表面聲波

表面聲波（Surface acoustic wave）是一種沿彈性材料表面傳播，其振幅隨深入表面深度指數衰減的彈性波。 1885年瑞利首先解析表面聲波的性質及其傳播特性。 表面聲波有廣泛的應用；主要依據它的二方面特性：

1.表面聲波在材料表面傳播的性質，和材料的相互作用規律。

2.利用壓電材料，將電信號轉換成聲信號應用，後再轉換為電信號；

例如：表面聲波傳感器，將電訊號變為聲波傳輸；而它易受物理現象影晌，之後，分析聲波的振幅、相位、頻率和時間延遲等，再變回電訊號，和原來輸入訊號對比而感知信息 ^[1]  。

自上世紀60年代提出利用叉指換能器在壓電晶體表面激發表面聲波以來，新型表面聲波器件的應用已有40餘年的歷史。應用最廣泛的是表面聲波濾波器，包括射頻和中頻帶通濾波器，特別是通信濾波器。其次是表面聲波傳感器，由於表面聲波的傳播速度和衰減與傳播的環境和介質的參量有緊密的聯繫，利用表面聲波器件製作傳感器具有很高的靈敏度。

因此在自動化、生物醫學、化學工業、環境監測及軍事、反恐、輯毒等領域有廣泛應用。

表面聲波有許多模式，應用最廣泛的屬瑞利波，因此“表面聲波(Surface Acoustic Wave,SAW )”常專指瑞利波。廣義而言，凡在固體表面及其附近傳播的聲波都屬於表面聲波。

多種表面聲波模式可用於製作傳感器，主要有瑞利(Rayleigh)波、水平切變聲板模(Shearhorizontal acoustic plate mode或SH APM)、蘭姆(Lamb)波及樂甫(Love )波四種。不同的波型模式適合於檢測(傳感)不同的介質或參量，瑞利模式一般只適合應用於氣體環境;而水平切變聲板模式、蘭姆模式或樂甫模式則對於氣體和液體環境都適合。

表面聲波傳感器以不同靈敏度敏感於周圍物理參量的擾動，如温度變化或外力作用下引起表面聲波傳播動力學的變化，成為温度、壓力、扭力、激波等傳感器，通常稱為物理傳感器；如在表面聲波器件表面塗敷薄層特種物質及催化膜，以高選擇性、高效率吸附周圍的氣體、液體或固體粒子，使器件負載質量發生變化，形成質量、化學或生物傳感器，後者通常稱為化學或生物傳感器。要實現這些目標、並提高檢測靈敏度，一是改進傳感器的結構，如選取適當基片材料及切割方向，以得到最佳的壓電係數，二是優化設計叉指換能器的結構和工作頻率(典型的工作頻率範圍為25-500MHz )、並適當選取換能器電極的材料，以提高換能效率和檢測波形；對於化學或生物傳感器而言，還要優化選擇傳感器的敏感層以及催化膜的材料及其厚度，針對不同的檢測物質選取與所需檢測物質具有高親和力的敏感層材料，以適當厚度吸附足夠的被測物質又不影響器件的插損，並可多次反覆吸附使用。為使傳感器系統能同時檢測不同的特定物質，可用多個表面聲波器件組成陣列，每個器件的敏感膜吸附一種特定物質，利用適當的信號處理技術，可製成化學或生物分析譜儀。

表面聲波器件常用的壓電基片為多種切割和傳播方向的石英(SiO₂) ,鑰酸銼(LiN-bO₃)或鈕酸鏗( LiTaO₃)晶片等。由於薄膜及硅表面工藝技術的發展，常常利用在硅基片表面沉積壓電薄膜而製作表面聲波器件，以便與集成電路等微型器件系統組合。常用的壓電薄膜為氧化鋅(ZnO)、氮化鋁(AlN)或錯欽酸鉛(PZT)等 ^[2]  。

1.瑞利波傳感器

瑞利波傳感器通常亦稱為表面聲波傳感器，一般利用128°YX-LiNbO₃或ST-(X傳播)石英晶片等為基片，前者有高壓電係數，後者温度穩定性較好。製作瑞利波傳感器工藝過程比較簡單，因此最容易達到商品化。由於瑞利波的質點位移為橢圓形軌道，位移存在法向分量，在液固界面傳播時，其能量會漏向液體，不適合用於液體介質的傳感檢測，因此只能應用於氣體環境。由於傳感器的頻率明顯受多種物理量的影響，如測定壓力時會受温度變化的影響，因此常需保持在恆温條件下進行傳感、檢測，或者壓力和温度同時測定。

2.切向水平板模傳感器

由於環境科學及生物工程與技術的發展，檢測環境污染及生物物質的需求不斷增加。傳感器主要是用於液體環境，因此瑞利波傳感器不能使用，通常選擇切向水平位移的聲波模式，如水平切向聲板波模式(SH APM)以及Love波等表面波模式。

水平切向板波傳感器是一種聲波導，限制聲波能量在薄板內，質量檢測靈敏度依賴於板的厚度，板越薄，集中於表面的聲波能量越大，因此對於周圍擾動的靈敏度越高。其獨特優點是上下表面均有切向水平位移，因此上下表面都可用於傳感。為保護叉指換能器，可將其背面用於傳感。已製成水污染傳感器，成功用於飲用水中水銀含量的檢測。

3.Love波傳感器

Love波傳感器是在水平切變表面波器件表面覆蓋薄層波導及超薄金屬催化膜得到，其聲波能量集中在薄層波導內，因此Love波傳感器能非常敏感地反映環境的擾動與變化。與水平切向聲板模相比，如果兩者達到相同的靈敏度，則切向水平聲板波器件要非常薄，其機械強度很差，而Love波器件有較厚的基片襯底，強度要好得多，只是love波器件工藝複雜一些。

4.Lamb波傳感器

Lamb波傳感器是在板中傳播，可看作是由傳播在板的上下表面的兩列瑞利波所組成，如果板的厚度大於2倍波長，兩列瑞利波可自由傳播。如果板的厚度小於2倍波長，則有兩羣Lamb波可互相獨立地在板中傳播：即對稱Lamb波和反對稱Lamb波。通常有無限的對稱和反對稱Lamb波在板中傳播，但是隻有最低階(零階)的反對稱Lamb波的速度隨板厚減小而單調減小 ^[1]  。

表面聲波有下列四個主要方面的應用：

1.電子元件方面的應用；如：以聲波傳播為基礎的濾波器、振盪器、變壓器和傳感器。表面聲波濾波器在移動電話中得到重要的應用。

2.無線電和電視方面的應用；例如；表面聲波濾波器能使無線電接收的頻率範圍很窄和準確。

3.地球物理利用表面聲波和聲波在地球表層傳播的性質，監測和預報地震。

4.利用表面聲波的性質驅動微射流。

表面聲波傳感器由於高靈敏度、高分辨率、高穩定性、體積小以及輸出信號容易處理等優點而得到廣泛應用。利用多種波型發展了多種結構、多種材料的表面聲波傳感器，在氣體和液體環境下，應用於物理、化學和生物方面的參量傳感和檢測。在物理傳感方面有:質量、温度、露點、濕度、密度、濃度、壓力、應力、扭力、紫外線、電壓等等;在化學傳感方面，主要是對各種化學蒸汽、配合物、溶液、環境、食品中的化學成分或有毒有害物質等進行檢測;在生物傳感方面，針對細胞、抗體、細菌、病原體等進行檢測，都得到很好的效果。隨着高科技、生物、化學及醫學的發展，表面聲波傳感器必將發揮更大的作用 ^[3]  。