高频声表面波滤波器的纳米压印技术制备的研究（可编辑） .doc

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1、高频声表面波滤波器的纳米压印技术制备的研究 华中科技大学硕士学位论文高频声表面波滤波器的纳米压印技术制备研究姓名:张晓庆申请学位级别:硕士专业:物理电子学指导教师:徐智谋2011-01-041华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 摘 要 随着通信系统向高频率和高比特速率的发展,对声表面波(SAW)器件的频率要求也越高,GHz 范围的高频 SAW器件研究是目前的热点。 SAW器件向高频化发展,主要由两方面决定:一是器件的叉指换能器线条向更微细化方向发展,二是器件材料的 SAW声速向更高方向发展。器件线条的微细化可以直接提高器件的工作频率,利用纳米压印技术可以实现低成本的,纳米级微细线条

2、的制备。本论文研究基于纳米压印技术的高频声表面波滤波器的制备。 介绍了声表面波技术背景,概述了叉指换能器、声表面波滤波器的基本理论,并详细推导了叉指换能器的模型和等效电路。阐述了带通声表面波滤波器的主要设计方法,比较了各种窗口函数加权减低旁瓣的效果,选用汉明窗加权的变迹叉指换能器,设计出了中心频率为 100MHz,带宽 10MHz 的 SAW带通滤波器,并用 MATLAB仿真了其频响。 利用纳米压印技术对声表面波滤波器进行制备,获得了高频声表面波滤波器的制备工艺流程。实验获得了叉指电极的线条宽度为 350nm,厚度 30nm 和 200nm 的刻蚀结果,刻蚀的结果用场扫面电子显微镜(SEM)观

3、测,表面平滑,线条完好,没有发生连指断指等情况,取得了比较好的效果。为下一步研制出高频 SAW滤波器器件打下了基础。关键词:声表面波滤波器叉指换能器纳米压印 I 2华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 Abstract As the result of development to be high-frequency and high-bit-rate, the communication system requires higher and higher frequency of SAWsurface acoustic wave devicesTherefore, SAW devi

4、ces of GHz high frequency have become the current hot spots in studyTo increasing the frequency of SAW devices, there are two directions: first, make the interdigital transducer finger more detailed, the second is to looking for substrate materials with a higher SAW velocity. Reducing the interdigit

5、al transducer finger width can increase the operating frequency of SAW devices, and using nano-imprint technology can obtain low-cost, nano-level fine lines. In this study, we discuss using nano-imprint technology to prepare high-frequency SAW filter This thesis introduced the background of Surface

6、Acoustic Wave Technology, outlined the basic theory of interdigital transducerIDT and surface acoustic wave filter, and detailed deduced the model and equivalent circuit model of interdigital transducerExplained the main design methods of the horizontal surface acoustic wave bandpass filter, compare

7、d the weighted window function to reduce the side lobe effect, compared the result which using different window function weighted interdigital transducer to reduce the side lobe; use Hamming window weighted apodized interdigital transducer, designed the SAW bandpass filter with center frequency of 1

8、00MHz, 10MHz Bandwidth, its frequency response was simulated by MATLABDescribe the process of using nanoimprint technology prepared high-frequency SAW filter. The experiments get the etching results of interdigital electrodes with the width line of 350nm and the thickness is 30nm. Results was use SE

9、M observation, the surface is smooth, the line is intact, no means and severed fingers, and achieved fairly good results. This result indicated that using the nano-imprint technologies prepare high frequency SAW filter is possible. The study here will provide a base for future prepared high frequenc

10、y SAW devicesKey words: Surface Acoustic WaveSAW filterInterdigital Transducer IDT Nano-imprintII3独创性声明本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知,除文中已经标明引用的内容外,本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体,均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名: 日期: 年 月 日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定,即:

