* XLGLQJ O D\ HU

第四章 元件製作和量測結果與討論

4.1 拉福波感測元件製作

(1) 基板清洗

基板之潔淨度嚴重影響鋁金屬的附著，所以基板的清洗對指叉狀電極 製作相當重要，潔淨度愈高，金屬與基板的附著力愈好。本研究先將石英 基板置於丙酮(acetone, ACE)，以超音波震洗石英基板 5 分鐘，目的在於除 去基板表面的塵粒(particle)，接著置於異丙醇(isopropyl alcohol, IPA)中，以 超音波震洗 3 分鐘，目的為除去石英基板上的丙酮，最後以去離子水(D.I.

water)將殘餘的異丙醇洗淨，然後吹乾石英基板，置於熱墊板(hot plate)上，

以 110 ℃進行去水烘烤(dehydration baking)15 分鐘，目的為去除水分，以 及增加基板與光阻或金屬之間的結合性。去水烘烤完成後，經由光學顯微 鏡觀察石英基板是否潔淨，若潔淨度不高，必須再一次清洗基板，以達到 高潔淨度的要求。除此之外，亦可以硫酸(sulfuric acid, H2SO₄)加雙氧水 (hydrogen peroxide, H₂O₂)清洗石英基板 5 分鐘，混合體積比為 3：1，接著 置於去離子水中將硫酸洗淨後，吹乾石英基板，並且以 110 ℃進行去水烘 烤 15 分鐘。兩者方法皆可，以硫酸加雙氧水效果最佳。

(2) 指叉狀電極製作

本研究使用舉離法和濕蝕刻法來製作指叉狀電極，製作步驟如下所述：

a. 舉離法製程

石英基板為一透明光滑的材料，其與光阻的結合性相當差，故在塗佈 光阻前需先在基板上旋塗六甲基二矽氮烷(hexamethyldisilazane, HMDS)，

又名六甲基二矽胺烷，其結構式為(CH₃)₃SiNHSi(CH₃)₃，此步驟即為塗底

(priming)程序，目的在增加光阻對基板表面的附著性，避免光阻於顯影時 被掀除。塗底完成後，接著以光阻旋塗機旋塗 AZ 6112 光阻，旋塗條件為：

第一階段：500 rpm，10 秒；

第二階段：1500 rpm，10 秒；

第三階段：500 rpm，5 秒。

將上好光阻的石英基板放在熱墊板上，以 100 ℃軟烤(soft baking)約 90 秒，

軟烤的目的在於去除光阻層內所含的溶劑，且增加與基板之間的附著力，

當軟烤溫度較低，表示光阻含溶劑成份較多，會造成顯影速度快，對於線 寬的控制較不容易；反之，若光阻內溶劑較少，則需要更大的曝光能量，

但對線寬的控制較佳。軟烤完後，將石英基板靜置在桌上 3 分鐘，接著置 於光罩對準 UV 曝光機上，以第一道光罩負片曝光 1.8 秒，其曝光劑量為 50.35 mW/cm²，然後將曝光完成的石英基板置於 AZ 300 MIF 之顯影液顯 影 2 分鐘，目的為將曝光部份以溶劑洗去，而留下未曝光部份圖形。最後 以去離子水沖洗 3 分鐘，並且吹乾石英基板，以表面輪廓量測儀量測其膜 厚約 1.3 µm。

定義完指叉狀電極的圖案後，將石英基板置於金屬蒸鍍機的腔室中，

以真空熱蒸鍍(thermal evaporation)之方式蒸鍍鋁金屬(鋁的密度為 2.7 g/cm³，熔點為 660 ℃)，其中蒸鍍鋁膜之優劣將直接影響到元件的特性，

所以一般會要求鋁與基板的附著性要好。蒸鍍鋁完成後，採二階段式舉離 鋁，第一階段把石英基板放入丙酮中半小時，先將大面積的鋁舉離掉，第 二階段以超音波震洗(輸出功率 25 W，振盪頻率 40 kHz)舉離指叉狀電極之 間較小面積的鋁金屬，最後以去離子水清洗及空氣槍吹乾後，即完成指叉 狀電極的製作。圖 4.1(a)為指叉狀電極的舉離成功圖；圖 4.1(b)為以表面輪 廓量測儀量測其鋁厚度為 510 Å 左右。雖然指叉狀電極舉離成功，但是舉

離鋁的良率不佳(30 %)，若要提高指叉狀電極製作之良率，有下列四項改 善方式：

(1) 增加光阻厚度；

(2) 減少鋁金屬厚度；

(3) 垂直的光阻結構側壁；

(4) 基板之潔淨度，以利於增加基板與鋁金屬的附著性。

b. 蝕刻法製程

去水烘烤完成後，先在石英基板上蒸鍍鋁金屬，並且經過上述的光阻 旋塗、軟烤、曝光、顯影及定影…等步驟，即可完成指叉狀電極的蝕刻擋 罩(AZ 6112)，其中顯影採二階段式進行，第一階段顯影 2 分鐘，將曝光部 份以溶劑洗去，第二階段以新鮮的顯影液進行顯影 20 秒，目的為避免已 溶於顯影液的光阻附著於基板上，即有殘留光阻在石英基板上面，在經過 硬烤後，其會阻擋鋁的蝕刻，使原本應該交叉的指叉狀電極，會因蝕刻不 完全而連接在一起，不過第二階段顯影程序不宜太久，否則會有少量的鋁 被 AZ 300 MIF 的顯影液腐蝕溶解。

完成蝕刻擋罩後，以 80 ℃進行硬烤(hard baking)30 分鐘，硬烤目的為 除去剩餘的溶劑及水氣、增加對酸的抵抗力及增進附著性，以避免遇酸剝 落。硬烤完後，以濕蝕刻去除未被光阻覆蓋的鋁金屬薄膜，而控制鋁蝕刻 的主要參數有溶液濃度、蝕刻時間、蝕刻溫度及是否攪拌…等。鋁的濕式 蝕刻主要是使用磷酸(phosphoric acid, H₃PO₄)、硝酸(nitric acid, HNO₃)、醋 酸(acetic acid, CH₃COOH)及去離子水的混合溶液來進行，鋁蝕刻的化學反 應機制為藉由硝酸與鋁反應產生氧化鋁，再由磷酸和水來分解氧化鋁。一 般鋁蝕刻加熱的溫度約在 35 ℃ ~ 60 ℃之間，蝕刻濃度或溫度愈高，蝕刻

速率愈快。除此之外，由於溶液組成的比例與蝕刻溫度的不同，以及攪拌 是否，均會影響鋁的蝕刻速率(常見的範圍約在 1000 ~ 3000 Å /min 之間)。

本研究以磷酸、硝酸、醋酸及去離子水的混合溶液進行蝕刻，混合體 積比為 4：1：4：1，在室溫及無攪拌的情形下，混合後之前十分鐘，鋁蝕 刻率為 500 ~ 600 Å /min，約 4 分鐘即可完成鋁的蝕刻。若蝕刻時間過久，

會造成嚴重的底切現象(undercut)產生，導致元件線寬失真，元件製作過程 必須盡量避免底切發生，才能製造出等線寬的指叉狀電極。除此之外，若 鋁的蝕刻溶液放置過久，會造成鋁蝕刻率下降迅速。鋁蝕刻完成後，將基 板置於丙酮內 30 秒，去除指叉狀電極上的光阻，即可完成指叉狀電極之 製作。圖 4.2(a)為指叉狀電極之蝕刻成功圖，良率為 100 %；圖 4.2(b)為以 表面輪廓量測儀量測其鋁厚度為 2348 Å 左右。

