聲表面波傳感器在高溫領(lǐng)域應(yīng)用的研究進(jìn)展*

潘小山， 楊璐羽， 王 琴， 李功燕

0 引 言

聲表面波(surface acoustic wave,SAW)傳感器是一種用聲表面波器件作為傳感元件，能夠?qū)⒈粶y的物理量通過聲表面波的速度或頻率的變化反映出來，最終轉(zhuǎn)換成電信號(hào)輸出的一種無源無線傳感器[1,2]。聲表面波傳感器由于能將信號(hào)集中于基片表面，且具有高的工作頻率和極高的信息敏感精度，因此，能快速地將其敏感的信息轉(zhuǎn)換為電信號(hào)輸出?；诼暠砻娌夹g(shù)的無線傳感器能夠精確測量大量的物理、化學(xué)量，如溫度、應(yīng)力、氣體密度等[3]。經(jīng)過多年的發(fā)展，目前已經(jīng)形成了包括聲表面波壓力傳感器、聲表面波溫度傳感器、聲表面波生物基因傳感器、聲表面波化學(xué)氣相傳感器以及智能傳感器等多種類型[4～6]。本文主要基于當(dāng)前聲表面波傳感器的原理及在高溫領(lǐng)域中的研究進(jìn)展進(jìn)行全面的討論：闡述了聲表面波傳感器的原理；闡述了聲表面波傳感器的工作模式以及聲表面波傳感器的材料并給出結(jié)論及展望。

1 聲表面波傳感器原理

聲表面波器件主要由壓電基片、叉指換能器(interdigital transducer,IDT)、聲反射柵三部分組成振蕩電路，用于接收來自外界的激勵(lì)信號(hào)，并向外發(fā)送傳感器產(chǎn)生的響應(yīng)信號(hào)[7]。由于聲表面波波速的變化主要受到壓電基片物理特性變化的影響，因此,壓電基片是聲表面波器件檢測的理論依據(jù)。在處理聲表面波在壓電基片中的分量時(shí)，由于壓電材料在某個(gè)晶向上二階以上的系數(shù)很小，一般只取一階溫度系數(shù)[8]

v(T)=v(T0)[1+a0(T-T0)]

(1)

式中a0為一階常數(shù)。由式(1)可知，聲表面波傳播速度與壓電基片的溫度幾乎成正比關(guān)系。

IDT是一種形狀如手指相互交叉而形成的圖案，在壓電基片表面上通過半導(dǎo)體平面工藝制作的相互交錯(cuò)的金屬條,主要用于實(shí)現(xiàn)聲/電轉(zhuǎn)換與電/聲轉(zhuǎn)換。

聲反射柵是構(gòu)成聲表面波傳感器的重要組成部分，用于將受到調(diào)制過的聲表面波反射到IDT，并經(jīng)過IDT的聲/電轉(zhuǎn)換轉(zhuǎn)換成電信號(hào)再傳輸出去，由信號(hào)分析器探測并解析，完成傳感的作用。

另外，聲表面波傳感器還包括襯底上的敏感薄膜及外圍電路等，當(dāng)外界環(huán)境因素變化時(shí)，敏感薄膜的特性隨之發(fā)生變化，進(jìn)而影響到聲表面波在薄膜上的傳播特性，特別是對(duì)聲表面波的波速影響尤為明顯。一般地，對(duì)聲表面波的波速變化起影響的因素主要包括：質(zhì)量、彈性系數(shù)、薄膜電導(dǎo)率、介電常數(shù)、溫度和壓力等，其對(duì)波速的影響表示為[9]

(2)

式中m,c,σ,ε,T,P分別為質(zhì)量、彈性系數(shù)、薄膜電導(dǎo)率、介電常數(shù)、溫度和壓力。當(dāng)各種因素發(fā)生變化時(shí)，聲表面波傳感器上的波速也隨之變化，但可以通過控制一種主導(dǎo)因素的變化從而制作出相應(yīng)的傳感器，如當(dāng)變化的主導(dǎo)因素由溫度引起時(shí)，則可制作出聲表面波溫度傳感器。

