基于PLD濺射Al2O3薄膜的聲表面波溫度傳感器的研究

周煦航，郭 濤，梁曉瑞，譚秋林，甘 宇

(儀器科學(xué)與動(dòng)態(tài)測試教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中北大學(xué)，山西太原 030051)

0 引言

隨著科技的進(jìn)步，工業(yè)的快速發(fā)展，越來越多的行業(yè)對(duì)于耐高溫器件的需求大大提高，尤其是在航空航天、汽車行業(yè)、冶金等領(lǐng)域中。聲表面波器件具有無線無源的特性近些年得到了廣泛的研究[1]。聲表面波廣泛應(yīng)用于溫度[2]、壓力[3]、應(yīng)變[4]環(huán)境的測量?，F(xiàn)在我們選擇能夠承受惡劣條件的材料，能夠在1 000 ℃的高溫環(huán)境下性質(zhì)不發(fā)生變化。

硅酸鎵鑭(LGS)作為新型壓電材料比同類型石英大2～3倍的機(jī)電耦合系數(shù)，熔點(diǎn)為1 470 ℃，很適合制作溫度穩(wěn)定性好的聲表面波器件。Pt作為貴金屬，有較高的熔點(diǎn)(1 773 ℃)，并且具有最大的化學(xué)惰性，很適應(yīng)高溫環(huán)境。Pt因?yàn)楦邷叵铝己玫碾妼?dǎo)率成為高溫環(huán)境下電極材料的優(yōu)選。但是，Pt電極長時(shí)間工作在800 ℃以上高溫環(huán)境中時(shí)會(huì)發(fā)生團(tuán)聚、結(jié)塊等現(xiàn)象[5]。根據(jù)文獻(xiàn)[6]報(bào)道，受制于沉積條件的約束，制備的金屬薄膜各原子移動(dòng)受限，這使得薄膜處于一種非平衡的結(jié)構(gòu)。因此，當(dāng)溫度足夠高時(shí)，金屬薄膜就會(huì)結(jié)塊形成不連續(xù)的顆粒，導(dǎo)致叉指電極的斷裂，從而器件失效。

隨著對(duì)耐高溫材料的研究深入，以Pt、Ir等貴金屬材料因?yàn)槠鋸?qiáng)度高、耐高溫等優(yōu)良性能比傳統(tǒng)的Au、Al等電極材料有更高的熔點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于高溫環(huán)境中[7]，Pt金屬對(duì)其他元素的親和力非常弱，同時(shí)對(duì)氧化物基底的附著力也比較低，通常需要在Pt與基底之間加上一層粘附層來解決這一問題。T. Aubert[8-9]等在Ir電極和LGS襯底之間濺射10 nmTi作為黏附層制作出SAW傳感器，并且在1 050 ℃下穩(wěn)定工作了7 h。同時(shí)還制作了將Ta為Pt和LGS襯底的黏附層的聲表面波溫度傳感器，在1 100 ℃范圍內(nèi)可以工作[10-14]。

在電極的表面制備一層保護(hù)層能夠使電極在高溫下有更好的導(dǎo)電穩(wěn)定性，L.Shu[15]在SAW傳感器器件表面沉積AlN作為保護(hù)層，研究它在600 ℃下的穩(wěn)定性。B. Z. Huo[16]也將ALN作為ZnO襯底的聲表面波溫度傳感器的保護(hù)層，效果明顯。Al2O3作為一種常用耐高溫陶瓷材料，廣泛的應(yīng)用于各種高溫場景，相比較AlN，其楊氏模量較高，較小的泊松比，更適合作為高溫保護(hù)層。

本工作主要研究Al2O3保護(hù)層對(duì)Pt/Ti電極材料在高溫下的穩(wěn)定性的影響，測試了Al2O3保護(hù)層所覆蓋的Pt/Ti電極的聲表面波溫度傳感的測量范圍和1 100 ℃ 下的穩(wěn)定性，并且探究高溫環(huán)境下電極材料的微觀結(jié)構(gòu)變化。

