，作為電磁器件的聲學模擬聲表面波器件，它的尺寸也是和信號的聲波波長相比擬的。因此，在同一頻段上，聲表面波器件的尺寸比相應電磁波器件的尺寸減小了很多，重量也隨之大為減輕。例如，用一公里長的微波傳輸線所能得到的延遲，只需用傳輸路徑為1 。m 的聲表面波延遲線即可完成。這表聲表面波技術能實現(xiàn)電子器件的超小型化。

第二，由于聲表面波系沿固體表面?zhèn)鞑?，加上傳播速度極慢，這使得時變信號在給定瞬時可以完全呈現(xiàn)在晶體基片表面上。于是當信號在器件的輸入和輸出端之間行進時，就容易對信號進行取樣和變換。這就給聲表面波器件以極大的靈活性，使它能以非常簡單的方式去．完成其它技術難以完成或完成起來過于繁重的各種功能。比如脈沖信號的壓縮和展寬，編碼和譯碼以及信號的相關和卷積。一個實際例子是1976 年報道的一個長為一英寸的聲表面波卷積器，它具有使兩個任意模擬信號進行卷積的功能，而它所適應的帶寬可達100MHz ，時帶寬積可達一萬。這樣一個卷積器可以代替由幾個快速傅里葉變換（FFT ）鏈作成的數(shù)字卷積器，即實際上可以代替一臺專用卷積計算機。此外，在很多情況下，聲表面波器件的性能還遠遠超過了最好的電磁波器件所能達到的水平。比如，用聲表面波可以作成時間－帶寬乘積大于五千的脈沖壓縮濾波器，在UHF 頻段內可以作成Q 值超過五萬的諧振腔，以及可以作成帶外抑制達70dB 、頻率達1 低Hz 的帶通濾波器。

第三，由于聲表面波器件是在單晶材料上用半導體平面工藝制作的，所以它具有很好的一致性和重復性，易于大量生產(chǎn)，而且當使用某些單晶材料或復合材料時，聲表面波器件具有極高的溫度穩(wěn)定性。

第四，聲表面波器件的抗輻射能力強，動態(tài)范圍很大，可達100dB 。這是因為它利用的是晶體表面的彈性波而不涉及電子的遷移過程。

由子受工藝的限制，聲表面波器件的工作頻率被局限在2-3GHz 以下，另外，由于它采用單晶材料，制作工藝要求精度高、條件苛刻，使一得它的成本較高、價格較貴，這個聲表面波器件的一個缺點1。

應用傳感器開關柜無源無線測溫系統(tǒng)中的聲表面波溫度傳感器，用于電力行業(yè)的變電站開關柜測溫，溫度傳感器是直接安裝在被測物體表面的測溫元件，它負責接收探詢射頻信號，并返回帶溫度信息的射頻信號到讀入器。具體來說，在開關柜中會安裝無源無線溫度在線監(jiān)測系統(tǒng)，這樣一來可實時監(jiān)控開關柜的運行溫度狀況，及時發(fā)現(xiàn)和搜集運行過程中的異常。通過對大量不同廠家、型號、結構、安裝方式的開關柜的溫度數(shù)據(jù)進行對比，可輔助分析不同廠家開關柜質量、不同型號開關柜在不同運行環(huán)境下的運行穩(wěn)定性、不同安裝方式對開關柜運行造成的影響等。

傳感器表面波技術應用了晶體材料的物理特性。晶體的物理特性的改變通過壓電感應原理被自動轉化成了電信號。傳感器的工作原理是將射頻信號發(fā)射到壓電材料的表面，然后將受到溫度影響了的反射波再轉回電信號而獲取溫度數(shù)據(jù)。表面波技術的最大好處是利用了傳感器的被動工作原理-即在非常規(guī)的運行環(huán)境下（高電壓，高電流）實現(xiàn)無線溫度數(shù)據(jù)采集1。

電子標簽利用聲表面波技術的電子標簽始于上世紀80年代末，它是有別于IC芯片識別的另一種新型非接觸自動識別技術，或者，我們可以據(jù)此將RFID分成SAWRFID和IC RFID，需要說明的是，SAW RFID也屬于無芯片電子標簽系統(tǒng)（Chipless）。

