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第 37 屆海洋工程研討會論文集 國立中興大學 2015 年 11 月 Proceedings of the 37th Ocean Engineering Conference in Taiwan National Chung Hsing University, November 2015

一種聲學感測元件之研製於水下技術應用 郭承勳

1 卜一宇 2 趙世峰 3 張順雄 4

1 國立高雄海洋科技大學微電子工程系研究生 2 國立台南大學綠色能源科技學系副教授

3 國立高雄海洋科技大學微電子工程系副教授 4 國立高雄海洋科技大學微電子工程系教授

摘要 本文以半導體工業技術和機械工程技術的結合，製作水中感測元件，稱之為水聽器。而透

過直流濺鍍系統，沉積氧化鋅壓電薄膜，作為感測元件之主動層。而直流濺鍍系統沉積非金屬

材料會影響薄膜結構的均勻性，所以使用鋅作為靶材，調整通入腔體氣體的流量比，求得最佳

沉積氧化鋅薄膜的參數。此外在氧化鋅壓電薄膜表面設計指狀式電極，使水聽器對於聲音的感

測信號放大、插入損失和衰減的特性。元件封裝完成後，將水聽器進行水中的測試，由

Vibro-Meter M312 頻譜分析儀於水中信號接收的分析。除此之外，所接收的信號，會透過專業

儀器、濾波器和前置放大器處理過後，將信號完整的呈現。

關鍵詞：水聽器、壓電薄膜、氧化鋅、指狀式電極

Development of acoustic sensing element applied for the underwater technology

Cheng-Xun Kuo* Ian Y.Y. Bu Shih-Fong Chao Shun-Hsyung Chang * Postgraduate, Department of Microelectronics Engineering, National Kaohsiung Marine University, Kaohsiung

ABSTRACT

In this paper, the semiconductor industry technology and mechanical engineering technology combine to prepared an underwater sensing element, call as hydrophone. By DC sputter system, deposited of zinc oxide piezoelectric film as the active layer of the sensing element. Because, this DC sputter system of non-metallic materials will affect the uniformity of the film structure. So the used of zinc as a target. Through the adjust into the chamber through the gas flow ratio, that know the best deposition parameters of zinc oxide thin films. In addition, in the zinc oxide piezoelectric thin film surface design interdigital electrodes, so that hydrophone for signals sound amplification, insertion loss and attenuation characteristics. After the component package is completed, the hydrophone to test the underwater by Vibro-Meter M312 spectrum analyzer. In addition, the received signal, will be through professional equipment, after the filter and preamplifier processing, will complete the presentation signal.