(3) 旋塗波導層與裸露電極

製作出指叉狀電極後，旋塗 SU-8 負型光阻、AZ 6112 正型光阻作為拉 福波感測器之波導層。

a. SU-8 負型光阻

首先，因為 SU-8 2025 光阻屬於負型厚膜光阻，適用於旋塗 13 µm 以 上的厚度，所以本研究先將 SU-8 負型光阻專用之稀釋劑(thinner)加入到 SU-8 2025 之中，目的在於稀釋 SU-8 2025 負型光阻，以利於旋塗 8 µm 以 下的厚度。在混合、攪拌並且靜置一天後，再進行塗佈 SU-8 負型光阻，若 沒有靜置便進行旋塗，會造成旋塗完後有很多小氣泡(bubble)產生。調配完 成 SU-8 負型光阻之後，須先在基板上旋塗 SU-8 專用黏著層(omnicoat)

【37】，其用來增加石英基板與 SU-8 負型光阻的附著性，以避免 SU-8 負 型光阻於顯影時，因與石英基板的附著性不佳而被掀除，其旋塗條件為：

第一階段：1000 rpm，5 秒鐘；

第二階段：3000 rpm，10 秒鐘；

第三階段：500 rpm，5 秒鐘。

將上好 SU-8 專用黏著層的石英基板放在熱墊板上，以 120 ℃進行軟烤 1

分鐘，接著以光阻旋塗機進行旋塗 SU-8 負型光阻，其旋塗條件為：

第一階段：500 rpm，10 秒鐘；

第二階段：4500 rpm，100 秒鐘；

第三階段：500 rpm，5 秒鐘。

其中第二階段旋塗秒數為 100 秒，目的為得到均勻厚度的波導層，避免因 均勻性不佳，增加拉福波元件的插入損失。在旋塗SU-8 波導層後，將石英 基板置於熱墊板上，以二階段式進行軟烤，先以 65 ℃烘烤 2 分鐘，接著 以 95 ℃烘烤 4 分鐘，烘烤完後，室溫下靜置半小時，然後置於光罩對準 UV 曝光機上，以第二道光罩負片進行曝光 1.5 秒，其曝光劑量為 39.75 mW/cm²，然後進行曝後烤(post exposure baking, PEB)，先以 65 ℃烘烤 2 分鐘，接著以 95 ℃烘烤 4 分鐘，烘烤完且靜置半小時後，置於顯影液(SU-8 developer)顯影 30 秒，將未曝光的部份以顯影液洗去，已曝光的部分則因 分子聚合而留下圖形，最後置於異丙醇 2 分鐘，完成 SU-8 波導層的拉福 波元件製作。圖 4.3(a)為 SU-8 波導層製作完成圖；圖 4.3(b)為以表面輪廓 量測儀量測其波導層膜厚約 5.911 µm。

b. AZ 6112 正型光阻

在塗佈光阻前需先在基板上旋塗 HMDS，接著以光阻旋塗機進行旋塗 AZ 6112 光阻作為波導層，其旋塗條件為：

第一階段：500 rpm，5 秒鐘；

第二階段：500 rpm，100 秒鐘；

第三階段：500 rpm，5 秒鐘。

將上好光阻的石英基板放在熱墊板上，以 100 ℃軟烤(soft baking)約 120 秒，烘烤完後室溫靜置 3 分鐘，然後置於光罩對準 UV 曝光機上，以 第二道光罩正片進行曝光 3 秒，其曝光劑量為 79.5 mW/cm²，接著將曝光 完的石英基板放入 AZ 300 MIF 之顯影液顯影 2 分半及去離子水沖洗 3 分 鐘，以表面輪廓量測儀量測其膜厚約 2.130 µm。圖 4.4(a)為 AZ 6112 波導 層製作完成圖，由圖中可知在微影製程時，有過顯的情形產生，但是一點 也不會影響拉福波元件的性能表現；圖 4.4(b)為以表面輪廓量測儀量測其 波導層膜厚約 2.130 µm。

(4) 晶圓切割

晶圓切割之目的是將前製程加工完成的晶圓，其上之晶粒(die)作切割 分離。當石英晶圓進行切割時，可能會造成切割的裂痕(crack)深入到元件 內，所以在設計時，元件間的最小距離最好在 1000 µm 以上，而本研究元 件之間的距離則在 2000 µm 以上。在拉福波元件製作完成後，委託晶圓切 割廠商(泉宇工業社)代工，圖 4.5(a)為晶圓切割的示意圖；圖 4.5(b)為石英 基板切割完成圖。

(5) 印刷電路板製作

印刷電路板是電子產品中不可或缺的關鍵零組件，提供電子零組件安 裝與插接主要的支撐體。經過電路設計，並且將連接電子零組件的線路繪 製成配線圖形後，將此圖案製成簡易膠片，然後在感光電路板上，經由曝 光、顯像、蝕刻…等加工的過程，製成一完整的金屬線路圖案。本研究採

a. 簡易膠片製作：使用高品質的印表機，將繪製完成的電路圖(Microsoft Visio 繪製而成)印製在半透明狀的描圖紙(tracing paper)或投影片上。

b. 曝光：以數字式定時曝光機曝光 90 秒。

c. 顯像：將 25 克的感光電路板顯像劑(developer)加入到溫水(40 ~ 60 ℃) 中均勻混合後，進行顯像約 30 秒，然後置於水中將顯像液洗淨，顯像 目的為祼露欲蝕刻銅的區域。

d. 蝕刻：以氯化鐵(ferric chloride, FeCl₃)蝕刻銅約 20 分鐘，並且置於水中 將蝕刻液洗淨，即可完成感光電路板製作。

e. 切割：使用印刷電路板切割機，將感光電路板切成數小片電路板。

感光電路板上所製作的線路必須統一，並且儘量要求精確，否則若感 光電路板上的銅金箔的面積不同，其所產生的阻抗也會因此不同，對元件 量測會產生影響。除此之外，元件的電極必須接近印刷電路板的銅箔，以 利於打鋁線，否則太長的鋁線不但容易脫落，並且亦會增加其阻抗值。

(6) 打線

將切割完成的拉福波元件黏貼在印刷電路板上，並使用鋁線銲線機(型 號 SPB-U668)進行打線(wire bonding)，銲鋁線乃是以極細的鋁線，將元件 的電極連接到印刷電路板上，進而藉此將電訊號傳輸至指叉狀電極，或將 電訊號輸出，此部分委託廠商(宇照公司)代工，圖 4.6 為打完鋁線的完成圖。

(7) 阻抗匹配

a. 設計阻抗匹配的原因

圖 4.7【38】為一雙埠的電路網路(two-port network)，雙埠的電路網 路即指具有一個訊號輸入埠(input port)及一個訊號輸出埠(output port)。假

設 P_AVS為訊號源的輸出功率、P_RET為訊號源反射的功率(power from source reflection)、P_IN為輸入埠的功率(power of input port)、P_AVN為電路網路輸出 功率及 P_L 為實際接收到的功率，前述的下標 AVS 指 Available from Source，AVN 指 Available from Network。若當電路網路的兩邊阻抗相同時 (指輸入端的阻抗與匹配之元件阻抗相同)，即所謂的阻抗匹配(impedance matching)時，一輸出功率為 P_AVS的訊號源輸入到電路網路左邊的輸入埠，

