TWI427290B - 一種氣體偵測裝置及其方法 - Google Patents
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Description
本發明係關於一種物體偵測裝置及方法，特別係關於一種應用表面聲波(Surface Acoustic Wave,SAW)陣列式震盪電路同時感測至少一種低濃度物體的裝置及方法。
按，習知的感測器如金氧半感測器(Metal Oxide Semiconductor Sensors,MOS)、導電聚合物感測器(Conducting Polymer sensors,CPs)，金氧半場效電晶體(Metal Oxide Field Transistors,MOSFET)、光感測器(Fluorescent Odor Sensors)及離子機動性測譜儀(Ion Mobility Spectrometry,IMS)等。上述感測器各有其限制條件，例如金氧半感器測需要在高溫環境下操作，且對於不同極性化合物辨識能力差，其餘缺失如選擇性不佳；導電聚合物感測器容易受到濕度的干擾等。因此選選擇可以在室溫下操作、靈敏度夠高、成本便宜等條件的感測器，表面聲波是一個較適合的技術。
由於表面聲波的波傳特性容易受到外在環境因素的影響，因此表面聲波元件(SAW Device)適合拿來作為感測元件，參閱圖1，習知之表面聲波元件1係由一壓電基材3、一對指叉式換能器5構成，藉由磁場、頻率、相位、溫度等變化，透過這些關聯性將外在環境上的變化，藉由轉換器轉換為相關訊號，經由計算該些相關訊號產生相對應的結果，例如感測物種類、含量等。
然而，習知技術中單一型感測器無法一次量測多種的感測物，僅能針對特定待測物進行量測，其使用領域與範圍常常受到限制。
此外，習知常用的轉換器為指叉式電極(Inter-Digital Transducer,IDT)，但因其材料寬度、長度、電極間距等問題常造成元件頻率響應不佳。
另外，習知的陣列式表面聲波感測器耗電且容易造成感測元件之間的相互干擾，特別係用於縮小體積後配置於一可攜式裝置上時，容易因為干擾而產生誤動作。
因此，現今仍需一能方便攜帶且能於低濃度環境下同時偵測多種以上待測物之裝置，兼具低成本、高靈敏度與準確性之特性。
鑑於上述習知技術之問題，本發明提出一種非連續式表面聲波陣列式震盪電路感測裝置，整合了壓電材料特性、表面聲波特性、薄膜特性、外部相關電路於一體的偵測裝置，能於低濃度環境下同時偵測至少一種待測物。
本發明之第一目的係利用一切換裝置，建構一非連續型表面聲波陣列式震盪電路，將該切換裝置之控制端置於每一外部電路之前端，藉此讓每個瞬間只有一個感測器驅動，如此可減少該感測裝置的功率消耗，且可以避免感測元件間的相互干擾。此外，可利用一計數器與控制裝置連結，用以控制該控制裝置之切換頻率及切換數量，藉由調整該計數器之頻率，控制該控制裝置的切換速度，最後將
該外部電路輸出端連接至一計頻器及一計算裝置，計算每一感測器之變化，藉由計算該變化獲得待測物的種類或數量等特性。
本發明之第二目的係一種非連續式表面聲波陣列式震盪電路，其中各表面聲波元件配置不同特性之薄膜，藉以能同時偵測不同感測物，但其中一感測器無配置薄膜，作為與其他感測元件變化之比較基準，並藉以去除環境擾動因素。
本發明之第三目的係在該壓電材料上定義該轉換器之電極對數、電極長度、電極寬度及電極間距等參數，以得到較佳之元件頻率響應。
本發明之第四目的係製作一種具有大表面積且同時具有中孔及微孔的碳材薄膜。
於是，本發明為一種氣體感測裝置，係藉由至少一表面聲波元件組成一表面聲波元件陣列，其包含一第一表面聲波元件，該元件具有一壓電基板、一對換能器及一外部電路，該對換能器係由一第一換能器及一第二換能器所組成，係分別形成於該壓電基板之兩端上，該第一換能器，於相對之該壓電基板上產生表面聲波，該外部電路係電性連接於該對換能器，該第一表面聲波元件係用於去除環境擾動因素。及至少一第二表面聲波元件，該元件具有該第一表面聲波元件、一具有孔洞之感測薄膜，該薄膜兩側係分別形成於該第一表面聲波元件之該對換能器之上，以及一控制裝置，係作為電源開關，該控制裝置之輸出端係配