Keywords: Hydrophone; Piezoelectric Film; Zinc Oxide; Iinterdigital Electrodes

一、前言 對於地球上的資源，很多還需要被發掘。目前

地球資源的耗竭，必然需要一些能夠尋求新資源的

方法。因為在我們居住的地球有 71%的水覆蓋，絕

大部分為海，其餘為陸地。而人類對於海洋的開發

相對沒有陸地來的進步，且海洋的資源開發相對的

比陸地來的有困難度(Braun and Smirnov, 1993)。

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目前，聲納系統與技術為開發海洋資源重要的

發展之一。早期聲納應用於軍事，而科技的發展及

進步，現在將此技術應用於探測魚群、石油、海洋

管線、海底打撈( 劉，1992)。 本文透過操作直流濺鍍系統備製水聽器元件之 壓電層，壓電層材料為氧化鋅(ZnO)(Shiosaki

and Kawabata,1974)，製作出一種新型的水聽器，取

代傳統所使用的鋯鈦酸鉛(PZT)之聲納元件，傳統使

用的鋯鈦酸鉛需要透過高壓電的分極處理，危險性

高，且鋯鈦酸鉛含重金屬鉛的成分，對於環境會造

成危脅。 對於研究水下技術相關議題相當感興趣。設計

水聽器結構、水聽器元件之壓電層材料的研究與水

聽器的量測分析成為吾人研究的範疇。

二、研究方法 從不同氣體流量比之分析結果進行更深入的研

究，氧化鋅薄膜在不同時間所沉積的狀況和不同時

間所沉積的氧化鋅薄膜在不同升溫時間的變化的結

果，透過 X-Ray 繞射分析儀量測，將從結果中求得

一個最佳的製程氧化鋅壓電薄膜的參數於水聽器元

件(Peng et al.,2007)。 此外設計一個圖案化之電極於壓電薄膜表面，

此電極具有放大壓電訊號、濾波，插入損失、衰減

的特點，電極為指叉狀圖案之呈現，其線寬、間距

是會影響感測聲波高低頻的差別，此研究採取線寬

約為 1mm 作為元件表面電極之使用(李，2010)。 水聽器元件封裝後，經由 Vibro-Meter M312 頻

譜分析儀於水下訊號接收狀況的分析。除此之外，

所接收到的訊號，會透過專業儀器，如濾波器和前

置放大器處理過後，將訊號完整的呈現。另外，為

了能夠展現水聽器元件，故此與市面上所販售的

Reson TC4034 水聽器做比較(許，2013)。

三、結果與結論

3.1 X-Ray 繞射分析量測 透過直流濺鍍機沉積具有壓電特性之氧化鋅薄

膜，為了得到完美的製程參數，如表 1 所示。從不

同的氬氣流量比例與氧氣流量比例，控制直流濺鍍

機於不同的沉積時間和不同的升溫時間，透過

X-Ray 繞射分析儀量測結果，從中求得一最佳製程

參數，如圖 1 所示。

圖 1 氣體流量比為 3:2 時，成功製作出具有壓電特性結晶向之氧化鋅薄膜。

表 1 氧化鋅壓電薄膜製程參數

氧化鋅壓電薄膜製程參數 工作壓力 1.8x10-3

背景壓力 2.2x10-6

靶材 鋅 氬氣:氧氣 9:6 氣體總量 15 sccm

功率 80W 基材 PET coatinf ITO

沉積時間 1 小時 加熱溫度 200 度

3.2 頻譜分析儀量測 將製作好的水聽器元件封裝處理於水中進行量

測，而水聽器在不同角度的入射波會使氧化鋅壓電

薄膜產生不同波形結果，為水聽器在量測過程中所

稱接收方向性之問題，所以在不同入射角度條件下

會產生不同的訊號波型，所以聲波的感測程度有了

接收方向性的問題(IEC 62127-1, 2007)。所以我們使

用 Vibro-Meter M312 頻譜分析儀，量測正面、側面、

背面，發現正面的接收狀況比側面和背面的感測度

還要好，如圖 2 所示。

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圖 2 分析不同入射波的角度對氧化鋅水聽器接收的影響

3.3 頻率響應分析量測 RESON Hydrophone TC4034 接收頻率響應

圖，如圖 3 所示(Teledyne RESON, 2005)，接收的範

圍從頻率 1Hz 至 450kHz，頻率從 1Hz 到 200kHz較為平坦，其靈敏度穩定值為-220.7dB re 1V/μPa，

當頻率大於 200kHz 時頻率響應曲線開始上升，靈

敏度也上升，不過曲線變不穩定。氧化鋅水聽器接

收頻率響應圖，如圖 4 所示，接收的範圍從頻率

100Hz 至 150kHz，得知從頻率 100Hz 到 35kHz 頻

率響應曲線非常平坦，其靈敏度穩定值為-61dB re

1V/μPa，且當頻率大於 50kHz 時頻率響應曲線開

始上升，靈敏度也上升，不過曲線變不穩定。相較

之下，Hydrophone TC4034 水聽器之接收範圍較

廣，不過在 100Hz 到 35kHz 沒有氧化鋅水聽器來的

平坦，穩定度氧化鋅水聽器穩定。

圖 3 為 RESON Hydrophone TC4034 接收頻率響應圖

圖 4 為氧化鋅水聽器的頻率響應圖曲線

四、結論 目前來說，我們成功製作出氧化鋅水聽器，對

於未來，我們正在尋找資源來求得更完善的量測設

備，希望預期能夠將氧化鋅水聽器做更多方面的量

測。使量測結果達到更完整呈現。未來製作氧化鋅

水聽器及其應用，為吾人可努力的方向。

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