曹 森，趙祉澎，劉志春，孫宏毅，陳錦斌，于曉梅，梁軍生,2※

（1.大連理工大學(xué)遼寧省微納米技術(shù)及系統(tǒng)重點實驗室，遼寧大連 116024；2.大連理工大學(xué)精密與特種加工技術(shù)教育部重點實驗室，遼寧大連 116024）

0 引言

當今傳感技術(shù)正在迅速發(fā)展，傳感器逐步趨向微型化、小型化、可集成等，并且在工業(yè)生產(chǎn)、航空航天、電力等領(lǐng)域也顯現(xiàn)出來一些局限性。而聲表面波（SAW）器件已經(jīng)成為非常有前景的高水平傳感器，其可實現(xiàn)小體積、輕重量、高靈敏度、高集成度、低功耗，并能夠?qū)崿F(xiàn)無線無源測量，適用于極端和特殊環(huán)境[1-3]。SAW 傳感器由叉指電級（IDT）、過渡層、壓電層、襯底多層結(jié)構(gòu)組成，而其耐高溫性能主要取決于壓電層的材料在高溫下是否發(fā)生失效。氮化鋁在已知壓電材料中具有最高的聲表面波相速度，C軸擇優(yōu)取向的ALN 薄膜的SAW 相速度能達到6 000 m∕s，機電耦合系數(shù)K2約為1%，插入損耗0.2～0.4 dB∕mm。此外，其與COMS 工藝兼容的沉積工藝為SAW 傳感器的壓電層制備提供了方法，可以實現(xiàn)批量生產(chǎn)、降低成本的目的[4-7]。

舒琳[8]利用不同切向的硅酸鎵鑭作為襯底制作SAW單端口諧振器，在200～600 ℃的溫度區(qū)間證明了兩種切向有不同的溫度特性。Thierry Aubert 等[9]制作了聲表面波延遲線傳感器，在500 ℃下做了測試，討論了氮化鋁∕藍寶石壓電雙層結(jié)構(gòu)在高溫聲表面波應(yīng)用的可行性；董文秀[10]使用ALN 制作單端口諧振型聲表面波溫度傳感器，在25～185 ℃下溫度頻率系數(shù)為-46.2 ppm∕℃。上述文獻雖然證明使用ALN 做SAW 做溫度傳感器的可行性，但是沒有對傳感器參數(shù)進行優(yōu)化仿真、提升其靈敏度，并且沒有在600 ℃以上進行測試分析。

為此，本文采用Pt∕Ta∕ALN∕Sapphire 結(jié)構(gòu)制作聲表面波諧振型溫度傳感器，相比于延遲線，諧振型具有高品質(zhì)因數(shù)和低插損的特點，而且信號處理簡單。利用多物理場仿真軟件COMSOL Multiphysics 對其進行有限元仿真，得到有較高溫度頻率系數(shù)的理想結(jié)構(gòu)參數(shù)，將制作的傳感器放入馬弗爐利用網(wǎng)絡(luò)分析儀進行測試驗證。

1 諧振型SAW原理

諧振型SAW 傳感器如圖1所示，其諧振頻率主要由波速和波長決定，材料的彈性常數(shù)、密度、楊氏模量等會隨著外界溫度改變而改變。并且受熱后諧振器的結(jié)構(gòu)尺寸發(fā)生變化，從而導(dǎo)致聲表面波的波長發(fā)生變化。于是v與λ的變化共同導(dǎo)致諧振頻率的變化。測量傳感器頻率的大小，就可以知道外界溫度的大小。諧振頻率f的計算公式為：

圖1 諧振型SAW

式中：v為聲表面波波速；λ為聲表面波波長。

在實際測試時，通過測得中心頻率，與已知的波長相乘可以求得波速大小。

溫度頻率系數(shù)（TCF）的絕對值大小是代表傳感器靈敏度大小的物理量，反映響應(yīng)頻率的熱穩(wěn)定性。大部分壓電材料的TCF 值為負數(shù)，作為壓電層時，其中心頻率隨著溫度升高而減小，TCF由式（2）確定：

