TWI430570B - 壓電感測器陣列 - Google Patents

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Description

壓電感測器陣列
本發明係關於一種壓電感測器陣列，更具體地說，係指利用聲子晶體具有頻溝的特性，以阻擋特定頻率之波傳的壓電感測器陣列。
近年來，隨著微機電技術與微電子科技的日新月異，電子鼻的功能也日益精進，因此已被廣泛地應用至各個領域，如智慧居家、工業、軍事、醫療等。典型的電子鼻裝置包括三個功能單元，即氣體取樣單元、感測器陣列(sensor array)及信號處理單元。相較於其他感測器陣列的技術，壓電感測器陣列可同時對質量載重與電性變化產生反應，故深具未來發展的潛力。
請參考圖1所示，壓電感測器可分為表面聲波元件1(圖1(a))、石英晶體微天平2(Quartz Crystal Microbalance,QCM)(圖1(b))及側場激發(Lateral Field Excited,LFE)聲波感測器3(圖1(c))等。此外，也有單層與多層結構之分。以單層AT-cut石英晶體微天平2為例，當半徑為4mm、厚度為165μm時之頻率響應如圖2所示，圖中顯示主要的共振模態出現在9.965MHz。
請參考圖3，以單層的石英晶體微天平2為例，當多個壓電感測器整合在同一晶片時，每一壓電感測器彼此間會因聲波逸散而產生干擾，習知解決聲波干擾問題的方法例如係透過熱處理方式改變壓電感測器間的材料性質，或者係於壓電式感測器間形成凹槽。然而，習知方式仍無法有效阻隔聲波干擾，故有改良的必要性。
近年來眾人對於聲子晶體(Phononic Crystals)之興趣逐年增長。聲子晶體是類比光子晶體的概念提出來的，利用不同彈性常數或密度的材料週期性分佈。週期性排列的結構維度可為一維、二維和三維結構，在此人工所創造出來的晶體結構中，聲波波傳會存在頻溝現象，亦即特定頻率的聲波無法在聲子晶體中傳播。
因此，本發明之一目的係在提供一種壓電感測器陣列，係將聲子晶體應用於壓電感測器陣列中，利用聲子晶體具有頻溝的特性，阻擋特定頻率之波傳，藉此解決壓電感測器間之聲波干擾。
本發明之另一目的係在於一種壓電感測器陣列，可利用聲子晶體完整的聲子頻溝，在某些選擇的頻率範圍內，提供需要高精密度的機械系統一個完全無振動的環境，擴大聲子晶體在除了濾波以外的應用。
為達成上述目的，本發明所提供之壓電感測器陣列包含：一基材；多數壓電感測器，係以陣列排列而形成於該基材上；以及多數聲子晶體單元，係形成於該基材上，且以一特定間隔而週期性排列於該每一壓電感測器之周圍。
於一實施例中，上述基材之厚度與聲子晶體單元間的特定間隔係為相同階數。
於一實施例中，上述壓電感測器包含但不限於表面聲波元件、石英晶體微天平、橫場激發聲波感測器或擬側場激發(Pseudo Lateral Field Excited,Pseudo-LFE)聲波感測器之任一種或其組合。
於一實施例中，上述壓電感測器陣列之該基材與該多數聲子晶體單元分別包含彈性係數相異之第一彈性材料及第二彈性材料。
於一實施例中，上述多數聲子晶體單元包含有多數孔洞或多數凸出物。
以下，依據本發明之一較佳實施例的一種壓電感測器陣列將搭配附圖詳細說明。
請參考圖4為本發明之一較佳實施例的一種壓電感測器陣列4，係於一基材43上包括有多數壓電感測器41及多數聲子晶體單元42，其中，該多數壓電感測器41係以陣列排列而形成於該基材43上，而該多數聲子晶體單元42係以一特定間隔而週期性排列於該每一壓電感測器41之周圍，以形成於該基材43上。
前述基材43較佳係厚度為0.165mm的AT-cut石英晶片，前述壓電感測器41較佳地可為石英晶體微量天平、側場激發聲波感測器、或擬側場激發聲波感測器之任一種或組合。
於壓電感測器陣列4的設計過程中，聲子晶體單元42所具有之頻溝的頻率範圍應涵蓋壓電感測器41的操作頻率，以阻擋特定頻率之波傳。前述聲子晶體單元42所具有之頻溝的頻率範圍例如係介於0.5-30MHz之間。
