声表面波器件介绍(SAW)

SAW是SURFACE ACOUSTIC WAVE的简称，声表面波器件是利用声表面波对电信号进行模拟处理的器件，其频率范围约在107～109赫。

SAW器件是近代声学中的表面波理论、压电学研究成果和微电子技术有机结合的产物。所谓SAW，是在压电固体材料表面产生和传播、且振幅随深入固体材料的深度增加而迅速减小的弹性波。与沿固体介质内部传播的体声波（BAW）比较，SAW有两个显著特点：一是能量密度高，其中约90%的能量集中于厚度等于一个波长的表面薄层中；二是传播速度慢，约为纵波速度的45%，是横波速度的90%。在多数情况下，SAW的传播速度为3000～5000m/s。根据这两个特性，人们研制出具有不同功能的SAW器件，而且可使这些不同类型的无源器件既薄又轻。

SAW器件主要由具有压电特性的基底材料和在该材料的抛光面上制作的由金属薄膜组成的相互交错的叉指状换能器（IDT）组成。如果在IDT电极两端加入高频电信号，压电材料的表面就会产生机械振动并同时激发出与外加电信号频率相同的表面声波，这种表面声波会沿基板材料表面传播。如果在SAW传播途径上再制作一对IDT电极，则可将SAW检测并使其转换成电信号。IDT叉指状金属电极借助于半导体平面工艺技术可以制作。

图1是一个典型声表面波器件的结构原理图。电信号通过叉指发射换能器转换成声信号（声表面波），在介质中传播一定距离后到达接收叉指换能器，又转换成电信号。在这电—声—电转换传递过程中进行处理加工，从而得到对输入电信号模拟处理的输出电信号。

叉指换能器的金属条电极是铝膜或金膜，通常用蒸发镀膜设备镀膜，并采用光刻方法制出所需图形。叉指电极的条宽约在 100微米（约相应107赫）到1微米（约相应于109赫）。

兼作传声介质和电声换能材料的压电基底材料有：铌酸锂、石英、锗酸铋和钽酸锂等压电单晶；在非压电材料（如玻璃）基底上沉淀的Z轴取向氧化锌薄膜;在低频段还有压电陶瓷。声表面波器件有多种类型，目前已发展到包括SAW滤波器、谐振器、延迟线、相关器、卷积器、移相器和存储器等在内的100余个品种。

声表面波技术的特点：

SAW器件应用范围

SAW器件能实现多种复杂信号处理功能，时间带宽积大，动态范围大，并且具有体积小、重量轻、稳定可靠、易于大批量生产且重复性好、无需调谐、设计灵活性高，并且填补了集中参数电子元件与微波回路工作频段之间的空隙，易于与外电路配合使用等优点，所以在军事系统、民用消费品和商用设备中得到广泛应用，主要有以下几个方面：

·         电视接收机及电视工程；

·         CATV系统；

·         移动和无绳电话系统；

·         光纤通信系统时钟恢复；

·         卫星通信及定位（GPS）系统；

·         扩频通信系统；

·         通信侦察压缩接收机；

·         脉冲压缩雷达系统；

·         电子侦察用信道化接收机；

·         应答式干扰机；

·         导航系统

·         数传系统；

·         识别和定位系统；

·         无钥匙进入和保密警戒系统；

·         遥测遥控系统；

·         计算机时钟。

SAW器件目前正广泛进入各类抗干扰、保密等电子系统中，有的已成为系统的基本构成元件，如SAW滤波器、SAW振荡器，有的已成为军用小型化电子系统的关键信号处理器，如SAW直接频率合成器、SAW色散延迟线、SAW抽头延迟线、SAW存储相关器等。随着当前军用、民用电子系统向小型化、高可靠性、抗干扰、保密等方向的进一步发展，SAW器件必将获得 更加广泛的应用。

SAW应移动通信的要求不断发展

早期的SAW的主要应用领域是电视机为主导的视听类电子产品。移动通信产业的发展使SAW器件的市场主体发生了重大转移。像SAW滤波器这类器件在移动通信中应用得很好，是压电陶瓷滤波器和单片晶体滤波器（MCF）望尘莫及的。

（1）提高工作频率

对SAW器件，当压电基材选定之后，其工作频率则由IDT指条宽度决定。IDT指条愈窄，频率则愈高，二者关系曲线如图3所示。

众所周知，目前0.5μm级的半导体工艺已是较普通的技术，该尺寸的IDT电极条宽能制作出约1500MHz的SAW滤波器。利用0.35μm级的光刻工艺，能制作出2GHz的器件。借助于0.2μm级的精细加工技术，2.5GHz的SAW器件早已实现大批量生产，3GHz的器件开始进入实用化。

