液晶的光學理論

兩互相垂直的偏振光波速不同，導致相位延遲(phase retardation) 2



.6 液晶試片聲導波波傳理論

下，液晶層內產生不同的壓力梯

， [23] -

-明治結構，其中兩側的玻璃為等向性固體，中間的液晶層簡化為具等 向黏滯係數之牛頓流體，結構示意圖如圖2.17所示，

2

液晶試片在不同導波模態作用

引用施文斌學長 的研究，將液晶試片模擬為玻璃 液晶 玻璃三

x3

度

方向視為無限

程式。試片的液晶層簡化為水，界面連續條件考慮流體層與玻璃界面

(symmetric mode) (anti-symmetric

mode)，應用對稱性，

延伸。以一純勢能函數與一向量勢能函數，推導三明治結構之頻散方

的曳力及厚度方向的位移連續。液晶盒三明治結構具有對稱性，聲導 波 可 分 成 對 稱 模 態 與 反 對 稱 模 態

三明治結構可簡化為上層固體層與一半厚度之液 體層。

第三章 實驗設計與架構

3.1 表面聲波元件製程

本節將詳述實際製作表面聲波元件的過程與量測架構。適當切角 的單晶體壓電材料有較高的機電耦合係數，代表電能轉換成機械能的 效率較高。本研究選用 128° Y-cut 鈮酸鋰為表面聲波元件之壓電基 材，所設計的表面聲波元件以 X 軸的正向為波傳方向，鈮酸鋰的材 料性質詳列於表 1，圖 3.1 所示為其幾何示意圖。根據不同的響應需 求設計指叉狀電極，本研究借用交通大學貴重儀器中心的微機電製程 設備，製作單一與啁啾型兩種表面聲波換能器，並以網路分析儀進行 元件反射與傳輸特性的定性量測，評估元件設計效能的優劣。

3.1.1 壓電基板的選擇條件

1.表面聲波相速度

表面聲波元件的中心頻率由基材的表面聲波相速度與指叉狀電 極的週期數目所決定，採用相同的基材，高頻的表面聲波元件需要較 嚴格的製程技術。若在相同的曝光顯影條件下，選擇高剛性的基材可 延伸應用頻率之上限。另外，在低頻之應用上，為了減小元件的尺寸，

則須選擇低速的基材，延伸應用頻率的下限。

2.機電耦合係數

機電耦合係數為材料電性能量與力學能量之間的轉換比例，以高 機電耦合係數之基材製作表面聲波元件，較具有操控液晶分子排列的 潛力，是選擇基材的考量因素之ㄧ。

3.波束轉向效應

在非等向性材料中，聲波之能量速度方向不一定會與波前垂直，

此即所謂波束轉向效應(beam steering)。當波前與波傳能量方向不垂 直時，指叉狀換能器之配置就必須作調整。這個現象並不會直接影響 元件的表現，但是當波傳能量角度(power flow angle, PFA)增大時，些 微的波傳角度改變就會使波傳能量角度變化很大，因此基板材料方向

元件之線寬在微米的範圍，故採用微機電系統(microelectromechanical system，MEMS)技術製作表面聲波元件，如圖 3.2 所示。以下略述表 面聲波元件的製程步驟與參數。

1.光罩設計

將表 2、表 3 所列設計之表面聲波元件指叉狀電極的幾何參數，

以 AutoCAD 繪製光罩設計圖，如圖 3.3 所示，委託交通大學貴重儀 器中心以雷射圖形產生系統(DWL-200)製作光罩。

2.晶圓清洗

將鈮酸鋰晶圓置入裝有丙酮溶劑的玻璃皿中，再將此玻璃皿放入 超音波振洗機內清潔五分鐘。接著以去離子水(DI water)沖洗五分 鐘，放入盛有 IPA 溶劑的玻璃皿內五分鐘後，再以去離子水沖洗五分 鐘。最後使用氮氣槍吹去附著於表面的水分，放置於加熱盤上，設定 溫度為攝氏 120 度，做去水烘烤，五分鐘即可。

3.金屬薄膜蒸鍍

利用國家奈米元件實驗室的 E-gun 電子槍金屬蒸鍍系統(AST PEVA 600I)，進行晶屬薄膜蒸鍍(metallization)。由於此種機型只能接 受六吋的晶圓，因此將清洗後之鈮酸鋰晶片以耐熱膠帶黏貼於六吋矽 晶圓上，以電子束蒸鍍法(EBE)進行金屬薄膜的沈積。本實驗中，基 礎真空度(base pressure)約為3.7 10 torr ^6 ，以蒸鍍速率 1nm/sec 在鈮 酸鋰壓電基板上沈積厚度約 1500Å 的鋁。

4.微影製程

微影製程(lithography)的目的是將光罩上設計的元件圖案轉移至

塗佈適當光阻的晶圓上。光阻材料曝光後會改變鍵結的機制，經由顯 (mask exposure IR aligner)進行曝光 9 秒鐘，使晶片表面所覆蓋的光阻 層，吸收適當的能量以便進行光化轉換，才能成功且正確的將光罩上 系統(HDP-RIE)，反應性離子蝕刻(reactive ion etching, RIE)，結合物 理性的離子轟擊與化學反應的蝕刻。此種方式兼具非等向性與高蝕刻