11、学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版,允许论文被查阅和借阅。本人授权华中科技大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索,可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 保密,在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密。 (请在以上方框内打“”)学位论文作者签名: 指导教师签名: 日期: 年 月 日 日期: 年 月 日4华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 绪论 1.1 声表面波技术简介 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,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。 声表面波又称瑞利波是由

12、英国物理学家瑞利于 1885年提出的,它不同于纵波和横波,是沿着物体表面传播,能量主要集中在物体表面的一种波,因此叫做声表面波1(Surface acoustic wave, 简称 SAW) 。此后经过一个世纪,怀特等人于 1965年发现了可以检测声表面波的器件叉指换能器,他们通过在具有压电效应的基片上沉积金属2电极制备出叉指换能器,并用它来激励和检测声表面波 。因此利用半导体制造工艺中的光刻技术,就可以制备出这样的叉指电极,而且精度很高。叉指换能器的高效声电-电声转换特性使得声表面波研究和开发迅速成为热点,美国 IEEE 超声会议于 1967 年成立了声表面波分组会,伦敦大学也有人提出了把声

13、表面波器件作为无源器件应用于3电子技术的倡议 ,对于微波电磁器件的声学性能模拟也迅速被提出,从此声表面波开4-7始了世界范围内的快速发展 。由于叉指换能器能够实现的能量在电和声之间转换,因此声表面波领域是声学和电子学的有机结合,在交叉领域共同研究声表面波也由此兴起。 在世界范围内声表面波器件的应用已经相当成熟,出现了很多的声表面波产品如表面波卷积器、声表面波带通滤波器、延迟线等。由于声表面波器件具有可靠性高、无源、小型化、功能多和设计灵活等优点,被广泛应用于其他许多科学领域,如地震8-11学、天文学、雷达通信、广播电视中的信号处理、航空航天、石油勘探和无损检测等 。 1.2 课题的背景和意义

14、声表面波滤波器是一种利用声表面波的波动效应和谐振特性制成的对频率有选择作用的器件。广泛应用于电视、VCD、移动电话、基站、无线局域网等。随着我国第三代移动通信技术和产品的日趋成熟,高端声表面波器件应用将越来越广泛。SAW器件是组成手机射频(RF)滤波器的重要器件,平均每部手机对 RF SAW滤波器的需求量约为 4-8 只。据信息产业部估计,我国 2007 生产的手机约为 5 亿部,占全球总产15华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 量的 40%以上,照此计算,国内仅手机行业对 RF SAW 每年的需求就超过 20 亿只,价值约人民币 50亿元左右。国内在声表面波器件的研究开发方面虽然

15、已经有多年积累,目前以中电科技集团公司德清华莹电子公司在 SAW 生产设备方面昀为先进,但其 RF滤波器产能还很小,并且主要局限在 900MHz 频段,受技术及工艺所限,基本未能打开市场。因此国内目前在手机射频(RF)滤波器方面,仍然几乎完全依赖进口。 本课题拟将先进的纳米压印技术引入声表面波器件的制作中。目标一是拓展 SAW器件的频率应用范围,二是提高高频 SAW 器件的性能。本课题的开展将使我国在 RF SAW滤波器的研究开发向前迈进一大步,并为我国 RF SAW滤波器的国产化打下一个坚实的基础。该技术还具有一定的超前和创新意义,它可以实现 RF SAW滤波器的国产化,并将为中国民族产业今

16、后多年在 RF声表面波器件进一步发展积累技术,抢占制高点。 目前手机应用的昀高频率已经达到 2.4GHz,有的便携式移动终端所采用的频段已经达到 4.5GHz,随着人们对无线技术的不断开发利用,新的频段开放,如 5.8GHz、6.5GHz 只是时间问题。越到后来,采用纳米加工工艺制造高频 SAW 器件的优势就越明显。更为重要的是,通过采用锥形叉指换能器和单相单向换能(SPUDT)结构有可能改进 SAW滤波器的矩形系数,从而提高频率资源的利用率,并进一步推动无线通信技术更多更广的应用,所可能带来的直接和间接经济效益难以用数字估量。中国是一个人口大国,提高频率资源的利用率尤为重要,若干年后任何一点