不會有反射訊號 P_RET的產生，即 P_AVS = P_IN；若訊號源與輸入埠間的阻抗 不相同時，會導致 P_AVS在進入輸入埠之前，產生反射訊號功率 P_RET，而進 入電路網路的功率只剩下 P_IN。P_IN經由電路網路後，最後輸出功率為 P_AVN， 又因輸出埠的阻抗問題，所以負載實際接收到的功率只有 P_L。在.經過電 路網路後會造成訊號的衰減，而插入損失為元件所需量測的數值之一，其 定義如下所示：





=

L AVS

P

IL 10log P dB (4.1)

b. 史密斯圖

史密斯圖(Smith chart)為一很好用的圖解工具，由 Z 圖(Z chart)及 Y 圖 (Y chart)所組成，主要應用於阻抗匹配，Z 圖代表阻抗座標(impedance coordinate) ， 適 用 於 分 析 負 載 阻 抗 (impedance) ， 由 定 電 阻 圓 （ constant resistance circle）與定電抗圓（constant reactance circle）所組成；Y 圖代表 導納座標(admittance coordinate)，適用於分析負載導納(admittance)，由定 電導圓（constant conductance circle）與定電納圓（constant susceptance circle）

所組成。使用史密斯圖來設計匹配電路的優點為可得到較精確的匹配電 路，以及有較多種匹配電路可供選擇。一般常用 Z 圖來設計電路，但在有 些情況下，將運用 Y 圖來設計電路，實際上把 Z 圖上下顛倒且左右相反，

抗虛部 X 皆大於零，即具電感性阻抗，相反地，下半部份代表阻抗虛部 X 皆小於零，即具電容性阻抗；Y 圖的上半部份代表導納虛部小於零，下半 部代表導納虛部大於零【38-39】。

史密斯圖的中心點，其意義為阻抗沒有虛部，且無任何反射現象的發 生，即完全匹配。以史密斯圖進行阻抗匹配時，需要同時具有 Z 圖與 Y 圖 的史密斯圖，除此之外，史密斯上的數值皆已被標準化(normalized)，依情 況決定標準化電阻(normalized resister)是採 50Ω或 75Ω，若標準化電阻為 50Ω，則負載阻抗對應於史密斯圖，標準化必須除以 50，再對應於 Z 圖；

反之，若負載電導對應於史密斯圖，標準化必須乘以 50，再對應於 Y 圖。

阻抗匹配電路由電感及電容的串聯與並聯所組成，如下所述：

1. 串聯電容：如同使阻抗的電抗值減少，對應到史密斯圖上，可由電感性 阻抗匹配到電容性阻抗，其移動軌跡如圖 4.5 的 A。

2. 並聯電感：如同使導納的電納值減少，對應到史密斯圖上，可由電容性 導納匹配到電感性導納，其移動軌跡如圖 4.5 的 B。

3. 串聯電感：如同使阻抗的電抗值增加，對應到史密斯圖上，可由電容性 阻抗匹配到電感性阻抗，其移動軌跡如圖 4.5 的 C。

4. 並聯電容：如同使導納的電納值增加，對應到史密斯圖上，可由電感性 導納匹配到電容性導納，其移動軌跡如圖 4.5 的 D。

史密斯圖具較多種匹配電路可供選擇，且光波元件分析儀(HP 8702D)，

其輸出阻抗 R_S為 50Ω，所以阻抗匹配，原則上是匹配到 50Ω，也就是在 中心頻率時電阻值為Z₀(1+0j)，導納Y₀(1+0j)，即圖 4.9 的 O 點。阻抗匹 配網路一般可分為三種：L 型、π 型及 T 型三種，選用何種匹配端視情況 而定，除非有特別需求，一般都是以最少的零件來完成匹配。圖 4.10 為眾

多匹配電路中的其中四種，此四種屬於 L 型匹配網路(L-type matching network)，其構造型狀有如英文字母 L，故稱為 L 型匹配網路，或稱為雙 元件匹配網路(two-element matching network)，配合圖 4.9 分別說明敘述如 下【38-40】：

1. 路徑 ADO ：沿著定電阻圓，以順時針方向至 D 點(串聯電感)，接著沿 著定電導圓，以順時針方向到達 O 點(並聯電容)，其匹配電路如圖 4.10(a) 所示。

2. 路徑 ACO ：沿著定電阻圓，以順時針方向至 C 點(串聯電感)，接著沿 著定電導圓，以逆時針方向到達 O 點(串聯電感)，其匹配電路如圖 4.10(b) 所示。

3. 路徑 ABO ：沿著定電導圓，以逆時針方向至 B 點(並聯電感)，接著沿 著定電阻圓，以逆時針方向到達 O 點(串聯電感)，其匹配電路如圖 4.10(c) 所示。

4. 路徑 AEO ：沿著定電導圓，以逆時針方向至 B 點(並聯電感)，接著沿 著定電阻圓，以逆時針方向到達 O 點(串聯電容)，其匹配電路如圖 4.10(d) 所示。

現階段有關於以史密斯圖進行阻抗匹配的軟體相當多種，常見的有 Advanced Design System (ADS)、AppCAD、WINSMITH… 等，本研究以 WINSMITH 軟體進行阻抗匹配，首先以光波元件分析儀(HP 8702D)量出指 叉狀電極的負載阻抗 Z_L，接著以 WINSMITH 軟體觀察負載阻抗在史密斯 圖的位置，其中光波元件分析儀具有網路分析儀的功能，可以量測元件的 頻率及相位，然後選擇圖 4.10 (a) ~ 圖 4.10 (d)匹配電路中的一種進行阻抗 匹配。

c. 線圈電感製作

當以 WINSMITH 軟體進行阻抗匹配時，一般市面上容易取得的電感 值最小依次為 100 µH、220 µH、330 µH…等，若需要某一固定值的電感，

但該電感值不易取得，會造成阻抗匹配的困難，而空心線圈(air wound coil) 亦是一種微小的電感元件，圖 4.11【38】為其結構圖。整個線圈的電感值 可由下式估算：

L r N L r

4 . 25 9 . 22

2 2

= + µH (4.2)

其中 r 為線圈的半徑，D = 2r 為線圈的直徑，L 為線圈的長度、N 為線圈 的匝數。

當線圈的匝數 N 愈多、線圈的半徑愈大、線圈的長度愈長，以及線圈 所用的導線線徑愈細，其電感值愈大；反之亦然。在設計空心線圈電感時，

除了要獲得所要的電感值之外，還須要求高 Q 值，所以建議遵循(4.3)式：

2DN <L< 2DN (4.3)

為得到一高 Q 值的線圈電感，亦希望電感的共振頻率愈大愈好(即頻 率適用範圈愈廣)，所以為降低線圈的寄生電容(parasitic capacitance)，所以 建議遵循(4.4)式：

2D L

D < < (4.4) 本研究針對市面上不易購得的電感值(如 100 µH 以下)，參考表 4.1 的 線圈電感對照表【38】，以線圈直徑 0.5 mm 漆包線(enamel-insulated wire) 繞出所要的電感值，並且滿足(4.3)及(4.4)式，找出最佳的線圈長度，降低 線圈的寄生電容及得到高 Q 值的線圈電感。