2 聲表面波傳感器的工作模式

聲表面波傳感器是一種無源傳感器，其能量由電子電路無線提供。根據(jù)器件分布方式的不同，聲表面波傳感器工作模式基本上可分為兩類[10]：延遲線型和諧振型。圖1給出了兩種聲表面波傳感器的結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)均由壓電基片、IDT和反射柵構(gòu)成。

圖1 聲表面波傳感器的結(jié)構(gòu)

1)延遲線型聲表面波傳感器

延遲線型聲表面波傳感器主要是通過天線接收到正弦激勵(lì)信號(hào)，傳遞給IDT，正弦信號(hào)在壓電基片激勵(lì)出聲表面波，實(shí)現(xiàn)聲/電轉(zhuǎn)換。聲表面波在壓電基片上傳播經(jīng)過一段時(shí)間延遲到達(dá)反射柵，反射柵將部分聲表面波反射回來，反射的聲表面波又通過IDT轉(zhuǎn)換為正弦激勵(lì)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)電/聲轉(zhuǎn)換。

2)諧振型聲表面波傳感器

諧振型聲表面波傳感器將IDT置于2個(gè)全反射的反射柵間。激勵(lì)出的聲表面波的頻率與諧振器頻率相等時(shí)，聲表面波在反射柵間形成駐波，反射柵反射的量達(dá)到最大。不論聲表面波傳感器結(jié)構(gòu)如何，當(dāng)基片表面或內(nèi)部應(yīng)力、溫度等發(fā)生變化或外界因素，如溫度、表面應(yīng)力或壓力等發(fā)生變化，沿壓電基片表面?zhèn)鞑サ穆暠砻娌úㄩL和波速將發(fā)生變化，信號(hào)在反射柵上的延遲時(shí)間也會(huì)發(fā)生改變。通過各反射器反射回來的波的相位也會(huì)發(fā)生變化，這種相位的變化量則可作為外界因素變化的度量。

另外，如果從是否需要提供能量的角度出發(fā)，基于上述兩種結(jié)構(gòu)的聲表面波傳感器則可以分為有源和無源兩種。最終聲表面波傳感器可分為：有源延遲型、有源諧振型、無源延遲型以及無源諧振型4種類型[11]。

3 應(yīng)用于高溫領(lǐng)域聲表面波傳感器材料

聲表面波器件是一種無源無線的傳感器，可應(yīng)用于外部條件復(fù)雜的情況下(如高溫)，而其他傳感器在高溫下都將失去作用。當(dāng)然，聲表面波傳感器在高溫下應(yīng)用的前提是使用的傳感器材料(如壓電基片，金屬電極IDT和嵌入式電線等)必須能夠承受高溫。

3.1 應(yīng)用于高溫領(lǐng)域的IDT材料

為了適用于高溫條件，IDT材料應(yīng)該具有高的電導(dǎo)以及高的熔點(diǎn)溫度；另外，根據(jù)操作環(huán)境和應(yīng)用目的不同還應(yīng)具有良好的抗氧化和化學(xué)惰性等。一般而言，具有良好化學(xué)惰性的貴金屬(如金(Au)，鈀(Pd)，鉑(Pt)，銠(Rh)，釕(Ru)，銥(Ir)等)是公認(rèn)的適用于高溫條件下的候選IDT材料。表1給出了材料的熔點(diǎn)及塔曼溫度[12]。塔曼溫度一般被定義為材料熔點(diǎn)的1/2(TT=0.5Tm)。