17、频率资源都有可能创造出一个大的产业,推动国民经济的持续发展。 1.3 声表面波滤波器研究现状 声表面波滤波器(SAWF)是一种利用声表面波(SAW)效应和谐振特性制成的11频率选择器件 。SAWF 具有体积小、重量轻、能对信号实时处理、模拟/数字兼容、抗电磁干扰性能好、损耗低、可无源工作和频率选择性好等特点。SAWF 自声表面波技术 20世纪 60年代实用化以来已发展了四代产品,它们是:第一代,高损耗 SAWF;第二代,单相单向换能器(SPUDT)型 SAWF;第三代,射频低损耗 SAWF;第四代,宽带低损耗 SAWF。这些 SAWF 都已广泛应用于雷达、军用通讯系统、敌我识别、电子对抗、测距

18、、定位、导航、遥测遥控等军事装备领域以及广播、电视、VCD、录音、26华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 录像、仪器仪表、移动电话、无绳电话等民用领域。随着移动通讯的不断发展,新兴的技术应用对 SAWF 提出了越来越高的要求,当今世界范围内 SAWF 的发展趋势是: 1 小型化,目前日本东芝公司推出的 SAWF,尺寸仅为 2.5mm2mm2mm,重7mg; 2 高频化,RF类 SAWF 是世界通讯市场大量和急需的滤波器产品; 3 高性能化,要求插入损耗尽可能低; 4 片状化,表面贴装(SMD)的 SAWF是近年来声表面波技术发展的热点; 5 低价格,需要采用半导体平面工艺进行规模生

19、产。正是基于 SAW 技术以上几个方面的发展趋势,近年来的新材料,新工艺以及新的设计理念都不断出现,从而极大的促进了该产业的发展。 日本是 SAW滤波器的生产和研究的主要国家,日本富士通、三洋、丰田等几家公司垄断了世界上绝大部分 SAW滤波器的市场,其中富士通公司控制了移动电话用小型12射频RFSAW 滤波器全球市场的 40%的份额 。另外,美国在 SAW 滤波器的研制方面也占据着技术上的领先优势,以 Agilent公司和 TriQuint 公司为代表。 中国的 SAW 研究始于 1972 年,四川压电与声光技术研究所、南京大学以及中科院声学所是中国 SAW方面的三家主要科研机构。在 1972

20、年以来的大约 30年间,中国SAW技术的研制和开发主要是围绕军用产品展开的,同时目前国内电视用 SAW IF 滤波器的生产已基本能满足国内 TV 生产企业的需要。 随着信息技术和通信系统向高频率和高比特速率的发展,对高频 SAW 器件的需求越来也大,同时对频率要求越来越高,GHz 范围的高频 SAW 器件的研究是目前的13热点 。而向高频发展,有两方面决定:一是器件的 IDT线条更微细化,二是寻找更高声速的 SAW器件材料。由于声表面波器件的频率取决于这两点,而 SAW器件指条宽度取决于当下的微细加工工艺,目前普遍认为利用现有的半导体工艺制备的声表面波器件频率难以突破 GHz 器件对工艺的要求

21、,因此都致力于寻求高声速的声表面波材料。例如用传统的 SAW材料,如铌酸锂(LiNbO ),石英(SiO )等,声速约于 4000m/s,3 2利用这些材料制作 2.5GHz 的 SAW器件,IDT电极宽度约为 0.4m,已经逼近目前半导体工业技术水平极限,而且器件的成品率也很低,想要进一步提高频率很困难。金37华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 刚石是声传播速度昀快的材料之一,它的声速可以达到 10000m/s,用它制作 2.5GHz的高频 SAW器件,其叉指电极宽度为 1m,这使得在现有工艺上提高 SAW器件的频率能够实现。因此,金刚石材料成为制作高频 SAW 器件的理想材料之

