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研究生:賴俊辰
研究生(外文):JUN-CHEN LAI
論文名稱:表面聲波液體感測器應用於表面活性劑量測
論文名稱(外文):Applied of surface-active agent on Surface Acoustic Wave liquid sensor
指導教授:黃智勇黃智勇引用關係
指導教授(外文):CHIH-YUNG HUANG
學位類別:碩士
校院名稱:國立勤益科技大學
系所名稱:機械工程系
學門:工程學門
學類:機械工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2013
畢業學年度:101
語文別:中文
論文頁數:82
中文關鍵詞:表面聲波表面活性劑分裂指液體感測
外文關鍵詞:surface acoustic wavessurface active agentsplitliquid sensor
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表面聲波(Surface Acoustic Wave, SAW)其傳遞時能量皆集中在基板表面,因而相較於體波的傳遞能量損失較小,且其傳遞時的波傳特性與基板材料有關,亦會受到邊界條件之影響。因此本研究利用此表面聲波特性來進行表面活性劑之檢測,利用微機電製程(MEMS)技術,在壓電基板上製作叉指換能器(Interdigital Transducer ,IDT),利用壓電特性激發表面聲波,並在其傳遞路徑上設計金屬和自由表面,藉由負載液體的聲電特性(如黏滯性,導電度...等)不同,來造成波傳特性的改變,進而偵測其改變值來達到判別液體的功能。
本文首先研究壓電材料特性,選擇適當之壓電基板在其上方濺鍍或蒸鍍上IDT製作液體感測器,本研究所選用之壓電基板為41°YX鈮酸鋰,其機電耦合係數為17.2%,溫度係數為75ppm°C-1,基板波速為4792mS-1,產生波型為SH SAW,此基板所產生之波速、機電耦合係數相較於其它基板(如64°YX鈮酸鋰、ST CUT石英…等)有較高之係數,其波型在液體中不易產生損失。再介紹其常見之表面活性劑(如十二碗苯磺酸鈉、月桂醇流酸鈉、辛基酚乙氧基化物)之特性還有其危(如皮膚炎、水汙染…等),希望以後可結合環保型洗衣機,讓表面活性劑進行汙水分類。
為判別表面活性劑的種類,本研究設計以41°YX鈮酸鋰,中心頻率設計59.9MHz的分裂指結構表面聲波共振器,其分裂指式相較於傳統式IDT其插入損失較低,並製作相同規格兩組感測器,在其中一組感測區鍍上金屬,以金屬表面來排除電性特性來達到準確判定表面活性劑之種類,量測時並製作一腔體感測器以垂直式放式置放,以達到浸入式量測排除空氣中的影響因數,其中感測器封裝採用環氧樹脂來隔絕液體,避免正負極相互導通。
實驗結果顯示分裂指式表面聲波感測器中心頻率為60.4947MHz相較於理論所計算之59.9MHz誤差值大約為1%左右,其金屬表面之波速為60.3693MHz和自由表面之中心頻率相差0.1254MHz。液體判別則是以自由表面之衰減對金屬表面之衰減,利用表面活性劑物理特性不同來達到判別表面活性劑之種類,實驗結果顯示純水所受到之衰減微較低,而SLS在自由表面時衰減大於TritonX-100而在金屬表面傳遞時SLS溶液dB值則略低於 TritonX-100,DN-60由於黏度和導電度皆高於其他液體,則相對衰減較高於其他液體,其中分布區域大約100kHz,DN-60分散不均可能為量測時濃度分佈不均,因其DN-60為非單純之十二烷基磺酸鈉,因此造成此原因。由實驗結果可得知表面活性劑之種類可由此方法辨別。

The energyof propagationof surface acoustic wave (SAW) is concentrated within the surface of substrates and the energy lossof SAW is less than the bulk wave.The properties of propagation depend on the material of substrates and boundary condi-tion.In this study, we detect the surfactants by SAW devices. The composition of the SAW devices were piezoelectric substrates sputtered with interdigital transducers and then surface acoustic waves were excited. In the propagation path, we designed metal and free surface, the loading liquid with various effect of acoustic-electricwould lead to affect the properties of SAW, we can identifythe loading liquid by detect the change of SAW.
First, we choice the material of 41°YX LiNbO3 as substrate, which can be ex-cited SH SAW and have the characters of higher Electromechanical coupling factor, faster phase velocity and stable temperature coefficient. Using the technology of MEMS, we design resonators with split IDT and the central frequency is 59.9M Hz. The split IDT have lower insertion loss than normal IDT. One group of resonators deposit Al thin film on sensing region to exclude electrical characteristics of liquid to achieve accurately detect the types of surfactants. In this study, we measure the prop-erties of surfactants (SNDS, SDBS, SLS,TritonX-100, ..etc.) using immersion mea-surements, the sensor immersed in the liquid under test can effectively rule out the liquid quality and environmental impact of interfering factors on the velocity, and real-time monitoring of changes.
Experimental results show split type SAW sensor refers to a center frequency of 60.4947MHz, compare to the theoretical calculation approximately 1% error. In the free surface propagation path, the order of attenuation of energy is wa-ter&;lt;SLS&;lt;TritonX-100&;lt;DN-60. In terms of the metal-film surface propagation path, the order of attenuation of energy is water&;lt; TritonX-100&;lt; SLS&;lt; DN-60. Therefore, we can identify the surfactants by detect the attenuation of energy.