4.2 拉福波元件量測方式

a. S 參數

網路分析儀所量的「S」參數(scattering parameter)，稱之為散射係數。

在高頻的量測上，S 參數提供了有用的定性量測方法，以便於分析雙埠或 多埠元件的特性，並且其為高頻電路或元件必測之參數，S 參數為反射及 傳輸係數的組合，圖 4.12【24,38】中輸入一電壓訊號 a₁，若輸入埠未能完 全匹配，會產生反射訊號 b₁；實際進入電路網路內的訊號，經過電路放大 或衰減後輸出訊號 b₂至負載，如輸入埠與負載間未能完全匹配，亦會造成 反射訊號 a₂。

S 參數的定義是元件的響應與激發信號的比值，以一個雙埠元件而 言，會衍生出 S₁₁、S₂₂、S₂₁及 S₁₂四個 S 參數。其中 S₁₁為輸入的反射係數 ( reflection coefficient)，其物理意義為端埠 1(port 1)的反射係數；S₂₂為輸出 的反射係數，其物理意義為端埠 2(port 2)的反射係數；S21為順向穿透係數 (transmission coefficient)，其物理意義為端埠 1 到端埠 2 的穿透係數；S₁₂ 為逆向穿透係數，其物理意義為端埠 2 到端埠 1 的穿透係數。反射係數代 表同埠之間反射波與入射波能量的比值，而穿透係數則代表雙埠之間穿透 波與入射波能量的比值，各個 S 參數定義如下：



 



⋅



 



=



 





2 1 22 21

12 11 2

1

a a S S

S S b

b (4.5)

其中輸入反射係數

1 0 1 11

2=

= a a

S b ；逆向穿透係數

2 0 1 12

1=

= a a

S b ；

順向穿透係數

2 0 1 21

2=

= a a

S b ；輸出反射係數

2 0 2 22

1=

= a a

S b 。

b. 量測方式

在打線完成後，將電容、電感焊接在印刷電路板上，並且在印刷電路 板的兩側焊接 SMA 接頭，如圖 4.13(a)(b)所示。圖 4.13(a)右圖為印刷電路 板上的拉福波元件、電容與電感配置示意圖，左圖為 SMA 的實體圖，其 中整個 SMA 接頭可作為接地端之用，中間為其訊號傳輸端(非接地端)，而 所購置的 SMA 接頭為一公一母，並且接頭上有二個圓洞(circle hole)，俗 稱螺絲孔。在進行焊接時，必須使焊錫(錫中有摻雜銀為佳)充滿圓洞，再 連接到接地端，圓洞的目的為增加 SMA 與印刷電路板的穩固性。若焊錫 沒有充滿圓洞，會造成所焊接的 SMA 接頭不穩固牢靠。圖 4.13(b)為印刷 電路板上的元件、電容與電感實際配置圖，圖中的電感為電阻式電感。

圖 4.13(c)為光波元件分析儀量測拉福波感測元件的示意圖焊接完 SMA 接 頭 後 ， 將 指 甲 油 (nail oil) 塗 在 指 叉 狀 電 極 的 二 側 作 為 吸 收 器 (absorber)，目的為吸收由邊緣反射的拉福波，避免因反射而造成訊號干 擾，即圖中的箭頭 A 及 B，然後經由光波元件分析儀量測元件 S₁₂、S₂₁及 相位，其中 S₂₁包括元件的中心頻率與插入損失，而 S₁₂作為確定響應圖形 與 S₂₁一致之用。此光波元件分析儀的操作頻率範圍在 30 kHz ~ 3 GHz 之 間，主要量測其頻率及相位響應；頻率響應可知元件的中心頻率及插入損 失，而相位響應可知相位在某一區間是否線性，元件是否可以用來作為相 位偏移之用。圖 4.13(d)為實際量測系統圖，首先以水進行元件測試，然後 再滴入老鼠細胞(3T3)於感測區上，量測不同的 3T3 濃度與頻率轉移之相對 關係圖，圖 4.14 為光學顯微鏡拍攝的老鼠細胞(3T3)圖。

4.3 元件量測

(1) 表面飛掠塊體波

因為拉福波元件是在表面飛掠塊體波元件上的指叉狀電極及感測區 沈積一層波導層，將其轉變為拉福波，所以確定表面飛掠塊體波元件是否 有訊號產生是相當重要的課題。本研究所設計的二組指叉狀電極皆為均勻 對稱型，所以理論上所量測出的S₁₂與S₂₁的頻率響應圖必須相同，簡而言 之，即不論訊號是由端埠2到端埠1或端埠1到端埠2，其波形相同。圖4.15 和圖4.16為量測編號35元件之S₁₂與S₂₁的頻率響應圖，其設計的表面聲波波 長為40 µm，由圖4.15和圖4.16可知響應圖形一致。

圖4.16為編號35元件的S₂₁頻率響應(加吸收膠)，掃描頻率範圍為120 MHz ~ 130 MHz，並且以一格5 dB的間距(即圖中一格的高度為5 dB)表示。

圖中的點1為所設計的中心頻率124.75 MHz (表面飛掠塊體波速度4990 m/s)，點2為實際量測出的中心頻率124.849 MHz (表面飛掠塊體波速度 4993.96 m/s)，插入損失為-23.233 dB，在量測數個元件之中，其插入損失 最小，主要是因為聲波孔徑為80 λ，即指叉狀電極重疊長度大，使元件的 頻率響應性能佳。此元件與設計的中心頻率只相差0.099 MHz，相差微乎 其微，若與原先設計的中心頻率相差甚多時，其可能原因有：

1. 有學者以表面飛掠塊體波速度5050 m/s【36】或4990 m/s【11】計算之，

而本研究以4990 m/s計算，導致設計的中心頻率不同。

2. ST-cut石英基板切邊的角度有些許的誤差，導致表面飛掠塊體波速度 非文獻所記載的數值。

3. 指叉狀電極製作時，ST-cut石英基板與光罩的對準有小角度誤差，導 致表面飛掠塊體波波速改變，中心頻率因此不同。

4. 由V ₌ f _×λ可知，若指叉狀電極寬度未達理想值，則中心頻率亦會因 此不同。

5. 指叉狀電極厚度太厚，產生較大質量負載效應，使中心頻率偏移大。

圖4.17為編號35元件的相位響應圖，在設計的中心頻率124.75 MHz(點 1)附近，其曲線呈現線性，顯示在此區段附近適合於感測之用，若呈現非 線性，可能會造成生物感測時有誤差產生。圖4.18為未加吸波膠的頻率響 應圖，由圖4.16與圖4.18可知前者的頻率響應圖為較平滑的(smooth)的曲 線，這是因為在元件兩側加吸收膠，可將邊緣反射的表面飛掠塊體波吸收 掉，避免因反射而造成訊號干擾，造成中心頻率的誤判，而後者響應圖形 呈現鋸齒狀，非平滑的曲線，這是因為聲波傳遞到元件的邊緣產生聲波反 射，干擾原來的頻率響應，造成中心頻率的誤判，若反射回來的聲波產生 破壞性干涉，會增加元件的插入損失。除了加吸收器，亦可在兩側加金屬 反射柵欄或將兩側切成45°，其中加金屬反射柵欄可將聲波反射回指叉狀電 極，而將兩側切成45°，可將聲波反射至其餘地方，避免聲波反射回到指叉 狀電極。