置予該些外部電路之前端，控制該裝置內一次僅有一該外部電路動作，當該具有孔洞之感測薄膜吸附感測物體時，該具有孔洞之感測薄膜傳遞該表面聲波變化至該第二換能器，將該表面聲波變化量輸出至一計頻器，經由一外部裝置計算該頻率變化結果，進行該待測物之定量或定性分析。本發明之一特徵係利用該控制裝置切換外部電路之電源，藉以達到非連續式的表面聲波元件訊號輸出。
此外，本發明為一種物體感測方法，其包括下列步驟：
(a)製備一第一表面聲波元件與至少一第二表面聲波元件，其步驟包含：(i)先製備該第一表面聲波元件，製備一壓電基板，並於該壓電基板上形成形成一對換能器，該對換能器係由一第一換能器及一第二換能器所組成。(ii)製備該至少一第二表面聲波元件，係將具有孔洞之薄膜製備於至少一該第一表面聲波元件上，該薄膜兩側係分別形成於該對換能器之上。
(b)藉由一外部電路施加電壓於該第一換能器，該第一換能器用於電能與機械能之間的轉換，於相對之該壓電基板上產生表面聲波。
(c)使用一控制裝置，該控制裝置之輸出端係配置予該些外部電路之前端，控制一次僅有一該外部電路輸出訊號。
(d)量測該第二換能器所接收之該表面聲波變化。
(e)使用一外部裝置接收該第二換能器所轉換之電能訊號，用以計算該薄膜之資訊。
本發明之功效在於提供一種氣體偵測裝置，各表面聲
波元件配置不同特性之薄膜，使該裝置能於低濃度的環境下同時感測多種待測物，由於係利用非連續式陣列，特別是在小體積的裝置上能避免元件間相互的干擾，因此能具有體積小、成本低，低能量損耗及元件頻率響應佳等優點。
該些優點從以下較佳實施例之敘述並伴隨後附圖式及申請專利範圍將使讀者得以清楚了解本發明。
本發明將以較佳之實施例及觀點加以詳細敘述，而此類敘述係解釋本發明之結構及程序，只用以說明而非用以限制本發明之申請專利範圍。因此，除說明書中之較佳實施例之外，本發明亦可廣泛實行於其他實施例。
本發明之一較佳實施例係揭露一非連續式表面聲波震盪器陣列感測裝置，利用各表面聲波元件配置各種不同特性的薄膜，可同時偵測多種低濃度氣體。且可配置於可攜式裝置之上，如此可方便攜帶且可配合不同需求來偵測氣體。
首先，針對本發明中指叉式電極換能器使用之參數進行說明，以下數值係作為一說明，非用以限訂本發明之範圍。如第2圖所示，係顯示部分有關於指叉式電極轉換器(IDT)之參數示意圖。W係電極之寬度，W亦稱為IDT圖案寬度。D係指相鄰接之電極間之距離，D亦稱為IDT間之間隙。d係電極叉之寬度。N1及N2分別為相鄰電極之長度。其中該指叉式電極換能器之最佳寬度W為3800μm。電極叉之寬度d最佳為10μm。IDT間之間隙D
最佳為4000μm。最佳N1及N2分別為30對指叉，該指叉式電極換能器之電極寬度與間距為波長的四分之一。上述係表現本發明元件頻率響應之最佳參數。
參閱第3圖，其為本發明之較佳實施例，表面聲波電路陣列39係由至少一個表面聲波元件組成該表面聲波元件陣列39，該些表面聲波元件各包括一壓電基板3，一對換能器，係由一第一換能器381及一第二換能器382所組成，係分別形成於該壓電基板3兩端上，一具有孔洞之感測薄膜361~369，該具有孔洞之感測薄膜361(以361為例)兩侧係分別形成於該對換能器之上。其中一表面聲波元件35為一組未形成有具有孔洞之薄膜361~369之參考用斜交指叉式換能器，用以作為初始值，與其他表面聲波元件之物理變化量比較來獲得該相位速度或波傳速度等之變化，並藉以去除環境擾動因素。其中該第一換能器381係用於將電能轉換為機械能，於相對之該壓電基板3上產生表面聲波，該第二換能器382係用於將機械能轉換為電能，於接收表面聲波後，將表面聲波轉換為電能訊號，藉由傳輸線輸出到外部裝置(未圖式)。及一外部電路32，參閱第4圖，第4圖所示為該外部電路32內具有一偏壓電路及震盪電路，係電性連接於該對換能器，用以產生一偏壓於第一換能器381，使該第一換能器381產生表面聲波。以及一控制裝置34，係作為電源開關，其包含一多工器或切換開關，可提供資料分配功能或資料切換功能，該控制裝置34之輸出端係配置於該些外部電路32之前端，控制該偵測裝
