基于ALN壓電層的聲表面波溫度傳感器仿真與試驗研究*

曹 森，趙祉澎，劉志春，孫宏毅，陳錦斌，于曉梅，梁軍生,2※

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

0 引言

當今傳感技術正在迅速發展，傳感器逐步趨向微型化、小型化、可集成等，并且在工業生產、航空航天、電力等領域也顯現出來一些局限性。而聲表面波（SAW）器件已經成為非常有前景的高水平傳感器，其可實現小體積、輕重量、高靈敏度、高集成度、低功耗，并能夠實現無線無源測量，適用于極端和特殊環境[1-3]。SAW 傳感器由叉指電級（IDT）、過渡層、壓電層、襯底多層結構組成，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軸擇優取向的ALN 薄膜的SAW 相速度能達到6 000 m∕s，機電耦合系數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，可以實現批量生產、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∕藍寶石壓電雙層結構在高溫聲表面波應用的可行性；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進行優化仿真、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 結構制作聲表面波諧振型溫度傳感器，相比于延遲線，諧振型具有高品質因數和低插損的特點，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的理想結構參數，將制作的傳感器放入馬弗爐利用網絡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、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構尺寸發生變化，從而導致聲表面波的波長發生變化。于是v與λ的變化共同導致諧振頻率的變化。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（TCF）的絕對值大小是代表傳感器靈敏度大小的物理量，反映響應頻率的熱穩定性。大部分壓電材料的TCF 值為負數，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。

溫度頻率系數的值非常小，通常用ppm ∕℃表示。

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

式中：fr為共振頻率；fa為反共振頻率。

機電耦合系數值較小，一般使用百分比表示。

2 結構參數設計及仿真分析

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構參數。為了增大波速與機電耦合系數、提高其TCF 值，并設計合理的頻率和尺寸以方便后續工藝制作，仿真確定了傳感器的最優參數。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，結構示意圖如圖2所示。為了方便后續制作，設計波長λ=20 μm、聲孔徑W=50λ（1 000 μm）的傳感器，聲孔徑大能更好的產生諧振。表1給出了仿真所需ALN、Sapphire 的材料常數與一階溫度系數，用來反映溫度對材料性質的影響[11-12]，Pt 和Ta使用材料庫中參數。

表1 材料常數與溫度系數

圖2 仿真模型結構示意圖

ALN 厚度過厚會影響聲波的模態[13]，所以設定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 電極厚度設為100 nm；IDT 設為均勻的，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，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，其反對稱模態的特征頻率為289.34 MHz，對稱模態的特征頻率為290.3 MHz，波速約為5 800 m∕s。

圖3 瑞利波兩種模態

2.2 電極厚度分析

根據上述參數，仿真不同對傳感器機電耦合系數和瑞利波波速的影響。擬合后的結果如圖4所示，hpt是電極厚度，v是瑞利波波速，K2是機電耦合系數。由于質量負載效應，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的關系。圖5所示為擬合后的結果，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個波長的厚度內進行傳播，隨著ALN厚度的小幅增加，聲波在ALN 內的分量增大，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，隨后變為正值，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，確定傳感器參數如表2所示。

表2 傳感器參數

利用磁控濺射系統，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的焊盤上，高溫固化后固定在馬弗爐內部進行測試，鉑線通過接線窗口引出，另一端與PCB 板上的SMA 接頭相連，射頻線和轉接線的兩端分別連接網絡分析儀（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 測試結果及分析

使用網絡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果，這是由于理想與實際狀態下材料參數的偏差、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 數值也在減小，這是因為表面波波速和材料的彈性常數、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所示為試驗結果與仿真對照，將試驗結果進行線性擬合，可以看到溫度與頻率呈線性關系。所求得的溫度頻率系數為-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、制備和測試等誤差所導致。當溫度升高到800 ℃后，S11數值極劇減小，10 min后頻率變得不穩定，信號逐漸消失，傳感器發生失效。

圖9 測試結果

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測試SAW 傳感器的表面叉指電極結構，表面界限清晰、沒有發生斷裂。而圖10（b）所示在800 ℃高溫測試后，表面電極發生斷裂，因為在高溫環境中，金屬Pt 發生了團聚，多處重結晶融合在一起，所以會導致電信號的不連續，傳感器失效。

圖10 叉指電極結構

4 結束語

本文介紹了聲表面波溫度傳感器的原理，并選擇ALN∕Sapphire 層狀結構，為了獲得具有高機電耦合系數與溫度頻率系數的結構參數，利用COMSOL Multiphysics仿真軟件進行仿真。聲表面波波長為20 μm 時，發現在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，結果顯示頻率與溫度具有良好的線性關系，TCF值為-54.65 ppm∕℃，對溫度敏感度較高，與仿真結果相近。而在800 ℃環境下測試10 min后，觀察到傳感器表面Pt 電極發生團聚，導致器件失效。試驗結果證明了傳感器在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。