圖4.19為編號34元件的S₂₁頻率響應圖，掃描頻率範圍為120 MHz ~ 130 MHz，表面聲波波長為40 µm，圖中的點1為所設計的頻率124.75 MHz (表 面飛掠塊體波速度4990 m/s)，點2為元件量測的中心頻率124.814 MHz (表 面飛掠塊體波速度4992.56 m/s)，量測的插入損失為-25.7 dB。點2與原本所 設計的中心頻率相差0.099 MHz。圖4.20為S₂₁的相位響應圖，圖中可知在 中心頻率124.75 MHz(點1)附近呈現線性，適合相位偏移的感測之用。

圖4.21為編號37元件的S₂₁頻率響應圖，掃描頻率範圍為78 MHz ~ 88 MHz，表面聲波波長為60 µm，圖中的點1為所設計的頻率83.17 MHz (表面 飛掠塊體波速度4990 m/s)，點2為最高點的頻率84.912 MHz (表面飛掠塊體

波速度5001.06 m/s)，插入損失-32.491 dB，點3為次高點的頻率83.351 MHz，插入損失為-34.306 dB。因為元件設計的指叉狀電極對數為20對，

而且石英屬於低機電耦合係數的材料，所以插入損失較大。圖4.22為S₂₁的 相位響應圖，在點1和點3附近呈現線性，適合相位偏移的感測之用，而點 2線性的區域範圍小，在進行感測時，可能會造成量測的數據不正確，誤 差較大。

(2) SU-8作為波導層

編號15元件為以SU-8作為波導層(厚度5.95 µm)的拉福波元件，表面聲 波波長設計為40 µm。圖4.23和圖4.24為其S₁₂與S₂₁的頻率響應圖，掃描頻 率範圍為120 MHz ~ 130 MHz，可發現響應圖形一致，符合設計原則。圖 4.24之點1為設計的中心頻率124.75 MHz (表面飛掠塊體波速度4990 m/s)，

點2為最高點的中心頻率123.910 MHz (拉福波速度4956.4 m/s)，插入損失 -32.606 dB。由文獻可知，若在表面飛掠塊體波元件的指叉狀電極及感測 區上沈積一層波導層，其中心頻率會產生偏移，以二氧化矽作為波導層的 中心頻率偏移最為明顯，波導層厚度愈厚，其中心頻率偏移愈大【41】，

而PMMA中心頻率偏移小，這是因為二氧化矽的密度比PMMA大，此層波 導層所產生的質量負載效應，改變其表面聲波波速造成頻率偏移。此元件 的中心頻率向左偏移0.84 MHz，中心頻率偏移小，這是因為SU-8屬於低密 度的材料，所以產生的質量負載效應較小。圖4.25為其相位響應圖，中心 頻率124.75 MHz(點1)及(點2)附近，其曲線為線性，在此區段間皆適合相位 偏移的感測之用。此元件不論在頻率及相位響應，均有不錯的表現。

圖4.26為滴下20 µl後之D.I. water的頻率響應圖，圖中下方的曲線為未 加去離子水的響應圖；上方則為加上去離子水，使之產生質量負載的響應 圖。未加去離子水時，其中心頻率(點1)為最高點，當滴下10 µl後，中心頻

率偏移至點2，頻率偏移量304 kHz(即點1和點2的頻率差)；緊接著再滴下 10 µl(即已滴下20 µl的體積)後，中心頻率偏移至點3，頻率偏移量55.497 kHz(即點2和點3的頻率差)。理論上，當再滴下10 µl的去離子水後，其頻率 偏移量必須與10 µl的相同，但是量測結果只有10 µl的0.183倍，這是因為 拉福波只在指叉狀電極之間的感測區傳遞，而感測區的面積有限，所以當 滴下20 µl時，感測區所能容納的去離子水已達到飽和，導致有些去離子水 在感測區外，所以其頻率偏移量小。除此之外，量測時所使用的微量滴管 (micropipettor)最小單位為10 µl，倘若能使用單位更小的微量滴管(0.5 µl ~ 10 µl)，對於所得到的數據和曲線會更準確。

本研究原本要以此元件進行生物感測，但是經過多次量測後，感測區 上的波導層結構已被掀離，只留下二組指叉狀電極上有SU-8波導層，導致 拉福波不能傳遞至另一組指叉狀電極接收。圖4.27(a)為感測區上的SU-8未 被掀離的頻率響應圖，掃描頻率範圍為300 kHz ~ 150 MHz，圖中的點1即 為拉福波的峰值，除此之外，由圖中亦可看出當石英基板旋轉90°時，其 雷利波的峰值微乎其微；圖4.27(b)為感測區上的SU-8已被掀離的頻率響應 圖，由圖中可知雖然仍有訊號通過，但是拉福波的峰值已消失不見了。

基於以上的因素，以及要與AZ 6112作一比較，而AZ 6112為一薄正型 光阻(可旋塗厚度在3 µm以下)，除此之外，為避免SU-8在覆蓋太厚的波導 層，其插入損失也相對地很大，造成拉福波的峰值微小，使頻率與相位響 應圖不佳，所以改採另一編號15元件，並且旋塗與AZ 6112厚度差不多之 SU-8作為波導層(厚度約1.775 µm)的拉福波元件進行水及生物檢測。圖4.28 和圖4.29為其S12與S21的頻率響應圖，掃描頻率範圍為122 MHz ~ 137 MHz，可發現響應圖形一致，符合設計原則。圖4.28的點1為設計的中心頻 率124.75 MHz (表面飛掠塊體波速度4990 m/s)，點2為最高點的中心頻率 131.298 MHz (拉福波速度5251.92 m/s)，插入損失-43.313 dB，中心頻率向

右偏移6.548 MHz。圖4.30為其S₂₁的相位響應圖，由圖中可看出在中心頻 率(點2)附近，其曲線的線性範圍小，所以較不適用於相位偏移的感測之用。

雖然元件的插入損失大，不過對元件的感測性能影響不大，因為聲波 感測元件大多以頻率偏移或相位偏移來進行感測，較少以插入損失進行感 測，而本研究主要是以頻率偏移或相位偏移來進行感測。對於插入損失大 的可能原因如下所述：

1. 由相關文獻中可知【8】，質量靈敏度最大或波導層厚度愈薄，其插入 損失並非最小值；換句話說，在某一波導層的厚度時，有最小的插入損 失，但其質量靈敏度並非最大。除此之外，通常當覆蓋波導層厚度大時，

其插入損失亦隨之增加，所以此元件可能在插入損失大的點上。

2. 指叉狀電極未達理想，以致於有很多共振峰值，若能使這些共振峰值集 中於某一點，必定能減少插入損失。

3. 石英為低機電耦合係數的材料，相對地，其插入損失比較大。

4. 指叉狀電極重疊長度尚不夠長，並且波導層厚度大，造成插入損失大，

可增加指叉狀電極重疊長度，來降低其插入損失。

為了使量測的數據能準確，避免去離子水超出感測區的範圍，所以改 採更精密的微量滴管(0.5 µl ~ 10 µl)。若要更準確知道中心頻率偏移的情 況，必須先將掃頻範圍縮小至0.1 ~ 1 MHz之間，以最高點頻率作為中心頻 率，接著依序滴下2 µl、4 µl、6 µl及8 µl，便可找出頻率、相位和插入損失 與去離子水體積的相對關係圖，表4.2即為以不同的去離子水體積所量測的 數據。圖4.31為依序滴下2 µl、4 µl、6 µl及8 µl時所得到的頻率響應圖，圖 中下方的曲線為未滴入去離子水的響應圖，此時點1為未滴入去離子水的 中心頻率，亦是最高點頻率，而圖中上方的曲線為滴入去離子水的頻率響