置內一次僅有一該外部電路32動作，當該具有孔洞之感測薄膜361(以361為例)吸附感測物體時，該具有孔洞之感測薄膜361傳遞該表面聲波變化至該第二換能器382，將該表面聲波變化量傳送至一計頻器(未圖式)，讀取頻率值並經由電腦記錄(未圖式)，以對該受測物進行定量或定性等分析。本實施例之該壓電基板3是以鉭酸鋰(128°YX-LiNbO3
)製成，但並不以此為限，該壓電基板3也能以氮化鋁(AlN)、砷化鎵(GaAs)、氧化鋅(ZnO)或鋯鈦酸鉛(PZT)等其中之一壓電材料形成，或上述兩種以上的壓電材料形成。其中，元件使用之中心頻率約為99.8MHz。
本發明之另一實施例，係說明表面聲波感測元件頻率變化動作，配置一具備選擇性與單一性之吸附薄膜361於表面聲波元件之感測區上，當感測器暴露於目標感測物環境裡，第一換能器381將輸入電訊號轉換成機械波於延遲線區傳遞，所激發之表面波，經由感測區具有孔洞之薄膜361的物理或化學性吸附，使感測區質量改變導致波速的改變。而第二換能器382，將機械能訊號轉換成電訊號輸出，因此，可以經由儀器量得中心頻率的變化、相位的變化、或者能量的損失等物理量的變化。其中吸附氣體中的特定氣體分子造成頻率改變；藉由接收該波速漂移量的變化量，將該變化量經由第二指叉式換能器382轉換為電訊號，將該訊號傳送至一計頻器(未圖示)，可於儀器螢幕上得到頻率值，且將該計頻器取值速度設為1(reading/sec)，則儀器之解析度可達0.01Hz，因此，可以量測到極微小的
頻率變化量，且將該電訊號傳送到一計算裝置(未圖示)進行定量與定性之分析。由上述可知，本發明可置於一低濃度的待測物環境下進行感測。
參閱第5圖，本發明所述之感測元件係以第5圖所示之步驟製作完成，整體步驟可約略分為三大步驟，步驟501係利用微影技術(Lithography)，利用汞燈進行曝光，使所需之圖案轉移到光阻上，曝光時盡量將指叉對準曝光時間大約為15秒，且使用顯影液(AZ400K)與去離子水(DI water)混和進行顯影的動作，混合比例約為顯影液：去離子水=1：5，顯影時間約為80秒。步驟503係利用電子槍蒸鍍(E-gun evaporation)，本步驟中所選擇沉積的材料是金(Au)，由於金的附著能力不佳，所以先沉積200Å的鉻(Chromium)當作黏著層，然後再沉積1000Å的金為電極線。步驟505係掀離法(Lift-off)，將蒸鍍完成的晶圓泡置在丙酮(Acetone)溶液中，使光阻上的金屬薄膜慢慢掀起，並使用超音波(Ultrasonic)震盪使不易掀起之金屬慢慢去除。當完成感測晶片的製程後，會再沉積具有孔洞之感測薄膜361~369以提高感測元件的靈敏度及偵測氣體的選擇性。根據所發展出的多孔性材料，以旋鍍(Spin Coating)的方式直接沉積在感測晶片上方。將完成之感測晶片與外部電路32作電性連接，如此即完成一包含具有孔洞之感測薄膜之表面聲波元件。
上述具有孔洞之薄膜其材料可選自高分子材料或奈米孔洞材料等，但不以此為限。上述之高分子材料包含聚乙