1 高溫電極薄膜失效原理

通過沉積制備的薄膜通常處于亞穩(wěn)態(tài)狀態(tài)，在薄膜熔點(diǎn)之下，薄膜在較高的溫度下就會(huì)結(jié)塊、團(tuán)聚形成一個(gè)個(gè)孤立的島嶼，而薄膜團(tuán)聚的驅(qū)動(dòng)力會(huì)使薄膜-基材界面的總能量最小化。但是隨著薄膜厚度的增加，驅(qū)動(dòng)力會(huì)減小，團(tuán)聚速率會(huì)變慢。高溫下薄膜結(jié)塊為塑性形變，它表現(xiàn)為當(dāng)外力作用大，引起自身發(fā)生形變卻不隨外力消失而消失，同時(shí)存在一定的剩余形變。薄膜材料受到外部作用力產(chǎn)生的應(yīng)變能是以應(yīng)變和應(yīng)力兩種形式存儲(chǔ)在材料中的勢能[17]，應(yīng)變能密度Eζ表示為單位體積內(nèi)應(yīng)變能的大小，如式(1)：

Eζ=b[M(ζE)2/(1-v)]/2

(1)

式中：b為膜厚；M為薄膜的楊氏模量；v為薄膜的泊松比；ζE為應(yīng)力大小。

所以泊松比小，膜厚，楊氏模量大均可以提高應(yīng)變能，從而對(duì)Pt電極高溫下的結(jié)塊起到抑制作用。

2 傳感器與薄膜的制備

本文采用的硅酸鎵鑭(LGS)的切向?yàn)?0，138.5，26.6)，SAW諧振器有40對(duì)孔徑為100λ的叉指換能器(IDT)，在IDT的左右兩側(cè)各放置80對(duì)反射柵。IDT和反射柵指條的寬度均為4 μm。然后通過標(biāo)準(zhǔn)MEMS工藝加工制造聲表面波傳感器，如圖1所示。首先分別用丙酮和無水乙醇超聲清洗5 min，氮?dú)獯蹈?，以洗去LGS表面的灰塵顆粒;然后通過勻膠機(jī)調(diào)整轉(zhuǎn)速，勻膠轉(zhuǎn)速分為兩個(gè)階段，第1階段：500 r/min，時(shí)長5s，第2階段：3 000 r/min，時(shí)長30 s，可實(shí)現(xiàn)LGS表面覆涂厚度均勻的光刻膠(6130)，在烘烤機(jī)100 ℃烘烤90 s；將表面勻完膠的LGS基底粘貼在設(shè)計(jì)好圖案的掩模版，通過紫外光刻(EVG610)在覆涂光刻膠的LGS表面形成光刻膠圖案，并通過顯影液顯出光刻圖案，放入去離子水中清洗，使用N2氣吹干樣片；用O2等離子體處理10 min(PVA TePla，10 WAVE)以提高沉積金屬的附著力。接著使用磁控濺射在LGS基片表面沉積Ti /Pt(10/150 nm)，最后放入丙酮溶液浸泡進(jìn)行剝離，實(shí)現(xiàn)LGS基底器件。

圖1 制備流程

圖2為所制造的聲表面波溫度傳感器器件及局部放大圖，從圖中可以看到，叉指電極結(jié)構(gòu)完整，表面平整干凈，未出現(xiàn)斷裂、短路等缺陷。

(a)實(shí)物圖 (b)局部放大圖圖2 所制造的聲表面波傳感器

實(shí)驗(yàn)制作的防護(hù)薄膜均是使用脈沖激光沉積(pulsed laser deposition,PLD)系統(tǒng)制備。PLD系統(tǒng)是由激光器和真空沉積系統(tǒng)組成。原理如圖3所示，激光器產(chǎn)生一束高能量的脈沖激光經(jīng)過透鏡的聚焦高能量轟擊靶塊，靶塊表面瞬間溫度達(dá)到1000 ℃以上，靶材被高能激光所加熱、熔化、氣化形成高溫等離子羽輝，等離子體最后以較高的能量向基底表面移動(dòng)到襯底上凝聚，在基底表面生成薄膜。