應圖；當滴下2 µl後，中心頻率偏移至點2；當共滴下4 µl後，中心頻率偏 移至點3；當共滴下6 µl後，中心頻率偏移至點4；當共滴下8 µl後，中心頻 率偏移至點5。圖中所顯示的插入損失值會隨著依次滴下去離子水，而使 得曲線偏移，所以插入損失並非原本的值，而是偏移後的插入損失值，所 以每滴下去離子水就必須先記錄下來，這樣所求得的數值較準確，若以圖 4.31所標示的插入損失值作為依據，會失去準確性，簡單來說，因為插入 損失會隨著頻率偏移而有所改變，所以不可根據圖中標示的五個點來記錄 插入損失。

圖4.32為頻率與去離子水體積的關係圖，由圖中可知隨著去離子水體 積增加，頻率亦隨之減少，這是因為去離子水的體積增加，使感測區產生 質量負載效應增加，減少拉福波的波速，造成頻率減少。圖4.33即為頻率 偏移量與去離水體積的關係圖，由圖中可知隨著去離子水體積的增加，頻 率偏移量亦隨之增加。經由V = f ×λ，可得出拉福波波速與去離水體積的 關係圖，如圖4.34所示，由圖中可知當滴入的去離子水體積增加時，其拉 福波速度亦隨之減少。

圖4.35為相位與去離子水體積的關係圖，由圖中可知隨著去離子水體 積增加，相位亦隨之增加。圖4.36為相位偏移量與去離子水體積的關係圖，

由圖中可知隨著去離子水體積增加，相位偏移量亦隨之增加。圖4.35為插 入損失與去離子水體積的關係圖，由圖中可知隨著去離子水體積增加，插 入損失亦隨之減少，其物理意義代表穿透係數變大。

在得知元件的各項相對關係後，將此元件應用於生物感測。老鼠細胞 (3T3)的原始濃度為6×10⁶個數/c.c.(即6000個數/µl)，主要探討不同之3T3濃 度與頻率及頻率偏移的相對關係。由於本研究沒有使用生物專用的離心機 (centrifuge)，而離心機功用為將在營養液裡的生物細胞形成固與液體的分

離，如此才可將上層的液體吸出，可應用於更換營養液，培養生物細胞，

若沒更換營養液，生物不但會排泄至營養液，造成營養液的? 染，還會因 缺乏營養液裡的營養物質而死。基於以上的因素，所以改採以老鼠細胞(3T3) 的生物檢體，稀釋得到不同濃度的檢體溶液，優點為操作簡單、方便，缺 點為量測必須在一、兩天內就必須量測完成，否則生物細胞會因此死去。

配製生物檢體後，先以微量滴管各吸取90 µl的老鼠細胞(3T3)，分別裝 入五個不同的容器中，接著各吸取30 µl、60 µl、90 µl和120 µl的磷酸鹽緩 衝溶液(PBS)，分別裝入四個不同的容器中，保留一個容器為原始濃度，其 目的為稀釋原始溶液，得到不同濃度的檢體溶液，其中混合生物溶液的方 式，採以微量滴管不斷吸放來進行混合。在經過稀釋後，可得到五個不同 之3T3濃度的溶液，濃度分別為2571、3000、3600、4500和6000個數/µl，

接著分別滴相同體積(5 µl)在元件的感測區上，量測S₂₁的頻率響應圖來得 知頻率的改變。表4.3為以不同之3T3濃度與頻率與頻率偏移量的數據，以 及老鼠細胞(3T3)與磷酸鹽緩衝溶液(PBS)的混合體積比。

圖4.38為頻率與3T3濃度的關係圖，由圖中可知隨著3T3的濃度增加，

頻率隨之減少，這是因為3T3濃度增加，濃度愈大則代表單位體積的生物 個數愈多，所以其生物所產生的質量愈重，產生的質量負載效應愈大，降 低拉福波波速，進而使頻率減少。圖4.39即為頻率偏移量與3T3濃度的關係 圖，由圖中可知隨著3T3的濃度的增加，頻率偏移量隨之增加。圖4.40為拉 福波波速與3T3濃度的關係圖，由圖中可知隨3T3的濃度增加，拉福波速度 亦隨之減少。

(3) AZ 6112作為波導層

AZ 6112作為波導層(厚度2.130 µm)的拉福波元件，其編號為15號元 件，表面聲波波長為40 µm。圖4.41和圖4.42為其S₁₂與S₂₁的頻率響應圖，

掃描頻率範圍為120 MHz ~ 137 MHz，由圖4.41和圖4.42可發現響應圖形一 致，符合設計原則。圖4.42的點1為設計的中心頻率124.75 MHz (表面飛掠 塊體波速度4990 m/s)，點2為中心頻率130.364 MHz (拉福波速度5214.56 m/s)，插入損失-37.063 dB，此元件的中心頻率向右偏移5.614 MHz。雖然 元件的插入損失大，不過對元件的感測性能影響不大，因為聲波感測元件 大多以頻率偏移或相位偏移來進行感測，較少以插入損失來進行感測。插 入損失大的可能原因如下所述：

1. 由文獻中【8】，PMMA作為波導層，在1.1 µm左右有最小的插入損失，

而在2 µm以上的厚度時，其插入損失很大，而本研究AZ 6112厚度達 2.130 µm，其波導層厚度太厚，可能導致元件在插入損失大的點上，若 未來得出插入損失與波導層厚度相對關係圖，可進一步確定是否此元件 在插入損失大的點上。

2. 指叉狀電極未達理想，以致於有很多共振峰值，若能使這些共振峰值集 中於某一點，必定能減少插入損失。

3. 石英為低機電耦合係數的材料，相對地，其插入損失亦較大。

4. 指叉狀電極重疊長度尚不夠長，並且波導層厚度大，造成插入損失大，

可增加指叉狀電極重疊長度，來降低其插入損失。

為了使量測的數據能準確，避免去離子水超出感測區的範圍，所以亦 採精密的微量滴管(0.5 µl ~ 10 µl)。在找出未滴去離子水時的中心頻率後，

接著依序滴下2 µl、4 µl、6 µl及8 µl，找出其相對之頻率、相位和插入損失 的數值，表4.4即為以不同的去離子水體積所量測的數據表。圖4.43為依序

滴下2 µl、4 µl、6 µl及8 µl時，所得到的響應圖，圖中下方的曲線為未滴入 去離子水的響應圖，此時點1為未滴入去離子水的中心頻率，亦是最高點 頻率，而圖中上方的曲線為滴入去離子水的響應圖；當滴下2 µl後，中心 頻率偏移至點2；當共滴下4 µl後，中心頻率偏移至點3；當共滴下6 µl後，

中心頻率偏移至點4；當共滴下8 µl後，中心頻率偏移至點5。圖中所量測 的插入損失會隨著依次滴下去離子水，而使得曲線向上偏移，其物理意義 代表穿透係數因此變大了。