烯吡咯酮(poly(N-vinylpyrrolidone),PNVP)，聚乙烯苯酚(poly(4-vinylphenol),P4VP)，聚苯乙烯(polystyrene,PS)，聚醋酸乙烯(Polyvinyl acetate,PVAc)、苯乙烯/順丁烯二酸酐共聚物(polystyrene-co-maleic-anhydride,PSMA)、聚乙二醇(Polyethylene Glycols,PEG)、聚碸類樹脂(polysulfone,PSu)或上述材料之衍生物等，惟不以上述之材料為限。最後所製成之薄膜厚度約為0.5~10μ
m之間。
由上述說明可知，本發明利用該控制裝置34切換外部電路32之電源，一次僅能導通一外部電路32產生震盪與輸出，當一外部電路32動作時，其餘外部電路32皆無動作，藉以達到非連續式的陣列式表面聲波元件訊號輸出，如此，就能避免所有表面聲波元件同時動作時元件間彼此產生干擾，也因為一次僅有一外部電路32動作，最大電流值皆只有計數器30和一個表面聲波震盪電路之電流，故功率消耗極低。且陣列式表面聲波元件可配置不同的具有孔洞之薄膜361~369，藉以同時偵測多種不同的待測物。且表面聲波元件對於外界之擾動靈敏，因此，本發明可用於低濃度環境下同時偵測多種不同的待測物並對該待測物進行定量或定性的分析。
以下便藉由上述較佳實施例所介紹之非連續式表面聲波陣列式震盪電路感測裝置，進一步地說明本發明非連續式表面聲波陣列式震盪電路感測裝置量測方法。
本發明之再一實施例，係將該非連續式表面聲波陣列式震盪電路感測裝置置於一測試艙內，經由氣體產生器製造出氨水的蒸氣進行氣體測試。表面聲波感測器表面覆蓋著具有孔洞之薄膜乙烯吡咯酮(PNVP)進行量測。參閱第6圖，該圖所示為重覆四次氨氣循環的結果，箭頭1代表加入氨氣的時間點，箭頭2代表加入空氣的時間點，其共有四次的循環，最後由該圖可得知頻率飄移的趨勢朝向減少的方向，表面聲波感測元件結合電路的穩定性與重複性皆達一定水準，且偵測不同氣體時，感測元件會有不同的頻率飄移趨勢與頻率飄移量。
本發明之另一實施例，係將該非連續式表面聲波陣列式震盪電路感測裝置置於五種不同氣體環境下之測試，為說明本實施例之實施方式，本實施例之具孔洞之感測薄膜係使用高分子薄膜。參閱第7圖，該圖所示為七種感測薄膜聚乙烯苯酚(P4VP)、乙烯吡咯酮(PNVP)、聚苯乙烯(PVAc)、聚苯乙烯(PS)、苯乙烯/順丁烯二酸酐共聚物(PSMA)、聚乙二醇(PEG)、和聚碸類樹脂(PSu)對五種氣體反應數據之統計，該些氣體包含乙醇(Ethanol)、胺(Amine)、三甲基胺(TMA)、甲醇(Methanol)及丙酮(Acetone)，在本發明之非連續式表面聲波陣列式震盪電路感測裝置的量測過程中發現每次的重覆實驗不同表面聲波元件間的頻率差△f會有很大差異，由第7圖可得知起始頻率高的元件相對的比較靈敏，所以△f數據會較大，因此本發明採用歸一化的方法，即用比例的方式做計
算，方程式如下：
參考第9圖將有助於瞭解上述方程式中各參數之意義，其中f 0
為表面聲波晶片尚未塗佈高分子膜的起始頻率，如第9圖(a)所示；f p
為晶片塗佈完高分子膜後之頻率，如第9圖(b)所示；f c
為塗佈完高分子膜後的晶片在震盪電路上所震盪出之頻率，如第9圖(c)所示；f m
為晶片結合震盪電路在感測氣體後之頻率，如第9圖(d)所示。如此即可較客觀且一致的觀察每個塗附不同薄膜之感測晶片。經第7圖得知，PNVP膜較其他高分子膜之反應大了數倍不等，不同膜的特性使得感測表現會有顯著不同，越靈敏者(△f
越大者)其雜訊(標準差)也一般會隨之較大。由本實施例可得知，本發明之裝置可以實施於同時偵測至少一種待測物。
本發明之另一實施例係將該非連續式表面聲波陣列式震盪電路感測裝置置於一氣體下進行不同濃度測試，參閱第8圖，本實施例使用的感測薄膜為乙烯吡咯酮(PNVP)，實驗之氣體為酒精，透過和水比例之調配，可配出從0%~100%之濃度，第8圖係為本實施例之結果，可發現所偵測到的頻率變化和酒精濃度不同有所關聯，藉由本實施例可以得知本發明係可用於不同濃度之氣體偵測，再者，本發明可裝配於一可攜式裝置上，如酒精濃度器等。
