表面声波感测器之前瞻研究.PDF

表面聲波感測器之前瞻研究 文/黃仕泓、柯正浩 1. 簡介 變化量，另外，由於元件的操作範圍廣(10_MHz ~ 3_GHz) 、體積小，且製程上易與半導體技術整合 ，適 隨著生活水平的提升，人們越來越重視環境品質 合大量生產，進而提升了 SAW 元件的實用性。良好 的管理，各式各樣的感測器產品開始因應而生，其 的訊號/雜訊比，也有助在資料的取得分析上，避免後 中，聲波感測器元件由於靈敏度、可靠度高 ，體積輕 續許多繁雜的轉換處裡過程。 巧以及低廉的價格等優勢，被大量的開發成許多感測 器元件 ，例如 ：用於偵測空氣粒子的氣體感測器、檢 本文將就目前 SAW 感測器元件基本原理、發展 測水溶液的液體感測器 、藉以度量環境因子的壓力 、 狀況，以及應用的各種層面作概略且整體性的描述 。 溫度、溼度感測器 ，以及使用於生物體上的各類生物 本文更進一步的提出藉由高選擇性的分子拓印感測 感測器…等 ，配合特定的感測薄膜 ，更可將上述的感 薄膜，結合FT-IR 的量測機制 ，可以更定性 、定量的 測器元件就功能與待測目標物上，做更進一步的細 精準偵測待測氣體分子 ，增強 SAW 感測元件的特性 分。 能力。 表面聲波(Surface Acoustic Wave, SAW)是由英國 2. 表面聲波感測元件技術 物理學家Lord Rayleigh 在1885 年的研究中所發現。 於其發表的文章中[1]指出，在固體的波動，除了剪波 表面聲波是一種在固體表面上所傳遞的彈性能 與縱波之外，在彈性晶體的表面上尚存在一種形式的 量波，其傳遞的能量百分之九十都集中在表面以下一 波動，稱為表面聲波。並以波動數學理論證明其現 個波長的深度，並隨著縱深距離呈現指數關係的衰減 象，故此表面聲波亦稱為 Rayleigh wave 。只是當時 (圖1) 。其高能量聚集以及低散射的特性 ，使得SAW Rayleigh 的研究結果，並沒有引起任何在實務發展上 元件有相當高的靈敏度條件 。當SAW 元件操作在更 的迴響。直到1965 年 ，加州大學柏克萊分校的R. M. 高頻率下 ，由於聲波能量的聚集更接近表面 ，因此元 White 與 F. M. Voltmer 兩位教授，將指狀電極 件對表面的擾動將更趨靈敏 。而Rayleigh wave 的波 (Interdigital Transducers ：IDT)結構製作在壓電晶體的 動形式 ，是由縱波與剪波耦合而成 ，當晶體在震盪狀 表面[2] ，並成功的產生了表面聲波訊號後，才正式開 態時，基板表面上任一粒子在空間中的連續運動軌跡 啟了表面聲波元件的應用。由於SAW 元件可藉由不 為橢圓形，如圖2 。 同的電極結構設計來產生不同的頻率響應，故此後的 在 SAW 元件兩端的壓電基板或薄膜上製作 IDT 30 年，SAW 元件被廣泛的運用在各類通訊技術範疇 電極(圖 3) ，其主要的功用是做為電能與聲波能之間 的振盪器、諧振器及濾波器等電路元件中。 的轉能器。當在IDT 的輸入端加上交流信號後，兩電 另外一方面，SAW 在感測技術的發展上，也具 極之間會產生交