圖4.44為S₂₁的相位響應圖，響應曲線佳，並且相當線性，適合於相位 偏移的感測之用。雖然其相位響應佳，但是若以點2為基準點，可能會產 生相位的誤判，因為點2相位為173.03 °，當滴下去離子水、生物或有干擾 產生時，相位響應曲線會產生偏移，可能會因此產生負值的相位，以圖4.45 作一說明，由圖4.45可知點1的相位為177.52°，點2的相位為-168.78°，相位 相差極多，所以在靠近相位尖點(如點2)，並不適合於相位偏移的感測之 用，建議以其他中心頻率峰值，並且相位不在最高的點(相位正值變負值之 處)作為相位偏移的參考點，一定可以利用其相位響應佳的特性，得到更準 確的數據。本研究所採的參考點為最高點的頻率，所以不能兼顧相位之變 化，以致於相位會有正變負的值出現。

圖4.46為頻率與去離子水體積的關係圖，由圖中可知去離子水的體積 增加，使感測區產生的質量負載效應，使拉福波波速變慢，造成頻率減少。

圖4.47即為頻率偏移量與去離子水體積的關係圖，由圖中可知隨著去離子 水體積的增加，頻率偏移量亦隨之增加。經由V ₌ f _×λ，可得出拉福波波 速與去離水體積的關係圖，如圖4.48所示，由圖中可知去離子水體積增加，

拉福波的速度亦隨之減少。圖4.49為相位與去離子水體積的關係圖，由圖 中可知在滴入4 µl的去離子水時，相位由正值變負值，導致其相位偏移量

便適用於感測之用。圖4.50為為插入損失與去離子水體積的關係圖，由圖 中可知隨著去離子水體積增加，插入損失亦隨之減少，其物理意義代表穿 透係數變大。

在得知元件的各項相對關係後，將元件應用於生物感測，和前述相 同，皆以原始濃度為6×10⁶個數/c.c的老鼠細胞(3T3)進行生物感測。在稀釋 成五個不同之3T3濃度的溶液後，濃度分別為2571、3000、3600、4500和 6000個數/µl，接著分別滴相同體積(5 µl)在元件的感測區上，量測S21的頻 率響應圖來得知頻率的改變。表4.5為以不同之3T3濃度與頻率或頻率偏移 的數據，以及3T3與PBS的混合體積比。

圖4.51為頻率與不同3T3濃度的關係圖，由圖中可知不同的濃度，其 3T3的細胞個數因此不同，所產生的質量負載效應亦不同，進而使頻率值 減少，當3T3的濃度愈濃，其頻率下降的愈多。圖4.52即為頻率偏移量與3T3 濃度的關係圖，由圖中可知隨著3T3濃度的增加，頻率偏移量隨之增加。

圖4.53為拉福波波速與3T3濃度的關係圖，由圖中可知隨3T3濃度增加，拉 福波速度隨之減少。

4.4 結果與討論

針對本研究於指叉電極之製作以及元件量測，將元件製作與量測的結 果，討論歸納如下：

(1) 指叉狀電極製作

a. 舉離法

1. 舉離法製作指叉狀電極適用於任何可沉積的金屬薄膜，其增加光阻厚 度、降低金屬薄膜的厚度及基板表面的潔淨度高，以提升舉離鋁成功的 良率。

2. 以石英基板作為壓電材料，必須在上光阻前旋塗 HMDS，以增加光阻 與基板的附著性，否則細長的結構(即指叉狀電極圖案)會因附著性差，

在顯影時會掀離。本研究曾試過 S1813 和 AZ 6112，以 AZ 6112 與 HMDS 結合性最好，適用於指叉電極的製作，而使用 S1813 效果欠佳，在製作 指叉狀電極時容易失敗。除此之外，AZ 6112 的解析度比 S1813 更高。

3. 在定義指叉狀電極的光阻圖案時，其側壁必須接近垂直，否則若正光阻 結構呈現梯型結構(正光阻的特性)，在蒸鍍鋁時，其階梯覆蓋率佳，側 壁會被金屬覆蓋，使金屬連在一起，造成舉離鋁失敗或電極損傷。若 能採用負型光阻，使光阻結構呈現倒梯型結構(負光阻的特性)，可以避 免蒸鍍鋁時，側壁會被金屬覆蓋，提高指叉狀電極製作的良率。

b. 溼蝕刻法

1. 不同的金屬材料，其與光阻或壓電薄膜的蝕刻選擇比，以及溼蝕刻配方 並不相同，所以溼蝕刻法並非適用於任何可沉積的金屬薄膜。若指叉狀 電極為鋁金屬，其以溼蝕刻法製程簡單快速、乾淨且良率高，適合於指

2. 由於鋁的溼蝕刻速度很快，所以蝕刻時間不可過久，否則會造成嚴重的 底切現象產生，導致元件線寬失真。若指叉狀電極的線寬要求在 1 µm 以下，並且以鋁作為金屬電極，建議以舉離法製作，以避免蝕刻速率太 快，增加製作等寬之指叉狀電極線寬的困難性。

3. 鋁的蝕刻溶液亦不可放置過久，否則會造成光阻已被蝕刻完全，但是鋁 卻尚未蝕刻完畢，所以建議採新鮮的蝕刻液進行蝕刻，以確保光阻能發 揮其蝕刻遮罩的功用。

4. 和舉離法比較時，舉離法所蒸鍍的金屬厚度大，並且與光阻的厚度相差 不大時，舉離鋁的失敗率會提高，所以一般使用舉離法製作的指叉狀電 極金屬厚度很薄，約在 1500 Å 以內，但是蝕刻法可以製作較厚之指叉 狀電極的金屬厚度。

(2) SU-8與AZ 6112作為波導層的比較

4.3節已分別探討SU-8與AZ 6112作為波導層的關係圖，可知若感測區上 有去離子水或生物檢體，其質量會產生質量負載效應，使拉福波波速變 慢，造成頻率減少。下述將對SU-8與AZ 6112作為波導層的作一比較：

圖 4.54 為頻率與去離子水體積的關係圖，由圖中可知以 AZ 6112 作為 波導層，其頻率下降的較多，而 SU-8 作為波導層，其頻率下降少，但兩 者頻率皆向左偏移，與文獻相同，相關文獻中，其頻率偏移大多向左偏移，

但 Kourosh 等人以氧化鋅作為波導層，將其應用於不同的兩種氣體感測(濃 度皆相同)時，其頻率有向左偏移，亦有向右偏移【26】。若以圖 4.55 之頻 率偏移量與去離子水體積的關係圖觀察，可知以 AZ 6112 作為波導層，其 頻率偏移量比 SU-8 的大，代表在這兩個元件之中，以 AZ 6112 的質量靈 敏度較高，所以頻率偏移量大，較適用於感測。由V = f ×λ，可得出拉福 波波速與去離水體積的關係圖，如圖 4.56 所示，由圖中可知滴入的去離子

水體積增加時，其拉福波速度皆隨之減少，以 AZ 6112 作為波導層，其波 速下降多，而 SU-8 作為波導層，其波速下降少。

圖4.57為相位與去離子水體積的關係圖；圖4.58為相位偏移與去離子 水體積的關係圖，由圖4.57與圖4.58可知AZ 6112作為波導層必須避開中間 那區域的誤差，建議選擇其他線性區域的頻率來進行感測，增加量測的準 確性。圖4.59為插入損失與去離子水體積的關係圖，兩者皆隨著去離子體 積增加，使得插入損失減少，穿透係數皆因此變大。