表1 多種貴金屬的熔點(diǎn)及塔曼溫度

從表1可知，如果要制作一種標(biāo)準(zhǔn)十分嚴(yán)格的聲表面波傳感器，Pt是最好的選擇。但由于Pt的化學(xué)親和力較弱，同時(shí)與氧化物襯底(如石英或者GaLa)粘附性也很差，因此，選用Pt作為IDT材料時(shí)，需要在Pt與襯底間鍍上一層10 nm的粘附層。該粘附層必須是一種難熔的金屬且活性要強(qiáng)于Pt。在微電子領(lǐng)域，Ti是常用的粘附層，但由于Ti在Pt薄膜中的擴(kuò)散速度很快且容易形成TiO2在Pt晶界中沉積，最終會(huì)使IDT的電特性發(fā)生改變，同時(shí)，粘附層也會(huì)發(fā)生破壞而產(chǎn)生分層結(jié)構(gòu)。

如果使用鋯(Zr)和鉭(Ta)作為Pt的粘附層時(shí)，溫度大于700 ℃時(shí)粘附層仍具有較好的性能。雖然Zr和Ta置于Pt層下一起進(jìn)行退火處理時(shí)也會(huì)形成致密的氧化物(ZrO2和Ta2O5)，但由于氧的擴(kuò)散速度比Zr和Ta快，因而形成的氧化物不會(huì)對(duì)IDT的電特性及粘附層產(chǎn)生明顯的影響。但Pt/Ta或者Pt/Zr電極在700 ℃時(shí)會(huì)由于Pt薄膜中形成團(tuán)簇而產(chǎn)生退化現(xiàn)象。圖2給出了在空氣中900 ℃下退火2 h后，Pt/Ta 電極層的掃描電鏡(SEM)圖像。從圖中可知，Pt薄膜中形成了明顯的團(tuán)簇[13]。由于Pt薄膜具有本征的退化特性，因此,不論粘附層具有什么特性，Pt薄膜在高溫下發(fā)生退化都是不可避免的。

圖2 Pt/Ta材料的IDT空氣中900 ℃下退火2 h SEM圖像

為了解決Pt薄膜作為IDT材料在高溫下發(fā)生退化現(xiàn)象，Thiele J等人研究發(fā)現(xiàn)[14]，通過在Pt中摻雜10 %Rh形成Pt/10 %Rh合金，則可避免退化現(xiàn)象；另外，該合金在950 ℃時(shí)仍具有良好的穩(wěn)定性。因而Pt/10 %Rh合金是一種優(yōu)良的高溫領(lǐng)域應(yīng)用IDT材料。如果該合金再鍍上一層ZrO2或者使用賽隆(SiAlON)作為保護(hù)層，其穩(wěn)定性會(huì)更高。除此之外，如果使用更高熔點(diǎn)的金屬(如Ir)代替Pt作為IDT材料，也可避免Pt薄膜中出現(xiàn)的問題。圖3給出了Pt和Ir兩種電極在真空條件下900 ℃退火20 h后的SEM圖像[15]。從圖中可知，當(dāng)Pt開始發(fā)生團(tuán)簇時(shí)，Ir電極未發(fā)生變化。但由于Ir在溫度高于700 ℃時(shí)容易形成氧化物，因此，Ir作為IDT材料一般需要在無氧的環(huán)境或者加保護(hù)層條件下才會(huì)發(fā)揮出更高的效率。

圖3 Pt/Ta(左)和Ir/Ti (右) IDT材料真空900 ℃下20 h退火處理SEM圖像

3.2 應(yīng)用于高溫領(lǐng)域的壓電材料

為了實(shí)現(xiàn)聲表面波傳感器在高溫條件下的正常工作，作為傳感器的重要組成部分的壓電基片的選擇是非常重要的。目前報(bào)道的壓電基片材料已有一些能夠滿足溫度高于600 ℃的條件[13]。在傳感器行業(yè)中，因?yàn)閴弘姴牧蠒?huì)受到各種不同物理現(xiàn)象影響，因此,通常使用的壓電材料在溫度升高時(shí)會(huì)受到限制。如石英和鉭酸鋰(LiTaO3)會(huì)受到其居里溫度(Tc)限制，該材料的居里溫度分別為570 ℃和602 ℃[13]。為了消除目前高溫條件下使用的壓電材料的缺陷，許多研究組開發(fā)出了系列新的能夠滿足聲表面波傳感器在高溫條件下使用的壓電材料，如GaLa家族，磷酸鎵(GaPO4)，稀土四鈣硼氧酸鹽(ReCOB)或者層狀結(jié)構(gòu)的氮化鋁(AlN)和氮化鎵(GaN)薄膜等[14]。