式中：ΔT為當前測試溫度與室溫23 ℃的差值；fr和frt分別為傳感器在室溫23 ℃和ΔT+23 ℃下的共振頻率。

溫度頻率系數(shù)的值非常小，通常用ppm ∕℃表示。

機電耦合系數(shù)K2為衡量壓電材料對機械能和電能相互轉(zhuǎn)換效率的參數(shù)，通過仿真或者測量其S11 參數(shù)并通過式（3）得到：

式中：fr為共振頻率；fa為反共振頻率。

機電耦合系數(shù)值較小，一般使用百分比表示。

2 結(jié)構(gòu)參數(shù)設(shè)計及仿真分析

2.1 建立仿真模型

傳感器的柵極厚度、壓電層厚度與波長比值（hALN∕λ）、金屬化比率是影響傳感器性能最主要的結(jié)構(gòu)參數(shù)。為了增大波速與機電耦合系數(shù)、提高其TCF 值，并設(shè)計合理的頻率和尺寸以方便后續(xù)工藝制作，仿真確定了傳感器的最優(yōu)參數(shù)。由于IDT 在三維模型中提取截面，將其簡化為二維模型，大幅縮減計算時間，設(shè)定周期性邊界條件，無限個IDT 周期排列。選擇藍寶石（sapphire）為基底、氮化鋁（ALN）薄膜為壓電層、鉭（Ta）為過渡層、鉑（Pt）為IDT 層，PML 用來吸收漏波，結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。為了方便后續(xù)制作，設(shè)計波長λ=20 μm、聲孔徑W=50λ（1 000 μm）的傳感器，聲孔徑大能更好的產(chǎn)生諧振。表1給出了仿真所需ALN、Sapphire 的材料常數(shù)與一階溫度系數(shù)，用來反映溫度對材料性質(zhì)的影響[11-12]，Pt 和Ta使用材料庫中參數(shù)。

表1 材料常數(shù)與溫度系數(shù)

圖2 仿真模型結(jié)構(gòu)示意圖

ALN 厚度過厚會影響聲波的模態(tài)[13]，所以設(shè)定ALN厚度為1.2 μm；過渡層Ta 起黏附作用，也不宜過厚，固定為10 nm；Pt 電極厚度設(shè)為100 nm；IDT 設(shè)為均勻的，金屬化比率為0.5。為了確定聲波的傳播特性，在圖3中仿真映射出瑞利波的兩種本征模態(tài)，粒子主要在表面附近運動，所以表面位移較大。為了與實際情況更加接近，在上方加入了空氣，其反對稱模態(tài)的特征頻率為289.34 MHz，對稱模態(tài)的特征頻率為290.3 MHz，波速約為5 800 m∕s。

圖3 瑞利波兩種模態(tài)

2.2 電極厚度分析

根據(jù)上述參數(shù)，仿真不同對傳感器機電耦合系數(shù)和瑞利波波速的影響。擬合后的結(jié)果如圖4所示，hpt是電極厚度，v是瑞利波波速，K2是機電耦合系數(shù)。由于質(zhì)量負載效應(yīng)，可以看出隨著電極厚度的增加波速不斷減小，而機電耦合系數(shù)是先增大再減小，在厚度0.15 um左右達到了最大約為1.2%，此時的波速約為5 700 m∕s。

圖4 電極厚度（hpt）對v 和K2的影響

2.3 金屬化比率分析

為了同時得到較高的v和K2，將pt厚度確定為100 nm，其他參數(shù)不變，仿真得到叉指換能器與反射柵的金屬化比率與v和K2的關(guān)系。圖5所示為擬合后的結(jié)果，隨著金屬化比率的增加，波速呈逐漸減小的趨勢，機電耦合系數(shù)在金屬化比率約為0.47 時增大到最大值0.98%左右，此時波速約為5 790 m∕s，接著逐漸減小。

圖5 金屬化比率對v 和K2的影響

2.4 hALN/λ分析

電極的金屬化比率定為0.5，其他參數(shù)不變，仿真分析不同ALN厚度對v和K2的影響，擬合后的仿真結(jié)果如圖6所示。將ALN厚度進行歸一化處理，以ALN膜厚與聲表面波波長之比（hALN∕λ）作為橫坐標，可以看出波速在開始有一段緩升，因為ALN較薄，波速受到Sapphire基底影響。聲波主要在1～2個波長的厚度內(nèi)進行傳播，隨著ALN厚度的小幅增加，聲波在ALN 內(nèi)的分量增大，由于機械負載和電負載的影響，波速會下降，ALN 厚度接近一個波長的時候，下降減緩。而機電耦合系數(shù)先增大到峰值1.7%左右，此時波速約為5 590 m∕s，之后K2呈減小趨勢。