上述敘述係為本發明之較佳實施例。此領域之技藝者應得以領會其係用以說明本發明而非用以限定本發明所主
張之專利權利範圍。其專利保護範圍當視後附之申請專利範圍及其等同領域而定。凡熟悉此領域之技藝者，在不脫離本專利精神或範圍內，所作之更動或潤飾，均屬於本發明所揭示精神下所完成之等效改變或設計，且應包含在下述之申請專利範圍內。
1‧‧‧表面聲波元件
3‧‧‧壓電基板
30‧‧‧計數器
32‧‧‧外部電路
34‧‧‧控制裝置
35‧‧‧未配置具有孔洞之薄膜之表面聲波元件
361~369‧‧‧具有孔洞之薄膜
381‧‧‧第一換能器
382‧‧‧第二換能器
39‧‧‧陣列式表面聲波元件
W‧‧‧電極之寬度
D‧‧‧指相鄰接之電極間之距離
d‧‧‧電極叉之寬度
N1、N2‧‧‧電極之長度
501~505‧‧‧步驟
第1圖 係顯示習知之表面聲波元件。
第2圖 係顯示指叉式電極示意圖。
第3圖 係顯示非連續式表面聲波陣列式震盪電路感測裝置示意圖。
第4圖 係顯示表面聲波震盪電路。
第5圖 係顯示表面聲波元件製作步驟。
第6圖 係顯示非連續式表面聲波陣列式震盪電路感測裝置通入四次胺氣之測試統計圖。
第7圖 係顯示七種感測薄膜對五種氣體之統計長條圖。
第8圖 係顯示PNVP薄膜對不同濃度酒精之量測結果。
第9圖 係顯示歸一化方法之參數示意圖。
3．．．壓電基板
30．．．計數器
32．．．外部電路
34．．．控制裝置
35．．．未配置具有孔洞之薄膜之表面聲波元件
361~369．．．具有孔洞之薄膜
381．．．第一換能器
382．．．第二換能器
39．．．陣列式表面聲波元件
Claims (26)
- 一種氣體感測裝置，其包括：一第一表面聲波元件，該元件具有一壓電基板、一對換能器及一外部電路，該對換能器係由一第一換能器及一第二換能器所組成，係分別形成於該壓電基板之兩端上，該第一換能器，於相對之該壓電基板上產生表面聲波，該外部電路係電性連接於該對換能器；至少一第二表面聲波元件，該第二表面聲波元件包含該第一表面聲波元件及一具有孔洞之感測薄膜，該薄膜兩側係分別形成於該第一表面聲波元件之該對換能器之上；一控制裝置，係作為電源開關，該控制裝置之輸出端係配置予該些外部電路之前端，控制該裝置內一次僅有一該外部電路動作；以及一具有奈米級孔洞之感測薄膜，其中該奈米級孔洞之感測薄膜之材料包含高分子材料或奈米孔洞複合材料，當該具有孔洞之感測薄膜吸附感測物時，該具有孔洞之感測薄膜傳遞該表面聲波變化至該第二換能器，經接收並計算該表面聲波變化量。
- 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中更包括：一計數器，係控制該控制裝置的切換頻率及切換數量。
- 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中該對換能器係 各包含一指叉式電極換能器。
- 如申請專利範圍第3項所述之裝置，其中該指叉式電極換能器之電極寬度與間距皆相同。
- 如申請專利範圍第4項所述之裝置，其中該指叉式電極換能器之電極寬度與間距為波長的四分之一。
- 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中該對換能器之材質包含金。
- 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中該具有奈米級孔洞之感測薄膜厚度約0.5~10μm。
- 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中所述之高分子材料包含聚乙烯吡咯酮(PNVP)、聚乙烯苯酚(P4VP)，聚苯乙烯(PS)，聚醋酸乙烯(PVAc)、苯乙烯/順丁烯二酸酐共聚物(PSMA)、聚乙二醇(PEG)、聚碸類樹脂(PSu)或上述材料之衍生物。