圖4.60為頻率與3T3濃度的關係圖，由圖中可知以AZ 6112作為波導 層，其頻率下降的較多，而SU-8作為波導層，其頻率下降少。圖4.61為頻 率偏移量與3T3濃度的關係圖，AZ 6112作為波導層，其頻率偏移量比SU-8 大。由V = f ×λ，可得出拉福波波速與去離水體積的關係圖，如圖4.62所 示，由圖中可知滴入不同的3T3濃度(皆為5 µl)時，其拉福波速度皆隨之減 少，以AZ 6112作為波導層，其波速下降多，而SU-8作為波導層，其波速 下降少。

由實驗結果發現 AZ 6112(波導層厚度 2.130 µm)比 SU-8(波導層厚度 1.775 µm)更適合作為拉福波元件的波導層，並且其頻率和相位的偏移量皆 比 SU-8 大。Wang 和 Jen【9】等人認為波導層需具備下列條件之一：(1) 低剪向聲波速度；(2)低密度；(3)好的彈性性質(有較低的聲波吸收)，而由 (3.25)與(3.35)式可知∆f ∝r，且因 AZ 61112 與 SU-8 的密度相當接近(參考 表 2.1) ，其 與石英的密度比 值( ρ₁/ρ₂ ) 分別為 ρ_quartz /ρ_AZ6112 =2.56535與

27438

6112 2

quartz / ρ_AZ = .

ρ ，並未相差至 13 倍之多，若兩者頻率偏移量相差 13 倍左右，即ρ_AZ6112/ρ_SU−8 ≅13，但實際上 AZ 6112 與 SU-8 的密度比值為

88738 . 0 / _{SU 8}

6112

AZ ρ ₋ ≅

ρ ，故密度並非造成頻率與相位偏移量相差那麼大的

主要原因。刪除此原因之後，剩下未知的低剪向聲波速度與好的彈性性質

(有較低的聲波吸收)兩種因素，由(3.25)與(3.35)式可知∆f ∝s，故未知的剪 向速度可能為使兩者頻率偏移量相差那麼多的原因之一，但是其影響有 限，以文獻中常見的 PMMA 密度約為 1.10 kg/m³，剪向聲波速度為 1100 m/s，而濺鍍的二氧化矽密度約為 2.3 kg/m³，剪向聲波速度為 2850 m/s，

不論是剪向聲波速度或密度，PMMA 皆比二氧化矽低，但是 PMMA 作為 波導層的質量靈敏度普遍比二氧化矽差【24】，這是因為二氧化矽有較小 的聲波能量損失(即有較低的聲波吸收)，所以好的彈性性質(有較低的聲波 吸收)為三項因素中影響最大的，而此因素取決於材料特性，以致於不同的 材料，有不同吸收聲波的效果，若其有較低的聲波吸收，可減少聲波能量 的損耗，提升其質量靈敏度，進而使其頻率偏移量大；反之，亦然。由於 SU-8 與 AZ 6112 分別為負型與正型光阻，兩種光阻特性不同，SU-8 負型 光阻必須經由分子聚合連結(crosslinking)來完成，此即利用曝光，以化學 鍵結的方式將高分子材料包附於其中，相對地，其彈性會較差，因此 SU-8 有較大的聲波損失，導致其頻率偏移量小，以彈性高分子材料為例，若以 彈性高分子材料配製成負型光阻，經過曝光將分子聚合連結後，會導致原 本具彈性的高分子材料，會因被化學鍵結包附於其中，變成彈性欠佳之材 料。相反地，正型光阻並非經由分子聚合連結的型式，而是經由曝光將其 化學鍵結切斷，再將曝光部份以顯影液進行顯影，使曝光部份溶解於顯影 液之中，此方式並不會改變 AZ 6112 正型光阻原先的材料特性，因此 AZ 6112 有較小的聲波損失，導致其頻率偏移量大。基於以上的因素，AZ 6112 作為波導層的頻率和相位的偏移量比 SU-8 大。

(a) (b)

Fig. 4.1 (a) Successful picture of Lift-off process; (b) thickness 510 Å

(a) (b)

Fig. 4.2 (a) Successful picture of wet etching process; (b) thickness 2348 Å

(a) (b)

Fig. 4.3 (a) Guiding layer: SU-8; (b) thickness 5.911 µm

(a) (b) Fig. 4.4 (a) Guiding layer: AZ 6112; (b) thickness 2.130 µm

Fig. 4.5 (a) Schematic diagram of dicing ST-cut quartz; (b) successful picture of dicing ST-cut quartz

* XLGLQJ O D\ HU

$ O ZLUH 3 DG

Fig. 4.6 Picture of Al wire bonding

Fig. 4.7 Two-port network【38】

Fig. 4.8 Schematic diagram of matching network using smith chart

Fig. 4.9 Schematic diagram of matching network using smith chart

(a) (b)

(c) (d)

Fig. 4.10 Schematic diagram of four L-networks using inductance and capacitance【40】

Fig. 4.11 Schematic diagram of air wound coil inductance【38】

Table 4.1

D\N 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 2.0 8 14 20 26 33 40 45 54 60 67 75 81 88 2.2 9 16 24 30 40 48 54 63 70 80 89 96 105 2.4 10 18 26 35 45 55 64 74 82 93 107 113 123 2.6 11 20 30 40 51 63 73 85 95 107 120 132 145 2.8 12 22 33 45 58 72 84 98 110 123 138 152 165 3.0 13 24 37 50 65 80 95 110 125 140 157 174 188 3.2 14 26 42 56 72 90 105 122 140 159 175 195 212 3.4 15 28 46 62 80 100 116 136 155 177 198 215 235 3.6 16 31 49 68 88 109 128 150 172 196 218 240 259 3.8 18 33 53 74 96 120 140 166 190 214 240 265 290 4.0 19 36 58 80 103 130 153 182 210 235 265 291 320 4.2 20 39 61 86 111 140 168 198 230 256 289 317 350 4.4 21 42 65 94 122 151 181 215 249 281 314 346 380 4.6 22 45 70 100 133 163 194 232 268 303 340 375 412 4.8 24 48 75 108 142 174 210 250 290 329 369 405 445 5.0 25 51 80 115 151 186 225 269 310 353 400 436 481 5.2 27 54 85 123 160 200 243 287 333 380 430 470 517 5.4 28 57 90 130 170 212 260 307 355 405 460 500 555 5.6 29 60 95 138 180 226 278 330 377 430 488 535 596 5.8 30 63 100 145 190 240 294 349 400 460 520 570 633 6.0 32 66 105 153 200 253 312 370 429 490 550 610 678

(a)

(b)

Fig. 4.13 (a) Schematic diagram of Love wave device, inductance and capacitance disposed for PCB; (b) Practical diagram of Love wave device, inductance and capacitance disposed for PCB

(c)

(d)

Fig. 4.13 (c) Schematic diagram of Love wave device measurement; (d) Practical diagram of Love wave device measurement

Fig. 4.14 Picture of mouse cell (3T3) using optic microscope

λ N W dm

40 µm 80 pair 80 λ 40λ

Fig. 4.15 Frequency response (S₁₂) of SSBW device (λ=40 µm, N=80 pair, W= 80 λ, d_m= 40 λ)

Fig. 4.16 Frequency response (S₂₁) of SSBW device (λ=40 µm, N=80 pair, W= 80 λ, d_m = 40 λ)

Fig. 4.17 Phase response (S₂₁) of SSBW device (λ=40 µm, N=80 pair, W= 80 λ, d_m = 40 λ)