什麼是表面聲波，有哪些地方可以用到？

Question

什麼是表面聲波，在哪些地方應用的到？
請詳述其原理、應用範圍以及如何測量(有儀器的話請附加儀器名稱原理等功能...)

是表面聲波沒錯@@"

Answer 1

1. 簡介:
表面聲波(Surface Acoustic Wave, 簡稱SAW)是由英國物理學家Lord Rayleigh 在1885年的研究中所發現。於其發表的文章中指出，固體的波動，除了剪波與縱波之外，在彈性晶體的表面上尚存在一種形式的波動，稱為表面聲波。並以波動數學理論證明其現象，故此表面聲波亦稱為Rayleigh wave。到1965年，加州大學柏克萊分校的R. M. White與F. M. Voltmer兩位教授，將指狀電極(Interdigital Transducers：簡稱IDT)結構製作在壓電晶體的表面，並成功的產生了表面聲波訊號後，才正式開啟了表面聲波元件的應用。由於SAW元件可藉由不同的電極結構設計來產生不同的頻率響應，故此後的30年，SAW元件被廣泛的運用在各類通訊技術範疇的振盪器、諧振器及濾波器等電路元件中。另外一方面，SAW在感測技術的發展上，也具有相當的潛力，因為SAW元件的敏感度高，當晶體受到擾動影響，所產生的頻率漂移都在數百KHz之間，利用目前的量測儀器，可精確偵測到1Hz的微小變化量，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，適合大量生產，進而提升了SAW元件的實用性。
2. 表面聲波感測元件技術:
表面聲波是一種在固體表面上所傳遞的彈性能量波，其傳遞的能量百分之九十都集中在表面以下一個波長的深度，並隨著縱深距離呈現指數關係的衰減(下圖)。


圖片參考：http://home.graffiti.net/november_kimo/saw1.jpg



其高能量聚集以及低散射的特性，使得SAW元件有相當高的靈敏度條件。當SAW元件操作在更高頻率下，由於聲波能量的聚集更接近表面，因此元件對表面的擾動將更趨靈敏。而Rayleigh wave的波動形式，是由縱波與剪波耦合而成，當晶體在震盪狀態時，基板表面上任一粒子在空間中的連續運動軌跡為橢圓形，如下圖:

圖片參考：http://home.graffiti.net/november_kimo/saw2.jpg


在SAW元件兩端的壓電基板或薄膜上製作IDT電極，如下圖:


圖片參考：http://home.graffiti.net/november_kimo/saw3.jpg


其主要的功用是做為電能與聲波能之間的轉能器。當在IDT的輸入端加上交流信號後，兩電極之間會產生交變電場，而壓電晶體因逆壓電效應產生應變，將電能轉為聲波能，進而產生SAW。經由基板的壓電材料傳遞聲波能至輸出端的IDT後，再藉由正壓電效應將聲波信號轉為電信號輸出，以提供外部儀器精確的解讀其材料表面上信號的變化情形。
3. SAW感測器的應用實例:
SAW感測器的應用範圍非常多元化，從通訊、工業監控、大氣檢測、家庭環境評估，以及血液分析等範疇，都不難發現以SAW為技術背景的應用。其技術原理是在壓電晶體鍍上不同種類的化學感測膜，以吸附氣體或液體中的微量待測分子。當反應膜的吸附造成薄膜上微量的質量改變，由於質量加載效應(mass loading effect)影響，通過吸附特定氣體的有機塗層的聲波能量，將會改變其原先的波傳特性，而使得聲波的相位速度與衰減量產生某程度的漂移量，偵測這些諧振頻率的漂移訊號即可定量分析其吸附在壓電材料表面的待測分子濃度。


SAW液體感測器可以量測液體的導電性或黏稠度，利用SAW傳遞至液體和元件的介面時，液體的導電性或黏稠度會與聲波起交互作用，影響SAW訊號的電場和振幅，進而造成振幅的變化和聲波傳遞的延遲，這些影響均可藉由元件的相位漂移和插入損耗(Insertion Loss)的結果得知。
在酒精感測器的應用，文獻中使用硬酯酸(stearic acid)作為感測膜，以乙醇作為溶劑，經過加溫冷卻的調配後，利用旋轉塗佈將硬酯酸溶液塗佈於SAW的延遲區中。基材的選擇採用128∘YX-LiNbO3，其波速為3992_m/s，因為具有極高的機電耦合因素，故在IDT的設計上可減少許多閘數，並降低插入損耗。實驗裝置的架構如圖4所示，

圖片參考：http://home.graffiti.net/november_kimo/saw4.jpg



系統分為兩道管路，分別通入比例的乾燥氣體以及酒精氣體進行實驗。經由實驗結果分析，以硬酯酸為感測膜的SAW酒精感測器，其訊號/雜訊比均大於2以上(圖5)，並在感測元件的恢復性、穩定性、重複性等效能均有不錯的的表現。

圖片參考：http://home.graffiti.net/november_kimo/saw5.jpg

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Answer 2

你確定名稱叫『表面聲波』？亦或是『表面波』？