圖6 hALN∕λ對v和K2的影響

hALN∕λ對SAW 溫度傳感器的TCF 值影響較大，為了得到高靈敏度的SAW 溫度傳感器，仿真研究了hALN∕λ與TCF 的關(guān)系。如圖7所示，可以看出ALN 較薄時TCF 為負值，隨著ALN 厚度的增加，傳感器的TCF 值逐漸增大，在hALN∕λ約為0.66 的時候TCF 值為0，隨后變?yōu)檎?，增大速度減緩。

圖7 hALN∕λ對TCF的影響

3 試驗測試與分析

3.1 傳感器制作與信號采集

綜合上述仿真并考慮制作工藝，確定傳感器參數(shù)如表2所示。

表2 傳感器參數(shù)

利用磁控濺射系統(tǒng)，在Sapphire基底上濺射出ALN薄膜，通過XRD 衍射儀進行標定，薄膜具有高質(zhì)量的C軸（002）取向。隨后將其進行甩膠、前烘、曝光、顯影、后烘處理，接著濺射Ta與Pt層，最后把傳感器放在丙酮溶液中剝離，清洗烘干后便制作完成。制作完成的傳感器如圖8（a）所示，兩側(cè)方形為焊盤，大小為2 mm×2 mm，叉指周期為20 μm，指寬與間距相等為5 μm。利用鉑漿將直徑0.1的鉑線粘接在傳感器兩側(cè)的焊盤上，高溫固化后固定在馬弗爐內(nèi)部進行測試，鉑線通過接線窗口引出，另一端與PCB 板上的SMA 接頭相連，射頻線和轉(zhuǎn)接線的兩端分別連接網(wǎng)絡(luò)分析儀（VNA）和SMA接頭，如圖8（b）所示。

圖8 傳感器實物和信號采集

3.2 測試結(jié)果及分析

使用網(wǎng)絡(luò)分析儀對傳感器在室溫到800 ℃進行了測試，傳感器在室溫23 ℃環(huán)境下的中心頻率為284.04 MHz。計算出瑞利波波速為5 680 m∕s，略小于仿真得到的結(jié)果，這是由于理想與實際狀態(tài)下材料參數(shù)的偏差、制作工藝與測量上的誤差。隨著溫度的增大，中心頻率在逐漸減小，同時S11 數(shù)值也在減小，這是因為表面波波速和材料的彈性常數(shù)、密度等隨著溫度而改變，并且還有機械損耗、介電損耗等。

圖9所示為試驗結(jié)果與仿真對照，將試驗結(jié)果進行線性擬合，可以看到溫度與頻率呈線性關(guān)系。所求得的溫度頻率系數(shù)為-54.65 ppm∕℃，與仿真得到的-57.23 ppm∕℃相比較小，主要還是由于材料常數(shù)、制備和測試等誤差所導(dǎo)致。當溫度升高到800 ℃后，S11數(shù)值極劇減小，10 min后頻率變得不穩(wěn)定，信號逐漸消失，傳感器發(fā)生失效。

圖9 測試結(jié)果

分析了傳感器失效原因，圖10（a）所示為在SEM下觀察到的室溫下未經(jīng)測試SAW 傳感器的表面叉指電極結(jié)構(gòu)，表面界限清晰、沒有發(fā)生斷裂。而圖10（b）所示在800 ℃高溫測試后，表面電極發(fā)生斷裂，因為在高溫環(huán)境中，金屬Pt 發(fā)生了團聚，多處重結(jié)晶融合在一起，所以會導(dǎo)致電信號的不連續(xù)，傳感器失效。

圖10 叉指電極結(jié)構(gòu)

4 結(jié)束語

本文介紹了聲表面波溫度傳感器的原理，并選擇ALN∕Sapphire 層狀結(jié)構(gòu)，為了獲得具有高機電耦合系數(shù)與溫度頻率系數(shù)的結(jié)構(gòu)參數(shù)，利用COMSOL Multiphysics仿真軟件進行仿真。聲表面波波長為20 μm 時，發(fā)現(xiàn)在Pt 厚度為100 nm、金屬化比率為0.5，ALN 厚度為2 μm條件下，傳感器能達到較好的性能。對傳感器進行了實物制作與溫度頻率特性標定測試，結(jié)果顯示頻率與溫度具有良好的線性關(guān)系，TCF值為-54.65 ppm∕℃，對溫度敏感度較高，與仿真結(jié)果相近。而在800 ℃環(huán)境下測試10 min后，觀察到傳感器表面Pt 電極發(fā)生團聚，導(dǎo)致器件失效。試驗結(jié)果證明了傳感器在800 ℃下的可行性，并為以后探究電極保護層、提高傳感器性能提供了重要參考。