双层膜结构声表面波甲烷传感器关键技术研究项目摘要

声表面波 在固体半空间表面存在的一种沿表面传播，能量集中于表面附近的弹性波。 又称为表面声波。

从严格意义上说，声表面波泛指沿表面或界面传播的各种模式的波，不同的边界条件和传播介质条件可以激发出不同模式的声表面波。在半无限基片上存在的声表面波有瑞利波(Rayleigh waves)、漏波(Leaky SAW)、广义瑞利波(Generalized Rayleigh waves)、水平剪切波(SH.SAW)、电声波(B.G waves)、兰姆波(Lamb waves)等。在层状结构的基片存在有乐甫波(Love waves)、西沙瓦波(Sezawa waves)、斯东莱波(Stoneley waves)等。

早在九十多年前，人们就对这种波进行了研究。1885 年，瑞利根据对地震波的研究，从理论上阐明了在各向同性固体表面上弹性波的特性。但由于当时的科学技术水平所限，这种弹性表面波一直没有得到实际上的应用。直到六十年代，由于半导体平面工艺以及激光技术的发展，出现了大量人造压电材料为声表面波技术的发展提供了必要的物质和技术基础。

作为六十年代末期才发展起来的一门新兴科学技术，它是声学和电子学相结合的一门边缘学科。由于声表面波的传播速度比电磁波慢十万倍，而且在它的传播路径上容易取样和进行处理，因此，用声表面波去模拟电子学的各种功能，能使电子器件实现超小型化和多功能化。同时，由于声表面波器件在甚高频和超高频波段内以十分简单的方式提供了其它方法不易得到的信号处理功能，因此，声表面波技术在雷达、通信和电子对抗中得到了广泛的应用。声表面波的应用最早是在军用雷达、广播、电视领域作频率稳定的滤波器之用。

1949 年，美国贝尔电话实验室发现了LiNbO3单晶。1964 年产发表了激发弹性表面波平面结构换能器的专利。特别应该指出的是，1965 年，怀特(R . M.white)和沃尔特默(F.W.voltmer )在应用物理杂志上发表了题为"一种新型表面波声-电换能器― 叉指换能器"的论文，从而取得了声表面波技术的关键性突破。

声表面波器件是在压电基片上制作两个声一电换能器―叉指换能器。所谓叉指换能器，就是在压电基片表面上形成形状像两只手的手指交叉状的金属图案，它的作用是实现声一电换能。声表面波器件的工作原理是，基片左端的换能器(输入换能器)通过逆压电效应将输入的电信号转变成声信号，此声信号沿基片表面传播，最终由基片右边的换能器(输出换能器)将声信号转变成电信号输出。整个声表面波器件的功能是通过对在压电基片上传播的声信号进行各种处理，并利用声一电换能器的特性来完成的。

当我们把电压加载在压电晶体如石英的电极上，那么由于压电效应就会在压电晶体的晶格中形成机械畸变。所谓的声表面波就是在压电基片材料表面产生并传播、并且其振幅随深入基片材料的深度的增加而迅速减少的弹性波。声表面波滤波器的基本结构是在具有压电特性的基片材料抛光面上制作两个0.1μm厚的铝膜构成的电极结构即声电换能器(叉指换能器)。叉指换能器就是采用半导体集成电路的平面工艺，在压电基片表面蒸镀一定厚度的铝膜，再把设计好的两个IDT的掩膜图案利用光刻方法沉积在基片表面，分别作为输入换能器和输出换能器。声电转换器的形状是指状电极结构，即手指相互交叉的形式(如图1所示)。每两个这种相互交叉的指状系统构成一个指间转换器或者叉指换能器。其工作原理是:输入换能器将电信号转换成声波信号，沿晶体表面传播，输出换能器再将接收到的声波信号转换成电信号输出。

迄今已经研制成功了许多声表面波器件，如表面波带通滤波器、延迟线、匹配滤波器、温度传感器、振荡器和表面波卷积器等:由于声表面波器件具有小型、可靠性高、一致性好、多功能以及设计灵活等优点，所以它在雷达、通信、空中交通管制、电子战f 微波中继、声纳以及电视中已经或正在得到广泛的应用。在其应用的智能电网，室外电缆接头，干式变压器、箱式变电站、高压母线接头等均可运用其原理实现远程监控。