3.2.1 GaLa

GaLa與石英都是晶體，其最大的特點(diǎn)是在溫度達(dá)到熔點(diǎn)1 470 ℃不會(huì)發(fā)生相轉(zhuǎn)變[12]。GaLa在室溫下具有很好的電聲特性，被認(rèn)為是代替石英成為傳感器壓電材料在高溫領(lǐng)域應(yīng)用的候選者。另外，GaLa具較低的聲表面波速率而被認(rèn)為是制備小器件的壓電材料。對(duì)GaLa在高溫條件下的研究發(fā)現(xiàn)，其具有非常高的穩(wěn)定性和巨大的抵抗熱沖擊能力[16]。此外，還具有好的質(zhì)量以及低的價(jià)格，使其成為大型的商用產(chǎn)品。另外，其一些系數(shù)與聲表面波具有很好的兼容性，如特殊的頻率溫度系數(shù)(TCF)，零功率通量角(PFA)，以及相對(duì)高的電—力耦合。但是，GaLa在聲傳播中具有很高的損耗，其聲傳播會(huì)隨著頻率和溫度的增加而變得十分嚴(yán)重。因此，在高溫應(yīng)用時(shí)其工作頻率最好不要超過1 GHz[17]。這些限制使其在無線器件中所具有的天線尺寸無法大幅縮減。GaLa還會(huì)減小傳輸器的敏感性，減小程度與工作頻率的大小成比例。另外，GaLa切片暴露在高溫尤其是真空條下時(shí)會(huì)發(fā)生表面退化現(xiàn)象。

3.2.2 磷酸鎵

磷酸鎵(GaPO4)是一種在高溫下電—聲應(yīng)用非常有前景的材料。GaPO4與石英具有相同的晶體結(jié)構(gòu)，但與GaLa相比，GaPO4的特性相對(duì)較差，其在溫度達(dá)到930 ℃時(shí)會(huì)發(fā)生相轉(zhuǎn)變[14]。因此，基于石英的特性可以預(yù)見，GaPO4在溫度到達(dá)850 ℃時(shí)會(huì)出現(xiàn)系列問題。表2給出了幾種作為聲表面波傳感器材料特性的比較[18]。

表2 GaPO4和AlN/藍(lán)寶石襯底(AlN/Sapphire)以及GaLa作為壓電材料電聲特性的比較

3.2.3 AlN

AlN具有良好的電、光電特性，已引起了人們廣泛的興趣[19]。同時(shí)，由于其具有很高的相位速度(接近5 700 m/s)，能與高相位襯底(金剛石，藍(lán)寶石)一起制作頻率高達(dá)10 GHz的器件[20]，這使得AlN在聲表面波傳感器領(lǐng)域也受到了廣泛的關(guān)注。在高溫條件下，藍(lán)寶石與AlN組合應(yīng)用是最好的選擇。通過在藍(lán)寶石襯底上外延生長的AlN具有合理的晶格錯(cuò)配，能在1 600 ℃下使用，同時(shí)，其聲波速率與AlN相近，可保證氮化鋁/藍(lán)寶石(AlN/Sapphire)聲表面波傳感器在高頻下正常工作。

將兩組病患均進(jìn)行手術(shù)后,并且待其手術(shù)產(chǎn)生的癥狀慢慢退去,大出血情況得到處理,而且沒有手術(shù)并發(fā)癥才能視作有明顯效果;病患手術(shù)產(chǎn)生的癥狀退去不完全,但大出血癥狀得到緩解,有小部分并發(fā)癥視作有效果;病患的手術(shù)產(chǎn)生的癥狀沒有消失,大出血癥狀沒有明顯改善,甚至病情更為嚴(yán)重的視為沒有效果。