22、一,研究适用14-21于声表面波器件的金刚石材料成为目前世界上重要的研究焦点 。 压电薄膜材料也是一个研究热点,目前国外的主要集中在晶粒均匀、低缺陷密度的金刚石膜片上。研究较多的是压电薄膜材料,如氧化锌(ZnO),硫酸铬(CdS)等。利用压电薄膜驱动非压电材料制作的器件已经达到实用化阶段。日本和美国借助其技术上的领先优势,已经制作出了中心频率在 5-10GHz 的金刚石薄膜滤波高频器件。美22国昀近将在高速公路无线收费系统中使用频率 5.8GHz 的金刚石薄膜滤波器 。 日本学者早在 2000 年就制备出了 5GHz 和 l0GHz 的高频器件,利用的是23SiO2/IDT/Zn0/dianm

23、ond/Si 结构 。随后在对金刚石膜进行优化进而提高器件性能上 Uemura 等人于 2002 年采用小晶粒的多晶金刚石膜,利用的也是金刚石和氧化锌薄膜24-25结构,制备出中心频率从 2.488 GHz 到 5 GHz 的高频器件 。 国内主要是利用单晶 LiNbO 、钽酸锂(LiTaO )晶体设计和制备 SAW 滤波器,3 3制备出的器件昀高频率可以达到 1.2GHz, “ZnO/金刚石”、“LiNbO /金刚石”多层薄膜体3系的 SAW 器件的研究刚刚开始。目前我国 SAW 器件的综合设计水平已与国外相当,22但压电薄膜/Diamond 复合膜结构研制与国外相比还有较大差距 。 而对于

24、从工艺方面改善声表面波器件的性能,由于对于工艺要求很高,以及材料本身特性等条件限制,目前普遍认为其已达到半导体业的极限,国内外主要研究用电子束直写技术、远紫外投影光刻技术、X 射线光刻技术等进一步减小叉指换能器的指条宽度。 模拟设计方面,国外的研究比较成熟,主要集中在 SPUDT结构的研究上,采用倾斜结构的 SPUDT 是实现高频的性能的滤波器是研究的热点。而国内这方面的研究较少,国内主要集中在 COM 模型和 ANSYS模型的模拟研究。 1.4 纳米压印技术制作 SAW 滤波器的现状 纳米压印技术Nano-imprint Lithography是由 /.u 提出。当时周郁教授认为高分辨率光刻

25、难以实现 50nm图形的制备,其原因是主要受到了传统光刻技术中光48华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 学衍射和散射干涉的限制。于是在 1995 年采用热压印技术实现了 25nm 图形的制备,两年后把线宽尺寸降低到 6nm。目前压印图形昀小尺寸是 5nm。 由于纳米压印光刻具有其它光刻技术不可比拟的众多优点,它已被 2003年的国际半导体蓝图列入制作 35nm 节点的下一代光刻技术之一。而纳米压印在制备线宽小于100nm 的半导体器件有着非常明显的优势,主要体现在大规模低成本的生产。纳米压印不仅可以作为传统光学光刻技术的替代技术,在除了大规模集成电路外有着广泛的用途。纳米压印可以制

26、备亚波长量级高密度光栅和光子晶体等。该技术广泛用于纳米电子器件、纳米光学器件、纳米光电器件以及生物微流体器件等纳米光电器件的制造。 对 GHz 频率的声表面波滤波器的研制所需的极细指条宽度,国内主要的技术途径有采用远紫外光投影光刻技术、采用 X 线光刻技术及采用电子束直写光刻技术。目前SAW器件的实用化昀高应用频率在 2-3GHz,引入纳米压印技术后,可望将其扩展到8GHz,甚至更高。过去主要应用半导体集成电路的传统工艺加工表面波器件,对应于23GHz 的频率,光刻的加工精度要求关键尺寸(CD)大约在 0.2-0.4m。虽然昀新的半导体加工工艺已达 0.1m 左右,但因频率精度要求的原因,SA