- 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中該外部電路包含一偏壓電路及一振盪電路。
- 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中該表面聲波變 化包含中心頻率變化、相位變化、波速變化或能量損失等。
- 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中該控制裝置包含多工器或切換開關。
- 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中該第一換能器係於電能與機械能之間的轉換。
- 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中該第二換能器係於機械能與電能之間的轉換。
- 如申請專利範圍第1項所述之裝置，其中該壓電基板材質包含(128°YX-LiNbO3 )、氮化鋁(AlN)、砷化鎵(GaAs)、氧化鋅(ZnO)或鋯鈦酸鉛(PZT)或上述兩種以上的壓電材料形成。
- 一種氣體感測方法，其包括下列步驟：置備一第一表面聲波元件與至少一第二表面聲波元件，先製備該第一表面聲波元件，包括製備一壓電基板，並於該壓電基板上形成一對換能器，該對換能器係由一第一換能器及一第二換能器所組成，接著製備該至少一第二表面聲波元件，係於至少一該第一表面聲波元件上製備具有奈米級孔洞之薄膜，該薄膜兩側係分別形 成於該對換能器之上；其中所稱之具有奈米級孔洞之薄膜係為一高分子材料或奈米孔洞復合材料；藉由一外部電路施加電壓於該第一換能器，該第一換能器用於電能與機械能之間的轉換，於相對之該壓電基板上產生表面聲波；使用一控制裝置，該控制裝置之輸出端係配置予該些外部電路之前端，控制一次僅有一該外部電路輸出訊號；量測該第二換能器所接收之該表面聲波變化；及使用一外部裝置接收該第二換能器所轉換之電能訊號，用以計算該薄膜之資訊。
- 如申請專利範圍第15項所述之方法，其中更包括：一計數器，係控制該控制裝置的切換頻率及切換數量。
- 如申請專利範圍第15項所述之方法，其中該對換能器係各包含一指叉式電極換能器。
- 如申請專利範圍第17項所述之方法，其中該指叉式電極換能器之電極寬度與間距皆相同。
- 如申請專利範圍第18項所述之方法，其中該指叉式電極換能器之電極寬度與間距為波長的四分之一。
- 如申請專利範圍第15項所述之方法，其中該對換能器之材質包含金。
- 如申請專利範圍第15項所述之方法，其中該具有奈米級孔洞之感測薄膜厚度約0.5~10μm。
- 如申請專利範圍第24項所述之方法，其中所述之高分子材料包含聚乙烯吡咯酮(PNVP)、聚乙烯苯酚(P4VP)，聚苯乙烯(PS)，聚醋酸乙烯(PVAc)、苯乙烯/順丁烯二酸酐共聚物(PSMA)、聚乙二醇(PEG)、聚碸類樹脂(PSu)或上述材料之衍生物。
- 如申請專利範圍第15項所述之方法，其中該外部電路包含一偏壓電路及一振盪電路。
- 如申請專利範圍第15項所述之方法，其中該表面聲波變化包含中心頻率變化、相位變化、波速變化或能量損失等。
- 如申請專利範圍第15項所述之方法，該控制裝置包含多工器或切換開關。
- 如申請專利範圍第15項所述之方法，其中該壓電基板材質包含鉭酸鋰(128°YX-LiNbO3 )、氮化鋁(AlN)、砷化 鎵(GaAs)、氧化鋅(ZnO)或鋯鈦酸鉛(PZT)或上述兩種以上的壓電材料形成。
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| TW201040518A (en) | 2010-11-16 |
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