（2）微型化、片式化、组合化

SAW器件微型化、片式化和轻便化，是移动通信产品提出的基本要求。SAW器件的IDT电极条宽通常是按照SAW波长的1/4来进行设计的。对于工作在1GHz下的器件，若设SAW的传播速度是4000m/s，波长则仅为4μm（1/4波长是1μm），在0.4mm的距离中能够容纳100条1μm宽的电极。故SAW器件芯片可以做得非常小，便于实现超小型化。

为缩小SAW器件的体积，在其封装型式上已由传统的圆形金属壳封装改为方形或长方形扁平金属或LCC表面贴装款式，并且尺寸不断缩小。图2为SAW滤波器尺寸不断缩小的实物对比。

1998年，日本富士通公司推出的SAW滤波器，尺寸仅为2.5mm×2.0mm×1.2mm。

将不同功能的SAW器件封装在一起的组合型器件，同样是减小PCB面积的一个途径。例如，用于800MHz PDC终端的接收SAW滤波器，就内装两个滤波器，其中一个是810～830MHz低频接收带滤波器，另一个是870～885MHz高频带滤波器，尺寸为3mm×3mm；再如运行于1.9GHz PCS终端60MHz带宽的双频段滤波器，也是组合型的器件。其中一个频段为1850～1885MHz(35MHz)，另一个频段则为1885～1910MHz(25MHz)。这种组合型器件，能提供3dB的插入损耗和45dB的带外衰减。富士通公司开发的能支持模拟和数字两种模式（即双带式）移动电话手机用SAW滤波器，同样是组合型器件。

（3）降低插入损耗

SAW滤波器以往存在的最突出问题是插入损耗大，一般不低于15dB。为满足移动通信系统的要求，人们通过开发高性能的压电材料和改进IDT设计，使器件的插入损耗降低到4dB以下，而且有些产品降至1dB。

在众多压电材料研究成果中，最引人注目的就是日本村田公司发明的ZnO/蓝宝石层状结构基板材料。该公司利用ZnO/蓝宝石基板材料，制造出1.5GHz PDC RF用滤波器，插入损耗降至1.2dB。

（4）宽带化

移动通信系统的更新换代，要求SAW滤波器宽带化。用于AMPS模拟蜂窝电话的第一代IF滤波器通频带宽仅为30kHz，而用于美国IS-95规格CDMA方式的便携电话中第三代器件的通频带宽达1MHz以上。为使SAW滤波器实现宽带化和低损耗化，必须在IDT电极结构设计上不断创新。

传统的横向型SAW滤波器电极基本结构如图4所示。压电基板上面有两个IDT，分别用作输入和输出的激励与检测转换。该结构的优点是设计自由度大，但当要求频带宽/中心频率之比较小和通频带宽/衰减带宽之比较大时，则需要较多的电极条数，难以实现小型化。同时，由于SAW是双向传播的，在输入/输出IDT电极上分别产生1/2的损耗，对降低损耗是不利的。

当采用单方向性的IDT或方向性变换器时，横向型SAW滤波器的损耗可以降低，并可获得比较平坦的延迟特性。

采用梯型结构的谐振式滤波器IDT是按照串联和并联形式连接成梯型若干级联的结构，输入/输出直接实现连接。采用0.4μm以下的精细加工技术，研制的无线局域网LAN用2.5GHz梯型结构谐振式SAW滤波器，带宽达100MHz，特性曲线如图5所示。

GSM接收前端用插入损耗仅为1dB的超低损耗型SAW滤波器，其IDT电极也采用了梯型结构。

在多重模式滤波器中，占主导地位的是一次模式和二重模式SAW（DMS）滤波器。DMS滤波器结构主要有横耦合型和纵耦合型两种类型，如图6所示。不论是哪一种类型的DMS滤波器，两对IDT电极都靠得很近，在它们的两侧都设置了用作阻挡能量外逸的反射器，因而能获得很低的损耗并产生一个高Q值，而且带外衰减量也较大。但是，该结构型式不利于实现宽带化。相比之下，纵向连接的滤波器带宽要比横向耦合型滤波器大一些，因此被广泛用于蜂窝电话和寻呼机的RF滤波。而后者具有陡削的窄带特性，可用于个人数字蜂窝（PDC）和模拟电话的IF滤波。