关于声表面波器件介绍

[拼音]：shengbiaomianbo qijian

[外文]：surface acoustic wave device

利用在压电介质中传播的声表面波，对电信号进行模拟信号处理的器件。声表面波在1885年被发现以后，在超声学领域中，对表面缺陷的检测和延迟线的制作等方面，已获得一定程度的应用。但由于产生表面波比较复杂等原因，应用上受到一定限制，1965年，在压电介质表面上，用所谓叉指换能器有效地产生了声表面波。从此迅速地在电子学领域中获得广泛应用，构成一类所谓声表面波器件。

在压电介质（见压电性）中存在的表面波，有时称之为广义瑞利波。与非压电介质不同，这时随着d性表面波的传播，还伴有电场分布的传播，即除机械d性能量之外，电场能量也以表面波速度传播。它也同样集中于表面附近区域，并随深度增加最终趋向于零。此外，在界面另一边的真空中，也有电场传播，并将随到表面距离的增加而逐步减小。图1和图2，分别是用光学法和电探针方法，在y切割z传播的铌酸锂压电晶体表面所观测到的声表面波传播情况。

在压电介质中，由于存在压电耦合，因此表面波的激发和接收，除力学方法外，也可通过压电耦合，用电学方法实现。叉指换能器能有效地激发和接收表面波，因而被广泛采用，一般它有两组相互交叉的电极，每组电极分别用一汇流条引出，作为发射的换能器就接到信号源，作为接收的换能器就接到负载上。叉指换能器和其他表面波器件的结构，通常是采用半导体平面工艺来实现的，如叉指电极就是用蒸发镀膜的方法，将铝或金沉淀在抛光的压电介质基片上，再用光刻方法刻出。一般的声表面波器件的结构如图3所示，在一个压电基片（最常用的有石英、铌酸锂、锗酸铋和压电陶瓷）抛光的一面上，一个作发射的叉指换能器，将电信号变成声信号（声表面波），经过一段在压电介质中的传播，到达接收换能器，声信号再转换成电信号输出。信号在两个叉指换能器上和传播途径中受到处理。

由于声表面波的速度比电磁波的速度约小 5个数量级，因而同电磁波器件相比，声表面波器件的体积和重量要小得多，比如约1000米的电缆所构成的电延迟线，只需用1厘米压电晶体代替；与体声波器件相比，由于声表面波是在表面传播的，所以对信号的提取和处理加工都比较方便和简单；最后，由于此类器件是使用压电晶体作传播介质，与一般非压电的固体介质不同，它的激发、传播和接收是在同一块基底介质上完成的，因此结构就大为简单。由于材料和工艺等因素，声表面波器件的适用频率范围在10%～109Hz。

声表面波器件（见彩图）有多种多样，主要的有以下几种。

（1）延迟线。是一个发射和一个接收的叉指换能器，中间距离为L，这就构成一个延迟线，其延迟时间为L/vs，vs是声表面波传播速度。声表面波延迟线的时延可以达到100μs 以上。如果接收换能器是由一系列到发射换能器不同距离的叉指换能器组所组成，则可以构成抽头延迟线，用它可以构成编码器件。如果将延迟线的接收换能器和发射换能器之间用一放大器连接起来，放大器用于补偿延迟线的插入损失，当整个回路（包括延迟线和放大器）的相位差在某频率上为2π的整数倍时，就可以在该频率上产生振荡，这就构成延迟线振荡器，其频率可以达到吉赫(109Hz)级。

（2）带通滤波器。叉指换能器的每一对指均可认为是一个声激发源，每一对叉指可以通过像改变指长的方法实现幅度加权，不同的指对相对于某一固定点（如接收叉指换能器所在处）具有不同的时延，因而叉指换能器实际上就构成一个横向滤波器，它原则上可以构成具有任意通带形状的带通滤波器。目前应用上最为普及的是电视中频滤波器。用声表面波带通滤波器组合起来可以构成滤波器组。

（3）脉冲压缩滤波器。又称色散延迟线。如果一叉指换能器，其每对指的宽度随不同位置按一定规律(通常是按线性）变化；就可以将一个δ脉冲展宽为按此规律变化的调频宽脉冲。如果此信号经过目标反射回来后，再被一个与发射换能器斜率相反的脉冲压缩滤波器接收时，信号将被压缩成窄脉冲，这样就解决信号探测的距离与分辨率的矛盾，图4所示就是被一对共轭的脉冲压缩滤波器展宽和重新压缩的脉冲信号。

（4）谐振器。叉指换能器在其两边各放置一组由不连续周期结构(如表面沟槽或金属条带)的反射栅阵，用分步反馈原理，使声表面波在反射栅阵的同步频率处接近全部反射，由这样一组反射栅阵可形成一个谐振腔，收发叉指换能器置于腔内，于是构成了声表面波谐振器。与体波晶体谐振器相比，其基频高（可达到吉赫级），并可抗振动。

（5）卷积器。由于声表面波的能量集中于表面几个波长范围内，因此能流密度可以很大，容易产生非线性效应，利用声表面波的非线性效应，两个声信号分别由两个相距一定距离的叉指换能器所产生。在此距离上（通常比声波波长大得多）这两个信号进行相乘并积分，提取出卷积信号，从而实现两个信号的卷积处理。

利用声表面波与物质相互作用，也可构成另一些声表面波器件，如利用声与半导体载流子相互作用，构成的声电卷积器；利用声光相互作用构成的集成光学频谱分析器等，有些已经应用，有些有较好的应用前景。

以声表面波器件为核心，也可以构成信号处理的所谓声表面波系统，如声表面波傅里叶变换器。

声表面波器件，目前已应用于雷达、通信、电视等电子技术领域。

参考书目

1. A. A. Oliner， ed.， Acoustic Surface Waves， Springer-Verlag， Berlin，1978.