如果表面波遇到了機械的或者電的不連續(xù)表面，那么，表面波的一小部分被反射。自由表面與金屬化表面之間的過渡就具有這樣的不連續(xù)性。因此，可以用周期性配置的反射條作為反射器。如果反射周期與半波長相符，則所有反射重疊起來的相位是相同的。因此，對于固有頻率來說，發(fā)射率達到最大值。

SAW無源電子標簽采用反射調制方式完成電子標簽信息向閱讀器的傳送。

SAW標簽是由叉指換能器和若干反射器組成，換能器的兩條總線與電子標簽的天線相連接。閱讀器的天線周期地發(fā)送高頻詢問脈沖，在電子標簽天線的接收范圍內，被接收到的高頻脈沖通過叉指換能器轉變成聲表面波，并在晶體表面?zhèn)鞑?。反射器組對入射表面波部分反射，并返回到叉指換能器，叉指換能器又將反射聲脈沖串轉變成高頻電脈沖串。如果將反射器組按某種特定的規(guī)律設計，使其反射信號表示規(guī)定的編碼信息，那么閱讀器接收到的反射高頻電脈沖串就帶有該物品的特定編碼。通過解調與處理，達到自動識別的目的。

聲表面波電子標簽識別系統(tǒng)的一般做法和ICRFID的一般做法是基本一致的，也就是將聲表面波電子標簽安裝在被識別對象物上，當帶有電子標簽的被識別對象物進入閱讀器的有效閱讀范圍時，閱讀器自動偵測到電子標簽的存在，向電子標簽發(fā)送指令，并接收從電子標簽返回的信息，從而完成對物體的自動識別。 由于聲表面波傳播速度低，有效的反射脈沖串在經(jīng)過幾微秒的延遲時間后才回到閱讀器，在此延遲期間，來自閱讀器周圍的干擾反射已衰減，不會對聲表面波電子標簽的有效信號產(chǎn)生干擾。

由于SAW器件本身工作在射頻波段，無源且抗電磁干擾能力強，因此SAW技術實現(xiàn)的電子標簽具有一定獨特的優(yōu)勢，是對集成電路技術的補充。

其主要特點是：

1)讀取范圍大且可靠，可達數(shù)米；

2)可使用在金屬和液體產(chǎn)品上；

3)標簽芯片與天線匹配簡單，制作工藝成本低；

4)不僅能識別靜止物體，而且能識別速度達300千米/小時的高速運動物體；

5)可在高溫差(-100℃～300℃)、強電磁干擾等惡劣環(huán)境下使用。

SAW電子標簽技術應用領域非常廣泛，包括物流管理、路橋收費、公共交通、門禁控制、防偽、農(nóng)場的健康與安全監(jiān)控識別、超市防盜和收費、航空行李分揀、郵包跟蹤、工廠裝配流水線控制和跟蹤、設備和資產(chǎn)管理、體育競賽等。

SAW標簽也適用于壓力、應力、扭曲、加速度和溫度等參數(shù)變化的測量，如鐵路紅外軸溫探測系統(tǒng)的熱軸定位、軌道衡、超偏載檢測系統(tǒng)、汽車輪胎壓力等1。

展望迄今已經(jīng)研制成功了許多聲表面波器件，如表面波帶通濾波器、延遲線、匹配濾波器、溫度傳感器、振蕩器和表面波卷積器等。由于聲表面波器件具有小型、可靠性高、一致性好、多功能以及設計靈活等優(yōu)點，所以它在雷達、通信、空中交通管制、電子戰(zhàn)爭、微波中繼、聲納以及電視中已經(jīng)或正在得到廣泛的應用。在其應用的智能電網(wǎng)，室外電纜接頭，干式變壓器、箱式變電站、高壓母線接頭等均可運用其原理實現(xiàn)遠程監(jiān)控。

本詞條內容貢獻者為:

石季英 - 副教授 - 天津大學