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高性能S、C波段声表面波微波延迟线
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2017-11-18
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1 引言
随着晶片材料和半导体工艺技术水平的快速发展，本文作者通过扇型结构声表面波换能器的拓扑设计，晶片材料和制作工艺流程的优化设计，研制出S、C波段声表面波（SAW）微波延迟线，它比声体波（BAW）微波延迟线的结构、生产工艺流程更加简单，体积更小，延时精准度高、一致性好、可靠性高，更适合量产。可广泛应用于雷达、电子对抗、高度计、通信、引信、信号处理器、目标模拟、微波信号存储和鉴频等系统中。在空间设备中应用具有强抗辐照能力。
2 SAW微波延迟线基本工作原理
SAW微波延迟线的基本结构，如图1所示，它由压电晶片、输入/输出叉指换能器（IDT）、金属屏蔽条和反射吸声层组成。其工作原理是当电信号加载到输入换能器后， 利用逆压电效应将电信号转换成声信号并以声的速度（比电磁信号慢105）沿晶片表面传播一段距离，经输出换能器接收，利用压电效应把声信号还原成电信号，形成电信号的延迟。显然改变两个换能器间的相对距离，就可得到不同延迟时间的电信号，金属屏蔽栅条用于输入/输出换能器间的电磁屏蔽，吸声层用于吸收声波反射。
图1 SAW微波延迟线的基本结构示意图
3 SAW微波延迟线的研制
3.1 扇形拓扑IDT结构设计
SAW延迟线要实现微波频段的工作频率、宽的工作带宽、高的三次渡越抑制、低的插入损耗和小的带内波动， 关键是IDT设计。根据工程项目的应用要求，同时考虑到温度（-55℃～＋85℃）变化可能引起的漂移，以及工艺过程可能带来的误差，我们建立了一种扇形拓扑IDT的理论模型，经仿真优化确定了IDT拓扑设计新结构，从研制出的几种SAW微波延迟线试验结果和最终产品测试结果证明，这种新结构设计完全实现了项目要求的S、C波段工作频率，宽的工作带宽（200～500MHz），延时时间（0.05～3us），三次渡越抑制（40dB～55dB）和直通抑制（30dB～45dB）等指标要求。
3.2 晶片材料选择（2～4英寸圆晶片）
由于表面声波是沿晶片表面传播，所以在晶片材料的选择上对其表面状态的要求很高。对工作在微波频段的SAW器件来讲，在工艺制作过程中晶片材料的透光性可导致晶片背面形成漫散射，从而降低光刻衬度，导致失真的线宽，至使工作频率、带宽等性能产生偏差，同时IDT的指间隔非常小（1/4λ），很容易受到静电释放影响，导致IDT的烧毁。为此我们选用了具有弱热释电效应的2～4英寸标准晶片见图2，有效解决了静电释放导致IDT烧毁和晶片开裂现象，同时光的漫散射也得到了有效抑制，成品率大幅提高。
随着晶片材料和半导体工艺技术水平的快速发展，本文作者通过扇型结构声表面波换能器的拓扑设计，晶片材料和制作工艺流程的优化设计，研制出S、C波段声表面波（SAW）微波延迟线，它比声体波（BAW）微波延迟线的结构、生产工艺流程更加简单，体积更小，延时精准度高、一致性好、可靠性高，更适合量产。可广泛应用于雷达、电子对抗、高度计、通信、引信、信号处理器、目标模拟、微波信号存储和鉴频等系统中。在空间设备中应用具有强抗辐照能力。
2 SAW微波延迟线基本工作原理
SAW微波延迟线的基本结构，如图1所示，它由压电晶片、输入/输出叉指换能器（IDT）、金属屏蔽条和反射吸声层组成。其工作原理是当电信号加载到输入换能器后， 利用逆压电效应将电信号转换成声信号并以声的速度（比电磁信号慢105）沿晶片表面传播一段距离，经输出换能器接收，利用压电效应把声信号还原成电信号，形成电信号的延迟。显然改变两个换能器间的相对距离，就可得到不同延迟时间的电信号，金属屏蔽栅条用于输入/输出换能器间的电磁屏蔽，吸声层用于吸收声波反射。
图1 SAW微波延迟线的基本结构示意图
3 SAW微波延迟线的研制
3.1 扇形拓扑IDT结构设计
SAW延迟线要实现微波频段的工作频率、宽的工作带宽、高的三次渡越抑制、低的插入损耗和小的带内波动， 关键是IDT设计。根据工程项目的应用要求，同时考虑到温度（-55℃～＋85℃）变化可能引起的漂移，以及工艺过程可能带来的误差，我们建立了一种扇形拓扑IDT的理论模型，经仿真优化确定了IDT拓扑设计新结构，从研制出的几种SAW微波延迟线试验结果和最终产品测试结果证明，这种新结构设计完全实现了项目要求的S、C波段工作频率，宽的工作带宽（200～500MHz），延时时间（0.05～3us），三次渡越抑制（40dB～55dB）和直通抑制（30dB～45dB）等指标要求。
3.2 晶片材料选择（2～4英寸圆晶片）
由于表面声波是沿晶片表面传播，所以在晶片材料的选择上对其表面状态的要求很高。对工作在微波频段的SAW器件来讲，在工艺制作过程中晶片材料的透光性可导致晶片背面形成漫散射，从而降低光刻衬度，导致失真的线宽，至使工作频率、带宽等性能产生偏差，同时IDT的指间隔非常小（1/4λ），很容易受到静电释放影响，导致IDT的烧毁。为此我们选用了具有弱热释电效应的2～4英寸标准晶片见图2，有效解决了静电释放导致IDT烧毁和晶片开裂现象，同时光的漫散射也得到了有效抑制，成品率大幅提高。
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