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聲子晶體於高頻表面聲波元件之應用
第102期-聲子晶體於高頻表面聲波元件之應用

 

聲子晶體於高頻表面聲波元件之應用

機械系 孫嘉宏 助理教授

  自 1917 年法國物理學家 Langévin 利用壓電材料製作超聲波換能器起,聲波一直在科技的發展與工程應用中佔有一席之地。聲波傳遞的行為,隨著所傳遞介質的特性及結構不同而有所區分,如在介質內部傳播的徹體波、介質表面傳播的表面波及平板結構中傳播的板波等。這些特定的結構可用於限制或控制聲波能量的傳播,搭配換能器來發射、接收訊號,已經陸續發展出各式各樣的聲波應用,如醫學影像、水下聲納、非破壞性檢測及電子頻率元件等。其中表面聲波元件在 1965 年發展出來[1],為一可激發與接收表面聲波訊號的裝置。其基本原理為將金屬鍍在壓電基板表面,做為交指叉換能器 ( interdigital transducer, IDT ),利用壓電效應可將電磁波輸入訊號轉換為機械能,而激發表面波;亦可以接收由壓電基板上的波動所轉換而來的電磁波訊號。此元件在激發並接收表面波訊號的轉換機制中,可以過濾不需要的雜訊,並提升訊號品質,因此被應用為電路中之頻率元件,其工作頻率可輕易達到數百 MHz。經過數十年的發展,表面聲波元件現已被發展為成熟的商業產品,製作為濾波器、震盪器等電子元件[2,3],廣泛應用在各種行動通訊裝置及全球定位系統上。另外,也有應用表面聲波元件作為氣體與液體之感測器及控制微液滴運動等研究。

  而在控制聲波波傳的研究上,聲子晶體 ( phononic crystal ) 則是近年來廣受學術界注目的聲學超穎材料 ( acoustic metamaterial )。聲子晶體的概念在 1993 年被提出[4,5],類比於光子晶體 ( photonic crystal ),聲子晶體亦是由週期性分佈的材料或結構所組成,聲波在其中傳遞具有頻溝 ( band gap )、非等向性波傳及負折射等特性。聲波頻溝代表在某一頻率範圍內的聲波,無法在聲子晶體中傳播,因此聲子晶體可用於阻絕聲波 ( 或彈性波 ) 的傳遞。若頻溝現象適用於任何方向入射的聲波,即被稱為完全頻溝;若只能阻擋特定方向的聲波傳遞,則為部分頻溝。關於聲子晶體的研究,早期大多著重在理論分析的發展和聲波全頻溝的尋找[6,7],相關的實驗自 1998 年開始進行[8],聲子晶體的研究也愈發蓬勃發展。近年來研究的聲波也由徹體波及表面波,拓展到板波等形式。頻溝特性在徹體波、表面波及板波等形式的聲波,也陸續獲得驗證,基於此特性來進一步控制聲波波傳的各式應用便被提出,包含聲波濾波器[9]、波導[10-13]及共振腔[14-15]等。如圖一即為表面波在聲子晶體定義之波導中傳遞,並隨之進行九十度轉向的傳播現象。

▲圖一 (a)具波導結構之表面波二維聲子晶體結構(b)表面波在聲子晶體結構中轉向之示意圖

  實際考慮製作聲子晶體元件之工藝時,表面聲波之聲子晶體結構,較徹體波需遠離邊界的結構更為實際,適合發展應用產品。因此,進行表面波在聲子晶體中實驗的驗證,是許多團隊關注的研究主題。表面波實驗首先在毫米等級聲子晶體中進行,其對應的頻溝範圍為數百 kHz,展示了以聲子晶體製作表面聲波波導及表面聲波濾波器的可能性[16]。進一步則是以微機電製程技術在矽基材晶元上,製作出微米尺度聲子晶體,並利用表面聲波元件,量測其表面聲波頻溝[17]。微米尺度聲子晶體將頻溝頻率提升到數百 MHz 的範圍,並激起了許多聲子晶體於高頻表面聲波元件應用之研究,筆者即參與了結合表面聲波元件與聲子晶體之研究工作[18]。由於聲子晶體具備之頻溝特性,因此可將入射之表面波加以反射,做為表面聲波元件中之反射柵。表面聲波元件已成熟應用為商用產品,為了提升元件之性能,設計上會在交指叉換能器兩側,製作上百根的金屬條做為表面波訊號的反射柵。而聲子晶體之頻溝特性,在十層以上的結構已可獲得極佳的反射效果;因此應用聲子晶體做為反射柵,可有效縮小表面波聲元件的尺寸。研究中製作了二埠表面聲波元件,其工作包含了聲子晶體基本性質分析、元件模擬設計、微機電製程製作元件,以及高頻射頻訊號量測。實驗結果顯示:使用 15 層的聲子晶體反射柵,可在頻率響應中獲得 7dB 增益改善的訊號。其結構示意圖、微結構與量測之插入損失之結果如圖二所示。而後續針對提升聲子晶體反射柵性能之研究,也在持續進行中[19],透過研究表面波反射的機制,可望進一步提升表面聲波元件之性能,並應用於實際之商用產品。

  綜言之,聲子晶體具有許多特別的波傳特性,目前有愈來愈多的團隊投入其相關研究。結合表面聲波元件的研究成果,為應用聲子晶體之第一步,目前已可應用於製作高頻表面聲波元件之反射柵,有效提升元件之性能。未來可以預期將會有更多結合聲子晶體之創新聲波元件被發展出來。

▲圖二 (a)應用聲子晶體為反射柵之二埠表面聲波元件示意圖

(b)掃瞄式電子顯微鏡所拍攝之二埠表面聲波元件結構(c)二埠表面聲波元件所量測之穿射頻譜

參考文獻

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