圖3 PLD系統(tǒng)的工作圖

激光器輸出模式為22 kV恒電壓模式，頻率為3 Hz，沉積時(shí)腔內(nèi)壓強(qiáng)為3.4×10-4Pa，沉積0.5 h，在傳感器器件表面形成100 nm的Al2O3薄膜。

3 傳感器的測試與結(jié)果討論

3.1 測試平臺(tái)

圖4所示為溫度傳感器的測試方案。使用RF網(wǎng)絡(luò)分析儀(Agilent E5061B)和馬弗爐測量SAW溫度傳感器在不同相對(duì)溫度下的頻率響應(yīng)。聲表面波傳感器被固定在馬弗爐內(nèi)的承燒板上，用鉑絲將傳感器與電路板連接，通過同軸電纜將電路板與網(wǎng)絡(luò)分析儀連接。網(wǎng)絡(luò)分析儀發(fā)出掃頻信號(hào)與傳感器的諧振頻率一致時(shí)，傳感器發(fā)生諧振，通過連接的鉑絲將傳感器信號(hào)發(fā)射回網(wǎng)絡(luò)分析儀內(nèi)，通過提取網(wǎng)絡(luò)分析儀上的S11 曲線可知傳感器的工作頻率。將馬弗爐的升溫速率設(shè)置為10 ℃/min，并在100 ℃、200 ℃、300 ℃…1 300 ℃保溫2 min來獲得更精確的傳感器測試數(shù)值實(shí)時(shí)記錄測試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

圖4 測試方案

3.2 測試結(jié)果與討論

SEM對(duì)試樣進(jìn)行了微觀結(jié)構(gòu)分析，觀察SAW器件在高溫前后插值表面的變化。圖5為高溫測試前后Pt-Ti/LGS和Al2O3/Pt-Ti/LGS樣品的表面形貌。Pt-Ti /LGS樣品在測量前的表面形貌是平滑平整的，如圖5(a)所示沒有可見的顆粒狀、突起。然而，在經(jīng)過馬弗爐的高溫測試后，Pt-Ti/LGS的傳感器電極出現(xiàn)變化，如圖5(b)所示，電極邊緣開始收縮，相較于未測試前，邊緣毛刺增多。Pt電極薄膜在空洞邊緣開始聚集并有凸起，此處Pt薄膜的厚度是高于其周圍其他位置的。隨著時(shí)間的增長，空洞的邊緣持續(xù)收縮，由于空洞擴(kuò)散是由高曲率往低曲率位置擴(kuò)散，空洞的邊緣曲率會(huì)降低，所以空洞會(huì)越來越大。當(dāng)溫度達(dá)到1 000 ℃并保留1 h后，如圖5(c)所示叉指電極發(fā)生斷裂，信號(hào)消失。同樣，如圖5(d)所示測試前Al2O3/Pt-Ti/LGS表面也是光滑的表面。但是經(jīng)過高溫1 300 ℃測試，如5(f)所示,傳感器的叉指電極也發(fā)生斷裂，導(dǎo)致器件的損壞。鍍Al2O3防護(hù)膜的傳感器的高溫穩(wěn)定性能是遠(yuǎn)好于未鍍膜的器件。