因?yàn)橛锌赡塬@得零頻率溫度系數(shù)的聲表面波傳感器，AlN/藍(lán)寶石層狀結(jié)構(gòu)作為室溫聲表面波傳感器的應(yīng)用已被廣泛研究。與GaLa相比，AlN/藍(lán)寶石結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出了較高的特性：如聲表面波速率，電—力耦合或者聲傳播損耗等(具體請(qǐng)見表2)。另外，雙層AlN/藍(lán)寶石也為在惡劣的環(huán)境下工作提供了可能，例如，能與IDT一起構(gòu)成三明治結(jié)構(gòu)。這種結(jié)構(gòu)提供了一個(gè)自然抵御外部破壞的保護(hù)層。關(guān)于高溫領(lǐng)域應(yīng)用的薄膜壓電AlN，目前已經(jīng)有大量研究，如Pisano研究組通過實(shí)驗(yàn)證實(shí)AlN基的拉姆波聲表面波傳感器可以在700 ℃下工作，如果增加二氧化硅(SiO2)補(bǔ)償層，通過改變AlN和SiO2的厚度，其轉(zhuǎn)換溫度將會(huì)提高[21]。Bruckner G等人也研究了AlN/藍(lán)寶石結(jié)構(gòu)在可變溫度下工作的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)其在溫度達(dá)到858 ℃時(shí)還可以正常工作[22,23]。這些結(jié)果表明:基于AlN/Sapphire的延尺線型傳感器至少在630 ℃，680 MHz的條件下能正常工作。當(dāng)溫度到858 ℃時(shí)，由于Pt電極的退化會(huì)使傳感器出錯(cuò)。上述研究表明，AlN是一種有潛力的能在高溫和高頻下使用的聲表面波壓電材料，但是，要想成為一種能在工業(yè)上廣泛使用的材料，其聲學(xué)和壓電特性(如聲傳播損耗，電—力耦合等)需要進(jìn)行更加詳細(xì)的研究。

4 結(jié)束語

要使聲表面波傳感器能夠應(yīng)用于高溫環(huán)境，傳統(tǒng)的聲表面波傳感器的制備材料必須要被一些新的耐高溫的材料替代。本文從聲表面波傳感器基礎(chǔ)理論出發(fā)分析了聲表面波技術(shù)的發(fā)展；對(duì)聲表面波材料、聲表面波理論和工作模式特性進(jìn)行詳細(xì)的論述；探討了目前聲表面波傳感器在高溫領(lǐng)域應(yīng)用需要解決的問題以及適用于高溫領(lǐng)域的聲表面波傳感的材料及其特性。

目前，隨著聲表面波傳感器廣泛應(yīng)用于軍工和民用領(lǐng)域，為了適應(yīng)未來復(fù)雜多變的環(huán)境，尤其是高溫環(huán)境，未來聲表面波傳感器的材料應(yīng)該面向可應(yīng)用于高溫高頻、穩(wěn)定性高等方向發(fā)展。具體如：1)選擇制備聲表面波傳感器的IDT材料應(yīng)具備高電導(dǎo)、高熔點(diǎn)、以及良好的抗氧化和化學(xué)惰性等；2)選擇具有高穩(wěn)定性和大抵抗熱沖擊能力特性的壓電材料，從而避免聲表面波傳感器在高溫環(huán)境下快速發(fā)生退化而失效；3)選用的制備聲表面波傳感器的材料還應(yīng)具有零頻率溫度系數(shù)、聲傳播損耗低、強(qiáng)的電—力耦合效應(yīng)等聲學(xué)和壓電特性；4)為了適應(yīng)復(fù)雜多變的環(huán)境，應(yīng)加強(qiáng)聲表面波傳感器的新材料的開發(fā)和相關(guān)特性的研究。

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