27、W 滤波器要求的0.1m 和一般集成电路的 0.1m 并不完全一样。一般集成电路中,对线条宽度的精度要求不高,线条之间也没有很严格的相对定位要求。换句话说表面波器件的制造,对CD控制的要求实际上更高。 由于纳米压印光刻是通过压印使光刻胶变形,而不是通过曝光改变光刻胶的化学结构,因此其分辨率不受光的衍射、散射、光刻胶内部光干涉、衬底反射等因素的限26-28制,可突破传统光刻工艺的分辨率极限 ;其次,纳米压印光刻不需要复杂的透镜、曝光光源,并且可以大批量重复均匀地在大面积上制备纳米图形结构,因此该技术具有低制作成本和高生产效率的优点。由于 SAW器件只需要单层加工,将纳米压印技术29,30应用到

28、SAW器件的研究开发上是完全可行的 。 将纳米压印技术应用于 SAW器件的生产可带来三个好处: 设备价格便宜; 采用纳米压印技术可开发 6GHz以上的 SAW产品; 纳米压印技术与平面印刷技术相似,成本低重复性好,可连续化生产,十分适合 SAW器件的生产。 将纳米压印技术用于 SAW器件的制作,目前国内外均未查到任何相关专利。只查59华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 31-33到刘文教授发表的研究论文 ,还没有相关专利。采用纳米压印技术制备高频 SAW滤波器,国内外皆没有报道。采用纳米压印技术制作高频声表面波滤波器,有望解决声表面波器件制作上的工艺技术难题,它的成功实施,可望将我

29、国的高频声表面波工艺制作技术提高到一个崭新的水平。 1.5 本课题的研究内容 1 论文概述了叉指换能器、声表面波滤波器的基本理论,并详细推导了叉指换能器的 模型和等效电路。阐述了带通声表面波滤波器的主要设计方法,比较各种窗口函数加权减低旁瓣的效果,并使用窗口函数法,设计了中心频率为 100MHz,带宽10MHz 的 SAW带通滤波器,用 MATLAB 仿真了其频响。 2 本论文主要对声表面波滤波器的纳米压印制备工艺进行探讨。详细讨论了声表面波滤波器的纳米压印工艺制备流程。滤波器的模板采用电子束直写技术制备。在纳米压印过程中利用软模板技术,采用紫外压印对基片进行压印。刻蚀 Al 电极选用了感应耦

30、合等离子刻蚀(ICP)。实验获得了叉指电极的线条宽度为 350nm,厚度 30nm 和200nm的刻蚀结果,200nm的刻蚀的结果用 SEM 观测,表面平滑,线条完好,没有发生连指或者断指等情况。610华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 2 声表面波带通滤波器的设计 SAW带通滤波器是声表面波器件中研究昀充分,应用昀广泛的器件之一,它能够大致的反映 SAW技术的发展水平。器件的理论研究和工程设计是相辅相成的,研制高34性能指标的带通滤波器需要确定其精确地等效模型和实现的工艺手段 。 输入 IDT 输出 IDT匹配 匹配 SAW 源 负载 压电基片 吸声胶吸声胶图 2-1 SAW滤波

31、器的基本结构示意图 2.1 带通滤波器基本结构与原理 SAW 滤波器的分类很多,结构和工作原理也各不相同,主要有横向 SAW 滤波器和 SAW谐振型滤波器两种,而昀常用的是横向 SAW滤波器。 横向 SAW带通滤波器采用的是双 IDT结构,如图 2-1所示,其结构为在压电基片上制作两个 IDT,在输入端加入电信号,输入 IDT1 由于逆压电效应将输入的电信号转化为声表面波,此时的声表面波沿着垂直于 IDT1 指条的两个方向左右传播,向右的声表面波被输出 IDT2 检测到,经正压电效应转换成电信号输出,而向左的声表面波则被涂在边缘的吸声材料吸收,IDT2 中由于压电效应也会产生部分 SAW,它向