溫度測試中馬弗爐從27 ℃開始升溫直到1 300 ℃，利用網(wǎng)絡(luò)分析儀記錄每個(gè)溫度點(diǎn)對(duì)應(yīng)的S11曲線，隨著測試時(shí)間的增加，溫度不斷升高，傳感器的諧振頻率不斷地變小，如圖6(a)所示，當(dāng)從室溫100 ℃到1300 ℃的變化過程中，聲表面波溫度傳感器的諧振頻率從161 MHz減少到154 MHz，頻率偏移為7 MHz。對(duì)網(wǎng)絡(luò)分析儀采集的數(shù)據(jù)，繪制諧振頻率-溫度曲線，對(duì)測試的數(shù)據(jù)進(jìn)行二次多項(xiàng)式擬合，結(jié)果如圖6(b)所示。由于多項(xiàng)式的擬合不具備推測性，適用的范圍也很小，對(duì)諧振進(jìn)行分段擬合，如圖6(c)所示，傳感器在100～700 ℃范圍內(nèi)的靈敏度為2.58 kHz/℃，在700～1 300 ℃的靈敏度為8.23 kHz/℃。由此傳感器在高溫范圍(700～1 300 ℃)靈敏度要與低溫范圍(100～700 ℃)內(nèi)的靈敏度。這是由于外界的溫度不斷變大，引起LGS材料的介電常數(shù)變化加快到溫度。當(dāng)達(dá)1 300 ℃并持續(xù)3 min后，傳感器的諧振頻率突然增大，此時(shí)認(rèn)為該器件由于叉指電極在高溫下發(fā)生團(tuán)聚結(jié)塊等現(xiàn)象使得叉指電極變窄，最后叉指斷裂，傳感器信號(hào)徹底消失。

(b)傳感器頻率與溫度的擬合曲線

(c)2個(gè)溫度范圍的擬合曲線

(d)1 100 ℃下頻率隨時(shí)間變化的曲線圖6 傳感器的高溫信號(hào)測試曲線

由于LGS基底材料的熔點(diǎn)為1 470 ℃，實(shí)驗(yàn)就在1 100 ℃對(duì)傳感器進(jìn)行耐久性測試，當(dāng)馬弗爐的溫度達(dá)到1 100 ℃時(shí)，對(duì)傳感器進(jìn)行保溫，同時(shí)每20 min記錄1次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，當(dāng)保溫時(shí)間達(dá)到80 min時(shí)，傳感器的諧振頻率突然增大，此時(shí)認(rèn)為傳感器已經(jīng)失效。由于Al2O3保護(hù)層它的應(yīng)變能大，抵消了較多的結(jié)塊所需要的驅(qū)動(dòng)力。但是隨著時(shí)間的增長，金屬電極仍會(huì)在高溫環(huán)境下發(fā)生團(tuán)聚，叉指電極會(huì)變窄，導(dǎo)致傳感器諧振頻率突然增大，隨著保溫時(shí)間的增長，叉指電極發(fā)生斷裂，最終傳感器失去信號(hào)。

高溫測試前，聲表面波叉指表面粗糙度較低，最終經(jīng)過高溫測試后表面粗糙度明顯增加。如圖7所示，Rms由2.112變?yōu)?0.115，變化了10倍，此時(shí)的器件已經(jīng)發(fā)生損壞，高溫下金屬薄膜開始出現(xiàn)團(tuán)聚現(xiàn)象，表面粗糙度增加。

圖7 測試前后的器件表面粗糙度

3 結(jié)論

通過脈沖激光沉積的氧化鋁薄膜對(duì)于聲表面波溫度傳感器的高溫穩(wěn)定性有明顯的增加，在高溫下對(duì)Pt電極有很好的抑制效果。與未鍍防護(hù)薄膜的傳感器相比，鍍100 nm氧化鋁保護(hù)層的傳感器能夠耐受更高的溫度和更好的穩(wěn)定性，在1 100 ℃下保溫80 min后傳感器的頻率才發(fā)生激增直至信號(hào)消失。氧化鋁薄膜作為常用的耐高溫材料對(duì)聲表面波溫度傳感器的防護(hù)有重要作用。