如圖4所示，前述多個聲子晶體單元42較佳地係以正方形週期性重複六層排列，以設於每一壓電感測器41的周圍，且為了讓壓電感測器的操作頻率涵蓋在聲子晶體的頻溝範圍內，於本較佳實施例中，每一聲子晶體單元42為一半徑約為0.1034mm的圓形孔洞，據此，以每一壓電感測器41及其周圍之聲子晶體單元42可定義出一長與寬約為0.22mm之感測器單元40，藉由聲子晶體單元42所具有之頻溝特性，可於感測器單元40內有效阻擋特定頻率(頻溝之頻率範圍內的頻率)之波傳，於此實施例中，聲子晶體單元42所具有之頻溝的頻率範圍較佳為9-11MHz。
而上述基材43之厚度係與聲子晶體單元42間的特定間隔較佳係為相同階數，亦即基材43的厚度尺寸(t)與聲子晶體單元42間的特定間隔尺寸(d)為相同乘冪階數，例如：基材43的厚度為0.165mm，聲子晶體單元42的特定間隔尺寸為0.22mm，而具有相同之階數(10-1 mm)。
於上述壓電感測器陣列中，該基材43與該多數聲子晶體單元42係分別具有彈性係數相異之第一彈性材料及第二彈性材料，例如：基材43可為矽或石英基材，而聲子晶體單元42可為柱狀孔洞或柱狀突起結構，但不僅限於此。於一具體實施例中，第一彈性材料或第二彈性材料可係選自於由等向性(Isotropic)材料、立方晶系(Cubic)材料、六角晶系材料(Hexagonal)及三斜晶系(Triclinic)材料所組成之群，舉例來說，等向性(Isotropic)材料可為Ni或Al，立方晶系材料可為AlAs或GaAs，六角晶系材料可為氧化鋅等。於另一具體實施例中，第一彈性材料或第二彈性材料可以為空氣，例如：當聲子晶體單元42為一孔洞時，而包含於孔洞中的第二彈性材料即為空氣。而基材43之第一彈性材料及聲子晶體單元42之第二彈性材料的選用搭配，可依所需頻溝的頻率範圍而任意選擇，此已為該項技術領域者所熟知，於本發明中並不加以贅述。
以上述之壓電感測器陣列4為例，其聲子晶體單元42之頻散曲線係如圖5所示，於圖中之斜線區域A為聲子晶體單元42之頻溝，其頻率範圍為9.66~10.8MHz，表示此頻率範圍內的波無法穿透聲子晶體單元42。而本較佳實施例所使用的石英晶體微天平的共振頻率9.965MHz，正好落在此頻率範圍內，故顯示聲子晶體單元42確實可作為石英晶體微天平間的隔絕。
為了確認隔絕的效果，請參考圖6(a)為本較佳實施例的壓電感測器陣列的振形結果，及進一步與無三排聲子晶體阻隔的習知壓電感測器陣列的振形結果(如圖6(b)所示)比較，可發現本較佳實施例的壓電感測器陣列4其位移衰減率有-40dB以上。
又本較佳實施例之壓電感測器陣列之聲子晶體單元42除可為多數孔洞(如圖7(a)的凹孔或圖7(b)的穿孔)之外，亦可為多數凸出物(如圖7(c)的凸柱)。而聲子晶體單元42的幾何形狀可為圓形(如圖8(a))、正方形(如圖8(b))及三角形(如圖8(c))，或可為半圓形、半橢圓形、四方形、五邊形、六邊形、七邊形、八邊形、鏤空形、缺口形等任意形狀，並以任意週期形狀排列，如正方形(如圖9(a))、三角形(如圖9(b))及六角形(如圖9(c))等，其皆可達成有效阻擋特定頻率之波傳的功效。此外，上述孔洞可包含有填充材料以增加聲子晶體單元42中彈性材料組合的多元性，填充材料可為金屬(如：銅)或高分子聚合物(如：聚乙二醇)，可使本發明之壓電感測器陣列供進一步與其他微機電元件微加工整合。
綜合上述，可得知本發明較佳實施例的壓電感測器陣列，可利用聲子晶體完整的聲子頻溝，有效的隔絕聲波干擾，在某些選擇的頻率範圍內，提供需要高精密度的機械系統(如：水下量測實驗用來發射與接收聲波的壓電探頭，或者是醫學上所使用的超音波探頭)一個完全無振動的環境。
上述實施例僅係為了方便說明而舉例而已，本發明所主張之權利範圍自應以申請專利範圍所述為準，而非僅限於上述實施例。
1．．．表面聲波元件
2．．．石英晶體微天平
3．．．側場激發聲波感測器
4．．．壓電感測器陣列
40．．．感測器單元
41．．．壓電感測器
42．．．聲子晶體結構
43．．．基材
A．．．斜線區域
圖1(a)-(c)表示習知壓電感測器樣態示意圖，其中圖1(a)為表面聲波元件、圖1(b)為石英晶體微天平、圖1(c)為側場激發聲波感測器
