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研究生:張景淳
研究生(外文):Ching-Chun Chang
論文名稱:表面聲波元件模型之建立與應用
論文名稱(外文):The Modeling and Application of Surface Acoustic Wave Device
指導教授:鄭湘原
指導教授(外文):Erik S. Jeng
學位類別:碩士
校院名稱:中原大學
系所名稱:電子工程研究所
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2005
畢業學年度:93
語文別:中文
論文頁數:81
中文關鍵詞:表面聲波元件模型化氣體感測器
外文關鍵詞:modelinggas sensorsurface acoustic wave
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表面聲波元件(Surface Acoustic Wave Device)為通訊系統中重要的關鍵零組件。因其具有高波速、高機電耦合係數、低傳輸損失和溫度穩定性高的優異特性,因此高頻濾波器在通訊系統的表現上,一直難以被取代。由於其特殊的材料特性與波傳機制,使得表面聲波元件也漸漸地應用在感測領域中。表面聲波元件除了具有高性能、尺寸小、低成本及高重複製造性的特色外,配合著不同的外部讀出線路以及表面聲波元件的表面處理,可量測出溫度、濕度、壓力、位移、氣體解析…等物理訊號的改變。。
  本論文利用石英作為壓電材料,並於其表面製作指叉換能器(Inter-digital Transducer),其指叉寬度及表面波傳遞的速度,使得表面聲波元件具有特定頻率的波傳特性。當粒子附著於表面聲波元件的表面時,會造成表面聲波元件的波速改變,進而改變頻率。本論文利用製作完成的雙埠表面聲波元件,與模擬設計的放大電路及元件等效模型,配合皮爾斯迴授式架構,設計出表面聲波振盪器,並將元件表面塗佈上有機薄膜,以物理特性質量負載效應來進行氣體的感測。其中所使用的表面聲波元件的中心頻率為156.9MHz,插入損耗為-19.855dB;完成的表面聲波振盪器中心頻率為157.070MHz,輸出功率為16.35dBm,其相位雜訊小於-96dBc/Hz @100KHz。
  綜言之,本論文針對表面聲波氣體感測器提供了完整的理論、模型建立、電路設計、實驗探討與應用方向。首先建立一套分析表面聲波元件的理論,內容包括材料的波傳特性與指叉電極的頻率響應計算。接著利用相關高頻模擬軟體進行感測電路的設計與製作,最後將表面聲波元件與感測電路作系統整合,製作出表面聲波感測器,並進行氣體感測。
SAW (Surface Acoustic Wave) device is an important-key component for communication system. Because it has excellent characteristic of high wave-velocity, high electrical coupling coefficient, low transmission loss and high temperature stability. So SAW device’s the performance of high frequency filter in communication is hard to be replaceable. Due to SAW device’s specific material characteristic and wave proceeding mechanism, it had already well-used in sensor application. SAW device owns high performance, small scale size, low cost and high repeatable production benefits; it also could measure physics signals of temperature, humidity, pressure, distance & the kinds of gas by different external circuits & surface treatment.
In this paper, we adopted Quartz as piezoelectric material and we manufacture inter-digital transducer on its surface. SAW device will have specific frequency wave proceeding feature base on finger width & surface wave passing velocity. When the particle attached to the surface of SAW device, it will cause the change of wave proceeding velocity & frequency. We use two-port SAW device with simulated amplifier circuit & equal-circuit model in this paper and matching with Pierce feedback structure, accomplishing SAW oscillator. The SAW oscillator would be spread with organic thin film and this could be used as gas sensor by recognizing different mass loading effect. The SAW device center frequency is 156.9MHz, loss is -19.855db: Our SAW oscillator center frequency is 157.070MHz, output power equal to 16.35dBm, and its phase noise margin less than -96dBc/Hz@100KHz.
As above, we provide complete theory, model setup, circuit design, experiment and application about SAW oscillator. First establishing a theory of SAW device analysis, including material wave proceeding and frequency response counting of finger electrode. Then using relative high frequency simulation software to try the design and production for sensor circuit. Final we combine SAW device with sensing circuit as a fully integrated system and becoming a SAW sensor and using as gas detection.