積物被離子打掉，故蝕刻可繼續進行。在側壁上的沈積物，因未受離

(1) 使用鑽石刀切割機將 1.1mm 之 玻璃切割為 30mm 40mm 及

(11)將液晶試片置於加熱板上，加熱至 40°C (高於 5CB 液晶清亮點

之間的特性。以探針接觸表面聲波元件，並於元件的輸入及輸出端各 並聯一 50之高功率電阻，與網路分析儀的阻抗匹配，量測系統安裝 的方式如圖 3.4 所示。本研究使用 HP8751A 網路分析儀，工作頻率 範 圍 為 5Hz~500MHz ， 搭 配 使 用 的 HP87511A 散 射 參 數 測 試 組 (S-parameter test set)的工作頻率範圍為 100kHz~500MHz。

3.4.2 吸波塗劑效能量測系統

測試表面聲波元件訊號之系統如圖 3.5 所示，於指叉電極輸入及 輸出端各並聯一 50之高功率電阻，與示波器及函數產生器的輸出阻 抗匹配。為避免指叉電極承受所有功率消耗，將函數產生器設定於叢 發模式(burst)下操作，電壓振幅設為 400mV，產生 20 個叢發週期之 16MHz 弦波訊號。使用游標辨識 DUT 響應頻譜的顯著頻率。首先以

器(Aglient 33250A)，產生電壓訊號，經功率放大器(ENI 325LA)增益 後，激發指叉換能器產生表面聲波。折射進入液晶試片的聲導波會影 響液晶分子排列，利用光接收器(New Focus photo-receiver 1801)觀察 穿透的氦氖雷射光(He-Ne laser)強度變化。最後再以個人電腦的 NI-DAQ 卡擷取光接收器之光強電壓訊號，實驗流程如圖 3.9 所示。

3.4.4 反應時間量測系統

本實驗採用 AM 調變(amplitude modulation)叢發訊號驅動表面聲 波元件，目的為量測液晶分子受到聲導波擾動的反應時間。函數產生 WAT-202D digital color camera)，即時擷取與記錄受聲場影響之液晶層 穿透光強變化，可進一步暸解液晶層內壓力分佈及分子排列趨勢，有 利後續的定性分析。

第四章 實驗量測與結果分析

果相當顯著。 叢發週期(burst period)設定為 1,000 ms，也就是每隔 1,000 ms 給予一 50 ms 的連續正弦波於表面聲波元件，觀察液晶層厚度為 70μm 與 25μm 的液晶盒試片之穿透光強變化。

本實驗使用表面聲波元件產生一頻率為 19.775 MHz、作用時間 50 ms 之連續正弦波，折射進入液晶層中。在 25 μm 與 70 μm 間距的

試片中，皆可觀察到一亮一暗的週期性條紋，顯示指差電極所產生之

在液晶層為 25μm 厚的試片中，無論是激發單一型或啁啾型的表

穿透光強的下降時間(fall time)定義為光強度從 90%變化到 10%

時所需要的反應時間，如圖 4.13 所示，相同厚度的液晶試片量測到

大振幅，如圖 4.14 所示。由圖中可分辨出在 15~18MHz 範圍內，表

晶層內部之界面聲波與聲導波的相速度頻散曲線。實驗結果顯示，液

2009 年 Hodgson et al[20]的研究指出，以 127.68° Y-cut 鈮酸鋰激 發表面聲波，由聲場輻射將能量經液體耦合層傳至上方厚度為 150μm

漏至液體內部的流場分佈，顯示指叉電極激發之洩漏表面聲波(leaky SAW)輻射進入水中，形成沿玻璃基板傳遞的高階反對稱板波，如圖 4.23 所示。

本研究試以碘酒為染料，滴入液體耦合層，如圖 4.24 所示，觀 察液體在耦合層內的流動狀態。以啁啾型指叉電極，驅動電壓設為 31.6V，發現液體耦合層中產生數條垂直於波前的節線，如圖 4.25 所 示，由碘酒與水的混合情形，發現碘酒在流道左右兩側的混合相當劇 烈，推測其壓力不均勻，流體擾動較大，位於中央的流體擾動較緩慢。

洩漏表面聲波造成的聲場流，與Hodgson et al[20]的數值模擬結果相 似度很高。

進一步分析 CCD 相機所擷取的掃頻影像，發現聲場流發生的時 間會因驅動頻率的調整而改變，代表聲場流會在某些特定頻率時被激 發。本研究使用偏光顯微鏡觀察聲場流產生的位置，以麥克筆於玻璃 試片上作記號，將表面聲波元件移至光強量測系統，確認雷射光通過 記號位置，再用酒精將記號擦拭去除，量測液晶試片於不同頻率下之 光通量變化，利用穿透光強的高低判斷內部聲場流產生的顯著與否。

以25、40、70μm 厚的液晶層為實驗對象，液晶盒上下側的玻璃厚度 仍為1,100μm，在相同的驅動頻率範圍內，實驗結果顯示液晶層厚度 增加時，產生共振的模態也隨之增加，如圖4.26 所示。

第五章 結論與未來展望

(4)單一型與啁啾型表面聲波元件的比較：啁啾型表面聲波元件可在 造成的聲場流與Hodgson et al[20]數值模擬的相似度很高。

(2)聲場流所出現的時間會因驅動頻率的調整而改變，代表聲場流可

聲導波更具操控液晶分子排列的潛力。

由本研究的觀察結果，發現液體耦合層厚度對液晶聲光效應的產 生有很大的影響，未來可以設計能精確調整液體耦合層厚度的實驗架 構，作為調制聲光效應的參數之ㄧ。在偏光顯微鏡的部份，可選擇放 大倍率較小的光學管，方便觀察聲場影響液晶分子排列的全貌。

研究結果顯示，雷利波洩漏至液體層產生聲場流的分布相當複 雜，未來可以考慮結合多重物理場耦合的數值模擬軟體，探討微流道 內部的液體流速分佈與不同形式指叉電極之間的關係，達到有效操控 棒狀高分子材料排列的積極目的。

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