SAW濾波器基礎(chǔ)——到底什么是SAW？

大家好，我是小木匠，今天學(xué)點(diǎn)什么呢

上周我們一起學(xué)習(xí)了聲波的基礎(chǔ)知識：《聲波和電磁波到底有什么區(qū)別？》，我們在文章中簡單介紹了聲波的原理，頻率，波長以及波速。同時引出了聲表面波濾波器SAW的工作原理。我們簡單再回顧一下：電信號傳輸到換能器IDT上，通過壓電陶瓷的壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)換成聲波信號，然后對聲波進(jìn)行處理，之后通過IDT把聲波信號再轉(zhuǎn)換為電信號進(jìn)行下一步的傳輸。

具體的工作過程如下圖所示。

那么今天我們再詳細(xì)了解一下到底什么是聲表面波SAW？

提到SAW，可能很多人會和SIW混淆。但是這個SAW的含義和SIW是完全不同的。SAW來源于Surface Acoustic Wave的首字母縮寫，這里就是表面聲波，也就是這種聲波是沿著物體表面?zhèn)鞑サ模@個和BAW剛好是一對，BAW：體聲波，我們在之后的文章中再慢慢講述。那么SIW是什么呢？我們在介紹傳輸線基礎(chǔ)知識的時候講到過：《基片集成波導(dǎo)SIW 簡介》，SIW就是基片集成波導(dǎo)：Substrate Intergrated Waveguide，我們以后可能也會講到，這個在毫米波可能會有大的應(yīng)用。

跑題啦，接著講SAW。聲表面波的發(fā)現(xiàn)要晚于電磁波，1885年，英國物理學(xué)家Rayleigh在研究地震波是發(fā)現(xiàn)了一種能量集中在地表傳播的聲波，最開始命名為瑞利波。哈哈，以發(fā)現(xiàn)者的名字命名是對發(fā)現(xiàn)者最大的致敬。這種波的能量集中在物體表面，波速是電磁波的十萬分之一，傳播衰減很小。

但是當(dāng)時受到科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平的限制，并沒有得到廣泛的應(yīng)用。直到1965年，R.M.White 和 F.M.Voltmov利用沉積在石英晶體上的叉指換能器（Interdigital Transducer ，IDT）可以有效地激勵 和檢測 SAW，同時又由于可以用制造半導(dǎo)體的光刻技術(shù)進(jìn)行大批量生產(chǎn)質(zhì)量很好的叉指換能器，使聲表面波得到了廣泛的應(yīng)用，聲表面波技術(shù)從此之后也得到了快速的發(fā)展，各種聲表面波器件先后被設(shè)計和制造出來。這項研究成果被發(fā)表在《一種新型聲表面波聲——電轉(zhuǎn)化器》。這項研究成果使得聲學(xué)和電子學(xué)相互結(jié)合起來，發(fā)展成一門比較新的交叉科學(xué)。

這也就決定了這項學(xué)科的難度，懂聲學(xué)的不一定懂電磁學(xué)，而電磁學(xué)的專家不一定懂聲學(xué)，中間還有個壓電效應(yīng)。印象中寫過關(guān)于壓電效應(yīng)的文章，找不到啦。后面再學(xué)習(xí)。下圖給了一個簡單的壓電效應(yīng)示意圖。

聲表面波，嚴(yán)格來說就是沿著固體表面或者界面?zhèn)鞑サ母鞣N模式的波，是一種彈性波，也是一種機(jī)械波，具有機(jī)械波的所有特征。在理想狀況下，在半無線基片表面存在的波型有：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(jié)構(gòu)的基片存在有樂甫波(Love waves)、西沙瓦波(Sezawa waves)、斯東萊波(Stoneley waves)等。地震波也是一種聲表面波。

聲表面波器件具有重量輕，體積小， 可靠性高，一致性好，設(shè)計靈活以及可以采用微電子加工技術(shù)制造，適合批量生產(chǎn)等優(yōu)點(diǎn)，已被應(yīng)用于移動通訊、廣播電視、無損檢測、識別定位、導(dǎo)航和遙測等眾多領(lǐng) 域。現(xiàn)在 SAW 器件的工作頻率已經(jīng)覆蓋 10MHz～5GHz，是現(xiàn)代信息化產(chǎn)業(yè)不 可或缺的關(guān)鍵元器件。

可能很多朋友會問，聲表面波器件體積是怎么小的？我們知道微波器件的大小和波長有關(guān)，對于很多無源器件來說，很多設(shè)計直接就和波長相關(guān)：1/4波長諧振器等. 電磁波的波長是光速和頻率的比值，當(dāng)然還有相對介電常數(shù)er，這個相對介電常數(shù)對波長的縮小在介質(zhì)波導(dǎo)濾波器上得到了廣泛驗(yàn)證。但是聲波的波長相對于電磁波來說要短的多的多，這是為什么呢？因?yàn)槁暡ㄔ谔囟ňw中的傳播速度是固定的，比如上文中石英玻璃中的那個傳播數(shù)值：5370m/s，聲波的波長等于波速除以頻率，比如頻率是1G時，這個波長就很小了，所以聲波器件能做的很小。但是太小的波長，又要求有較高的工藝精度，就類似于毫米波器件一樣。這可能也限制了SAW器件的頻率應(yīng)用范圍。不過不要緊，有SAW就有BAW，還有FBAR，更有XBAR，我們慢慢一件一件吃透它。

參考文獻(xiàn)：

1，百度百科： 聲表面波