32、右传播也会被边缘吸声材料吸收,向左的部分可能被 IDT1 发射回来产生旁瓣信号。SAW 带通滤波器的基本工作原理就是是输入 IDT 由逆压电效应将输入的电信号转换为声表面波,7 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 被输出 IDT检测到后,经过正压电效应将声表面波转换为电信号输出。 横向 SAW 滤波器的频响主要由输入 IDT 和输出 IDT 的频率响应决定,IDT 之间的 SAW 传播只是使 SAW 滤波器增加一个随频率线性变化的相位延迟,它对滤波器的频率选择性无贡献,所以 SAW滤波器的频率响应的关于输入和输出换能器频率转移函数的乘积,即HH H 。 12必须指出,上式并不是对于

33、任何形状的输入和输出换能器都成立,只有当输入和输出换能器都是等指长,或者一个为等指长换能器另一个为变迹换能器时,两换能器各自频率转移函数的乘积才等于滤波器的总频响。如果滤波器的两个 IDT 都是指长重叠加权结构,就必须在两个变迹换能器之间加入多条耦合器(MSC),MSC 能全部将34上通道的声表面波耦合到下通道,但不耦合体波 。因此该结构可以抑制体波,提高滤波器的带外抑制。 2.2 叉指换能器理论与模型 叉指换能器(IDT)是激励和检测声表面波的基本单元,是 SAW器件的核心部件。叉指换能器在声表面波器件中,是完成声电、电声转换以及控制声表面波传播的任务。叉指换能器的性能直接影响着由它组成的声

34、表面波器件的性能,对 IDT 进行准确分析可以更好的分析 SAW器件的响应,进而优化 IDT的设计以改善其性能。 2.2.1 叉指换能器基本结构和工作原理 声表面波叉指换能器(IDT)是由沉积在具有压电效应的压电基片上,交替连接在两个汇流条上的多条形如叉指状排列的金属电极组成,如图 2-2 所示。它是能够激励和检测声表面波的一种声-电、电-声换能器。当在汇流条上通上交流电压时,由于压电效应,就会使压电材料发生形变,产生相应的弹性振动,由于叉指电极很多且交替排列,弹性振动会在压电基片内部传播,并且相互加强,这就是叉指换能器能够激发出35声表面波的物理本质 。当给输入 IDT 加上电信号,在基片表

35、面形成交变的电场,由于逆压电效应,将在基片上产生与叉指宽度相关的一定频率的声表面波信号,该频率对应的声表面波的波长与 IDT的周期同步时,激发的 SAW昀强,当其他频率的电信号激发的声表面波信号的频率与 IDT 不同步时,激发的声表面波由于相位相消总的幅度8 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 很小,这就是 IDT的频率选择性。 输入 IDT 输出 IDTSAW压电基片 吸声胶吸声胶图 2-2 SAW器件的基本结构 IDT的结构如图 2-3所示:a为 IDT的电极宽度,b为叉指条间距,IDT的周期为P2a+2b。若 IDT的 a和 b相等,称为均匀(或非色散)IDT。两相邻电极构成

36、一个电极对,其相互重叠的长度为有效指长,称为换能器的声孔径,记为 W。若叉指换能器的各电极对重叠长度相等,则称为等孔径(或等指长)换能器。图 2-3 等指长换能器 IDT有如下基本特性: 1 每个 IDT 都有由本身结构决定的中心频率 f ,它的值与叉指电极周期 P(由0指宽和指间隔共同决定)成反比,叉指换能器的周期越短则频率越高;基片在外加电9 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 场作用下产生局部形变,当声波波长与电极周期一致时得到昀大激励(同步) 。这时电极的周期 P即为声波波长 ,表示为: Tf / ( 为材料的表面波声速, f 为0 01激发的 SAW频率即外加电场同步频率