圖2表示習知單層AT-cut石英晶體微天平，當半徑為4mm、厚度為165μm時之頻率響應數據。
圖3表示習知多個單層的石英晶體微天平整合在同一晶片的結構示意圖。
圖4係本發明之一較佳實施例中壓電感測器陣列的結構示意圖。
圖5係本發明之一較佳實施例中聲子晶體單元頻散曲線。
圖6(a)-(b)係本發明之一較佳實施例中壓電感測器陣列的振形結果與習知壓電感測器陣列的振形結果之比較。
圖7(a)-(c)係本發明之一較佳實施例中聲子晶體單元的構造示意圖。
圖8(a)-(c)係本發明之一較佳實施例中聲子晶體單元的幾何形狀示意圖。
圖9(a)-(c)係本發明之一較佳實施例中聲子晶體單元的週期性排列示意圖。
4．．．壓電感測器陣列
40．．．感測器單元
41．．．壓電感測器
42．．．聲子晶體結構
43．．．基材

Claims (15)

  1. 一種壓電感測器陣列，包含：一基材；多數壓電感測器，係以陣列排列而形成於該基材上；以及多數聲子晶體單元，係形成於該基材上，且以一特定間隔而週期性排列於該每一壓電感測器之周圍其中，該基材與該多數聲子晶體單元分別包含彈性係數相異之一第一彈性材料以及一第二彈性材料，且該第一彈性材料係選自於由等向性(Isotropic)材料、立方晶系(Cubic)材料及三斜晶系(Triclinic)材料所組成之群。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之壓電感測器陣列，其中該基材之厚度與該特定間隔係為相同階數。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之壓電感測器陣列，其中該壓電感測器係為表面聲波元件、石英晶體微天平、側場激發聲波感測器，或擬側場激發聲波感測器之任一種或其組合。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之壓電感測器陣列，其中該第二彈性材料係選自於由等向性(Isotropic)材料、立方晶系(Cubic)材料及三斜晶系(Triclinic)材料所組成之群。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之壓電感測器陣列，其中該多數聲子晶體單元係為形成於該基材上之多數凸出物。
  6. 如申請專利範圍第1項所述之壓電感測器陣列，其中該多數聲子晶體單元之幾何形狀選自於由半圓形、三角形、半橢圓形、四方形、五邊形、六邊形、七邊形、八邊形、鏤空形、缺口形所組成之群。
  7. 如申請專利範圍第1項所述之壓電感測器陣列，其中該多數聲子晶體單元具有一頻溝，該頻溝之頻率範圍為0.5-30MHz。
  8. 如申請專利範圍第1項所述之壓電感測器陣列，其中該週期性排列係指正方形、三角形、或六角形之任一種排列。
  9. 一種壓電感測器陣列，包含：一基材；多數壓電感測器，係以陣列排列而形成於該基材上；以及多數聲子晶體單元，係形成於該基材上，且以一特定間隔而週期性排列於該每一壓電感測器之周圍；其中，該基材與該多數聲子晶體單元分別包含彈性係數相異之一第一彈性材料以及一第二彈性材料，且該第一彈性材料或該第二彈性材料係為空氣。
  10. 如申請專利範圍第9項所述之壓電感測器陣列，其中該多數聲子晶體單元係為形成於該基材上之多數孔洞。
  11. 如申請專利範圍第10項所述之壓電感測器陣列，其中該多數孔洞中更包含有一填充材料。
  12. 如申請專利範圍第11項所述之壓電感測器陣列，其中該填充材料係為金屬或高分子聚合物。
  13. 如申請專利範圍第9項所述之壓電感測器陣列，其中該多數聲子晶體單元之幾何形狀選自於由半圓形、三角形、半橢圓形、四方形、五邊形、六邊形、七邊形、八邊形、鏤空形、缺口形所組成之群。
  14. 如申請專利範圍第9項所述之壓電感測器陣列，其中該多數聲子晶體單元具有一頻溝，該頻溝之頻率範圍為0.5-30MHz。
  15. 如申請專利範圍第14項所述之壓電感測器陣列，其中該週期性排列係指正方形、三角形、或六角形之任一種排列。
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