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摘要：目前广泛使用的滤波器作为电子系统中的关键性器件，滤波器的性能直接影响了整个电子系统的性能。各国的研究工作者致力于提高滤波器的性能和应用范畴。
关键词：声表面波滤波器 叉指换能器 压电材料
1前言
目前广泛使用的滤波器作为电子系统中的关键性器件，滤波器的性能直接影响了整个电子系统的性能。各国的研究工作者致力于提高滤波器的性能和应用范畴。
声表面波(SAW)是英国物理学家 Rayleigh 在对地震波的研究中发现并提出的，是一种沿着固体表面或界面传播的弹性波，存在于一切固体中，包括各向同性和各向异性材料。SAW器件就是利用SAW理论和技术来实现一些特定功能或进行信号处理的器件，广泛用于广播、电视机、通信和导航等领域。Jacques Curie和Pierre Curie在1880年~1881年相继发现了压电效应和逆压电效应，为叉指换能器(InterdigitalTransducer，IDT)的发现奠定了材料和理论基础。20 世纪 60 年代，随着光刻技术的出现和半导体平面工艺水平的发展，SAW 技术在电子领域中的应用研究开始受到重视。声表面波滤波器是一种利用声表面波效应和谐振特性制成的对频率有选择作用的器件。
2基本原理和基本结构
SAW(Surface Acoustic Wave)即声表面波，是一种在压电基片材料表面产生和传播、且振幅随深入基片材料的深度增加而迅速减少的弹性波。某些材料沿一定方向受机械力作用而发生变形(包括压缩和拉伸2种状态)，其内部会产生极化现象，并使材料相对的2个表面产生等量异号电荷。施加的外力越大，产生的电荷量也越多；当外力消失后，材料又恢复到起始不带电的状态；将这种现象称为正压电效应。如果给同样的材料施加电场，这些材料将会发生机械形变；外加电场消失后，材料的形变也随之消失；如果对材料施加交变电场，将会发生机械振动；这种现象称作逆压电效应。将具有正、逆压电效应的材料称作压电材料。
声表面波滤波器是利用石英、钽酸锂（LiTaO3）或者铌酸锂（LiNbO3）晶体具有压电效应的性质制作而成的。一个SAW滤波器的基本结构，是在压电基片上制作两个叉指换能器(IDT)。这个是由多个金属指条连接在汇流条上组成，一个为输入换能器，一个为输出换能器。当输入换能器上加载电信号，压电基片材料产生逆压电效应，将电信号转换为声信号，在基片表面传播，也就是我们所说的声表面波；当声表面波到达输出换能器，压电效应使得声信号转换为电信号输出，设定不同的指条宽度，决定了所对应的那个频段激励最强，这也就实现了频率的选择，再对输入输出换能器进行加权设计，也就是设计包络形状，实现了不同的频率响应，也是滤波器特性。
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声表面波叉指换能器(Interdigital Transducer, IDT)是由制作在压电材料基片上的形如人的手指交叉状的金属图案所构成，电极(又叫指条)之间周期性的交错排列，被广泛的用来激发和检测声表面波的电-声换能器(声-电换能器)，通常换能器的性能由换能器的基片材料特性，金属叉指材料特性和换能器的结构决定，叉指换能器中结构参数包含：指条宽度、指条间隔、指条重叠长度（孔径）、指条周期、指条对数。声表面波滤波器的滤波特性与叉指换能器的结构参数密切相关。工作频率取决于叉指电极排列周期 L，L 越短工作频率越高，同时，工作频率带宽取决于换能器中叉指电极对数目，指条数目越多频率窄。
3 SAW滤波器的优点与不足
声表面波器件的特点有：