37、)。均匀 IDT中 T4a,则工作频率 f / a。 042 IDT 叉指结构结构与其脉冲响应具有相同的包络,与其频率响应特性之间是傅立叶变换与逆变换的关系。 3 IDT激发的声表面波强度与叉指重叠长度(声孔径 W),和叉指对数 N都有关系。但是声孔径会影响滤波器昀后的插入损耗,叉指对数 N影响滤波器的频宽。 2.2.2 脉冲响应与叉指换能器结构的对应关系 如图 2-4(a)所示的等指长重叠,均匀周期的叉指换能器,当在叉指换能器的两个汇流条上加上电压时,叉指换能器的指条就会相应的带上电压,由于电极是交错排列,那么相邻指条的极性不同正负交替,每一对叉指电极就会激励一个电场,因此就会形成一个周期性

38、的电场分布。同时由于叉指换能器的基片是压电基片,当有电场作用是就会通过逆压电效应产生弹性振动,当外部电压变化时,叉指电极的极性也发生变化,在压电基片上产生的弹性振动也不同。 一个网络的脉冲响应是指在一个单位冲激函数作用下的网络输出,SAW叉指换能器的脉冲响应是指,在叉指换能器的输入端加一个单位冲激函数的电压信号时,换能器相应的在输出端产生的声信号输出。叉指换能器具有频率选择性,即只有电信号的频率和叉指换能器激发的声信号的频率相同的信号才能通过,而叉指换能器是由多个叉指电极对组成,每个叉指电极对通过的频率由他们的周期决定,叉指换能器的声信号是各对电极产生的波的叠加,叉指电极是按照特定的空间分布排

39、列的,具有一定的先后顺序和周期,因此每对电极激发的波是从它所对应的电极位置开始先后周期排列。那么,单位冲激电压作用下的叉指换能器产生的声信号的波形会是一个周期信号,且周期和叉指电极排列周期相对应,叉指换能器上声波的渡越时间就是声信号的持续时间。为了数学上易于处理,一般普遍用假定电极对所产生的弹性波的波形形状为正弦波,整个叉指换能器所激发的波形就为一系列的正弦波串。叉指电极激发弹性波的强度和声孔径 W 有关,W 的长度越长激发的弹性波的幅度就越大,反之则越小。 10 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 由此,我们得出以下结论:对 IDT加一个单位冲激电压,它所激发的声信号是一系列形如

40、正弦波的正弦波串,即它的脉冲响应为一个正弦波串。该正弦波串的时间长度为声波在换能器上的渡越时间;它的周期和叉指换能器的指条周期数目相等,且一一对应;叉指换能器指条重叠包络与该正弦波传的包络也一一对应。这就是叉指换能器的几何结构决定其脉冲响应,且二者之间一一对应的关系。因此,重叠长度不变,指条宽度和间隙相等的均匀的叉指换能器的脉冲响应如图 2-4a所示。指条包络为三角形的叉指换能器的脉冲响应如 2-4b所示。(a)等指长均匀 IDT (b)三角形声孔径IDT (c)非均匀周期 IDT及其脉冲响应 及其脉冲响应 及其脉冲响应图 2-4 叉指电极结构与脉冲波形关系 当换能器的叉指电极间距变化时,由于

41、叉指间间距变大,激发的场就变弱,同时由于衍射和散射等作用会导致脉响的幅度受影响变小,反之就会增大。此时叉指换能器的几何形状和它的脉冲响应如图 2-4所示。 由以上理论有脉冲响应与 IDT 的几何结构之间是一一对应的关系,那么求出 IDT的脉冲响应就可以知道 IDT 的结构参数。从滤波器基本理论可知,脉冲响应 ht和频率响应 H 是一对傅里叶变换对。即 ?jt Ht () h edt ?1jt ht H e d 2 ?11 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 那么叉指换能器的脉冲响应 ht与频率响应 H 之间是傅里叶变换对的关系,确定了一个就可以通过傅里叶变换求出另一个。而脉冲响应和