摘要 1
Abstract 2
誌謝 3
目錄 4
圖目錄 6
表目錄 9
第一章 緒論 10
1-1 研究背景 10
1-2 研究動機與目的 13
2-1 感測器簡介 14
2-2 感測器的種類 15
2-3 聲波元件與感測原理 17
2-3-1 聲波簡介 17
2-3-2 壓電效應 18
2-3-3 指叉換能器 20
2-3-4 聲波的種類及特性 21
2-3-5 質量負載效應 24
第三章 表面聲波元件模型 26
3-1 表面聲波元件簡介 26
3-2 表面聲波元件 27
3-2-1 表面聲波材料 27
3-2-2 聲波元件設計與製作 29
3-2-3 表面聲波元件特性量測 33
3-3 表面聲波元件時域分析 35
3-3-1 高頻時域量測簡介 35
3-3-2 時域反射及時域穿透量測理論 37
3-3-3 雙埠表面聲波元件的時域穿透量測 42
3-3-4 雙埠表面聲波元件的時域特性分析 44
3-4 表面聲波元件頻域分析 49
3-4-1 單埠表面聲波元件模型的頻域特性分析 49
3-4-2 雙埠表面聲波元件模型頻域特性分析 51
3-4-3 雙埠表面聲波元件特性分析及模型建立 52
4-1 表面聲波振盪器 59
4-1-1 振盪器原理 59
4-1-2 LC振盪器 60
4-1-3 表面聲波振盪器的設計與模擬 64
4-1-4 表面聲波振盪器的製作與特性量測 68
4-2 表面聲波氣體感測實驗 69
4-2-1 感測薄膜塗佈 69
4-2-2 氣體感測實驗架構及流程 71
4-2-3 實驗結果 72
第五章 結論與為工作 74
5-1 結論 74
5-2 未來工作 75
參考文獻 76


圖目錄
圖 一 陣列式氣體感測器 11
圖 二 力朗公司的表面聲波微奈米天平 12
圖 三 感測系統的發展 13
圖 四 人類與機器對環境的感測比較 14
圖 五 量測系統功能方塊圖 15
圖 六 表面聲波元件可應用的領域 17
圖 七 壓電效應示意圖 18
圖 八 正負壓電效應圖 19
圖 九 指叉換能器及其參數 20
圖 十 表面聲波的產生及傳遞 21
圖 十一 利用指叉換能器產生表面聲波 22
圖 十二 雷力波中粒子的橢圓形運動 23
圖 十三 水平剪波元件 24
圖 十四 聲波功率與波速決定每單位體積能量 24
圖 十五 表面聲波元件基本類型 26
圖 十六 晶片及尤拉角 27
圖 十七 指叉方向不同產生的雷力波與樂夫波 29
圖 十八 基本的指叉電極設計圖形 30
圖 十九 表面聲波元件的製作流程圖 32
圖 二十 表面聲波元件測試流程圖 33
圖 二十一 表面聲波元件高頻測試板及其相關參數 34
圖 二十二 表面聲波元件S21參數圖形 35
圖 二十三 TDR/TDT量測與S參數之關係 36
圖 二十四 時域的脈波取樣與頻域的頻譜特性 36
圖 二十五 基本的脈波量測訊號 37
圖 二十六 基本的TDR與TDT量測架構圖 38
圖 二十七 TDR/TDT量測基礎:阻抗變化 39
圖 二十八 不同終端電阻或傳輸線的TDR波形響應 40
圖 二十九 電容電感的串並聯理想TDR響應 41
圖 三十 TDT量測儀器架構圖 42
圖 三十一 表面聲波元件的TDT時間響應 43
圖 三十二 表面聲波元件的TDT時間響應部分放大 43
圖 三十三 表面聲波元件的S21參數圖形 44
圖 三十四 TDT與S參數的轉換電路及設定 46
圖 三十五 表面聲波元件250MHz網路S21參數TDT轉換結果 46
圖 三十六 表面聲波元件3GHz網路S21參數TDT轉換結果 47
圖 三十七 表面聲波元件10GHz網路S21參數TDT轉換結果 47
圖 三十八 表面聲波元件20GHz網路S21參數TDT轉換結果 47
圖 三十九 單埠表面聲波元件等效電路 49
圖 四十 單埠表面聲波元件模型之模擬結果 50
圖 四十一 單埠表面聲波元件等效電路 51
圖 四十二 單埠/雙埠表面聲波元件等效電路比較 52
圖 四十三 Elliptic濾波器與Inverse Chebyshev濾波器之特性 52
圖 四十四 雙埠表面聲波元件量測與Elliptic型電路S21模擬比較 53
圖 四十五 雙埠表面聲波元件量測與等效電路S21相位模擬比較 53
圖 四十六 Elliptic型濾波器等效電路 54
圖 四十七 單埠表面聲波元件串/並聯等效電路 55
圖 四十八 雙埠表面聲波濾波器S21參數部分放大圖 55
圖 四十九 對應雙埠表面聲波元件等效電路 56
圖 五十 雙埠表面聲波元等效電路模擬結果 56
圖 五十一 雙埠表面聲波元量測與等效電路模擬結果比較 57
圖 五十二 雙埠表面聲波元量測與等效電路S21模擬比較 57
圖 五十三 雙埠表面聲波元量測與等效電路S21相位模擬比較 58
圖 五十四 完整雙埠表面聲波等效電路模型 58
圖 五十五 振盪器基本架構圖 59
圖 五十六 哈特萊振盪電路架構 60
圖 五十七 考畢茲振盪電路架構 62
圖 五十八 克萊普振盪電路架構 63
圖 五十九 皮爾斯振盪器包含表面聲波元件基本架構 64
圖 六十 皮爾斯架構的雙埠表面聲波振盪器 65
圖 六十一 共射極放大器轉移增益模擬結果 66
圖 六十二 雙埠表面聲波振盪器振盪條件模擬 67
圖 六十三 雙埠表面聲波振盪器起振模擬 67
圖 六十四 雙埠表面聲波振盪器輸出頻譜模擬結果 68
圖 六十五 雙埠表面聲波振盪器 68
圖 六十六 雙埠表面聲波振盪器輸出頻譜 69
圖 六十七 汽化機感測膜塗佈示意圖 70
圖 六十八 氣體感測實驗架構圖 71
圖 六十九 感測器塗佈EC薄膜對水汽頻率變化圖 73
圖 七十 感測器塗佈FPOL薄膜對酒精氣體頻率變化圖 73


表目錄
表 一 全球表面聲波元件市場需求 10
表 二 感測訊號的分類 16
表 三 感測特性的分類 16
表 四 部分材料的壓電係數 19
表 五 聲波的種類及其特性 22
表 六 表面聲波材料參數 28
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