目錄
摘要 i
abstract iii
目錄 v
表目錄 vii
圖目錄 viii
第一章 緒論 1
1.1研究動機和目的 1
1.2文獻回顧 3
1.3論文結構 5
第二章 表面聲波與表面活性劑的介紹 6
2.1前言 6
2.2體波與表面聲波的簡介 6
2.3 壓電材料與特性 11
2.3.1 正壓電效應 11
2.3.2 逆壓電效應 11
2.3.3 壓電材料 12
2.4表面活性劑的簡介 15
2.5表面活性劑選擇 19
2.6表面活性劑特性量測 24
第三章 表面聲波感測器設計 28
3.1前言 28
3.2表面聲波感測器的作用原理 28
3.2.1感測器結構 28
3.2.2表面聲波工作原理 29
3.2.3表面聲波元件參數 30
3.3感測器的設計 32
第四章 表面聲波液體感測器製作 43
4.1前言 43
4.2感測器製作 43
4.2.1微影製程 45
4.2.2 金屬電極製程 52
4.2.3打線封裝 55
第五章 表面聲波感測器量測 57
5.1前言 57
5.2量測系統 57
5.3量測結果 61
5.3.1分裂指元件特性量測 61
5.3.2表面活性劑種類的判別 63
第六章 結論與未來展望 76
參考文獻 78



表目錄
表2.1表面聲波波型種類 7
表2.2壓電材料種類表 14
表2.3實驗選擇表面活性劑物理特性 27
表3.1表面聲波感測器之設計規格表 42


圖目錄
圖2.1縱波 8
圖2.2橫波 8
圖2.3雷利波 9
圖2.4表面橫波 9
圖2.5拉福波 10
圖2.6正壓電效應 11
圖2.7逆壓電效應 12
圖2.9十二烷苯磺酸鈉分子結構圖 20
圖2.10 30%DN-60樣本液體 21
圖2.11月桂醇硫酸鈉分子結構圖 21
圖2.12 30%SLS樣本液體 22
圖2.13辛基酚乙氧基化物分子結構圖 23
圖2.14 30% TritonX-100樣本液體 23
圖2.15密度量測示意圖 25
圖2.16黏度量測示意圖 26
圖3.1典型表面聲波元件結構 29
圖3.2延遲線距離設計示意圖 32
圖3.2 SAW Sensor (a) 自由表面 (b) 金屬表面 34
圖3.6 液體負載黏滯性對表面聲波衰減常數γ的影響 37
圖3.7布拉格反射示意圖 39
圖3.8 Split IDT 結構示意圖 41
圖4.1感測器製作流程圖 44
圖4.2晶圓清洗 46
圖4.3 超音波震盪器 46
圖4.4 光阻塗佈機 47
圖4.5 曝光機 48
圖4.6 顯影 50
圖4.7 以氮氣槍吹式晶圓 50
圖4.8 硬烘烤 51
圖4.9 濺鍍工作示意圖 52
圖4.10 濺鍍機 53
圖4.11 線上電子顯微鏡(OM) 54
圖4.12封裝完成圖 56
圖5.1量測系統示意圖 58
圖5.2 為頻率校正圖(a)為校正工具(b)為輸入輸出端校正圖(c)為輸入輸出端連結訊號校正 59
圖5.3表面聲波液體流動方向量測示意圖 60
圖5.4自由表面頻譜分析圖 61
圖5.5金屬表面頻譜分析圖 62
圖5.6自由表面和金屬表面之中心頻率偏移 62
圖5.7自由表面純水量測(1) 63
圖5.8自由表面純水量測(2) 64
圖5.9自由表面純水量測(3) 64
圖5.10自由表面SLS量測(1) 65
圖5.11自由表面SLS量測(2) 65
圖5.12自由表面SLS量測(3) 66
圖5.13自由表面TritionX -100量測(1) 66
圖5.15自由表面TritionX -100量測(3) 67
圖5.16自由表面DN-60量測(1) 68
圖5.17自由表面DN-60量測(2) 68
圖5.18自由表面DN-60量測(3) 69
圖5.19金屬表面純水量測(1) 69
圖5.20金屬表面純水量測(2) 70
圖5.21金屬表面純水量測(3) 70
圖5.22金屬表面SLS量測(1) 71
圖5.23金屬表面SLS量測(2) 71
圖5.24金屬表面SLS量測(3) 72
圖5.25金屬表面TritionX -100量測(1) 72
圖5.26金屬表面TritionX -100量測(2) 73
圖5.27金屬表面TritionX -100量測(3) 73
圖5.28金屬表面DN-60量測(1) 74
圖5.29金屬表面DN-60量測(2) 74
圖5.30金屬表面DN-60量測(3) 75
圖5.31自由表面衰減對金屬表面衰減 75



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