42、叉指换能器几个结构一一对应,那么叉指换能器几何结构也和 IDT 的频率响应一一对应。因此要求任意频率响应的 IDT 形状,只要对所求的频率响应取反傅里叶变化得到其对应的脉冲响应,然后根据所求的脉冲响应确定叉指换能器结构。三者之间关系如图 2-5所示。 包络 傅里叶变换脉冲响应 频率响应 指条重叠 W h(t) H(?) 一一对应 一一对应图 2-5 换能器结构、脉冲响应及频率响应之间的对应关系 2.2.3 函数模型 由于在压电晶体中,电场在基片中的产生的压电效应作用时根本激发源是电场的梯度而不是电场的电压大小,而且在叉指换能器的整个叉指条的电场分布中,处于叉35指电极边缘处的位置电场变化昀剧烈

43、,即相应的电场梯度昀大 。所以可以将 IDT 的每一个叉指电极边缘看做独立激发声波的源头,并用 函数表示,同时加上如下限制35条件 : 12 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 1 每个叉指电极的边缘是一个独立的 函数的声辐射源,各辐射源之间互不影响; 2 每个 函数声波源都在垂直于叉指电极的方向上发射平面的 SAW; 3 SAW 传播过程中是理想传播,不会产生衰减,即在 IDT 区域内无衰减;叉指条不会反射 SAW,不对声波传播产生任何影响;为了满足以上要求基片表面应该是理想的均匀光滑表面。 以上就是叉指换能器 函数模型的基本思想,图 2-6为 函数模型的电场等效模型。图 2-6

44、 函数模型电场等效模型 将汇集于不同汇流条,且相邻 IDT指条看成一对独立的指对,假设当外加电压Un只加在第 n 对指对上,而加在其它指对上的电压为零,同时整个系统是一个线性的系统,那么在第 m对指对上感应电荷总量 q 和所加电压U 大小成正比,记为hU ,h 为m n mn n mn表达二者之间关系的常数因子。由于叠加原理有整个 IDT所有指条的U 同时加在指对nm上时, q 为所有 IDT指对的感应电荷之和,表示为: mqh U (2-1) mmnnn经过实际分析发现在 IDT上施加电压不但能够激励 SAW,同时也会激励电磁波和13 华 中 科 技 大 学 硕 士 学 位 论 文 e B体

45、声波等体波。所以 h 可以表示为各种效应的和包括:静电容耦合 h 、体声波耦合 hmn mn mnS和声表面波辐射 h : mneB S h + hhh+ (2-2) mn mn mn mnS假定 h 只与距离 L (第 m和 n对指对之间的距离)有关,这种是在如果 IDT指mn mnS对数很大时假定的,则 h 可表示为: mnShj ?h exp?j L (2-3) mn 0 mn式中 是 SAW的波数, h 是由压电材料确定的常量。单位电场感应的 SAW本身02具有的电荷量Wh x 与 2 CK 相等, 是单元因子它直接决定 SAW的激励效率, C 为1 s s2IDT 一个周期的静电容,

46、 K 为 SAW 器件基底材料的的机电耦合常数。由互易定理,2 37单元因子 。 hC 2 K0 s当外加电压 V 加到 N对输入 IDT上,激励的 SAW由一对输出 IDT检测时,如果1两个 IDT都是短路栅,根据公式(2-1)、(2-3)得到流入输出 IDT的电流 I 为 2N ?1IV/e? hxp jL+np21VI 0 02n 0expjN p 1I? hj exp L (2-4) 0expjp 1Isin Np / 2I? hj expL+ N?1p / 20 Isin p / 2I其中LL +np 。IV / 称为传输导纳,用来描述 IDT 的特性。由公式2-4mn I 21 V 02可知 IDT的频率响应是sin cx sin x / x的函数,因为 sin Np / 2 sin N MN