（1）频率选择性好、频带宽、工作频率高，声表面波滤波器的工作频率在10M～3GHz之间，相对带宽0.02%～70%，适用范围广泛。
（2）由于器件的幅度相位可分别独立设计，使得器件的设计非常灵活方便，能实现多种信号处理，模拟/数字兼容。
（3）声表面波器件制作工艺采用目前成熟的半导体工艺，适于大批量生产，性价比高。
（4）声表面波滤波器的能量转换是通过晶体表面的声波实现的，不涉及电子的迁移过程，因此，声表面波滤波器的输入输出阻抗误差小、传输损耗小、抗电磁干扰(Electro Magnetic Interference ，EMI)能力强，稳定性好，可靠性高。
（5）尺寸小、质量轻，声表面波器件比电磁波器件相比，体积小和重量轻（其体积、质量分别是陶瓷介质滤波器的 1/40 和 1/30 左右）。
SAW滤波器的不足
制作 SAW 滤波器所需基片材料价格稍显昂贵，并且针对基片的定向、切割、研磨、抛光等制作工艺要求较高，数字化和小型化的趋势对 SAW 滤波器要求越来越高。声表面波在其他方向存在泄露，造成能量损失，影响器件的插入损耗。
4基于压电材料的改进
压电材料是SAW滤波器的基础组成部分，找到一种适宜用作器件基片的压电材料是该领域研究的一个重要方向。每种可用作SAW器件基片的压电材料在不同的取向下都有不同的特性。SAW基片材料需要考虑的重要参数有:声速、机电耦合系数、温度效应、衍射、衰减，以及产生的无用体波大小。研究发现：有些压电晶体的SAW传播特性非常理想,甚至在频率达到1000MHz时其传播特性都很好。
SAW滤波器的压电材料，一种为压电基体型结构，基底是压电材料，为压电单晶或压电陶瓷，然后在此压电基地上光刻沉积叉指交换器和反射栅形成SAW滤波器。四川大学在专利(公开号CN86210346U)一种高阻抗声表面波彩色电视机中频滤波器，由基片及淀积在基片上的叉指换能器构成，采用LiNbO3单晶作为基片材料，与日本LiTaO3高阻抗电视中频滤波器比较，特性曲线好，电压增益高，波纹峰峰值小，群延时波动小，用来替代LiTaO3基片，将节约成本一半。
此方法成本高且难以制成很薄的膜。为了降低成本，使得产品集成程度高，采用压电薄膜型，在需要的基底上沉积压电薄膜材料，然后在此压电薄膜上光刻沉积叉指交换器和反射栅形成SAW滤波器。株式会社村田制作所在专利(公开号CN1212504 A)一种具有镧镓硅氧化物单晶基片的声表面波器件，由镧镓硅氧化物单晶制成的压电基片，设置在压电基片上的压电薄膜，以便覆盖叉指式换能器，使得声表面波器件具有极好的TCD和较大的K2值。
压电材料的发展，促使SAW滤波器技术得到进一步发展，其性能也不断提高。中国电子科技集团公司第二十六研究所所发明的一种ZnO薄膜材料、声表面波滤波器复合材料及制备方法(专利公开号CN104451545A)，在ZnO薄膜中掺杂有锂和钒，构成LixVyZn（1-x-y）O压电薄膜，声表面波滤波器采用复合薄膜材料，降低了插入损耗。
5总结
本文对声表面波滤波器技术的原理、结构进行了分析和总结，又对声表面波滤波器领域今后的发展前景进行了前瞻。我国已将集成电路领域作为重点发展领域，必定加大科研投资，掌握核心科技，各种新型的小型化、高集成度、高性能的声表面波滤波器技术将潜力无限，该领域中专利技术的保护也将被更加重视，市场竞争也会越来越激烈。
参考文献
[1]常伯乐 等.浅谈声表面波滤波器技术的最新进展；中国发明与专利[J]. 2015:56-59.
论文作者:郝强,党兴
论文发表刊物:《防护工程》2018年第26期
论文发表时间:2018/12/19
标签：表面波论文; 滤波器论文; 材料论文; 压电效应论文; 器件论文; 换能器论文; 频率论文; 《防护工程》2018年第26期论文;