耐高温薄膜电极及声表面波器件研究

来源 :电子科技大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:gmzz2009
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近年来,由于声表面波(surface acoustic wave,SAW)传感器具有无线无源、体积小等特点被研究者们广泛关注。特别是在工业生产、航空航天等领域的极端恶劣如高温高压等环境中,SAW传感器拥有广泛的应用前景。但是,极端环境对SAW传感器的稳定性来说是一种挑战,目前成熟的SAW温度传感器最高能够工作在600°C左右,这还远不及上述应用场景下的要求。因此,需有必要研制一种能够稳定地工作于极高温度下的SAW传感器。本文采用PLD技术分别制备了以HfO2、ZnO、ZrO2薄膜作为缓冲层的多层薄膜电极,研究了不同缓冲层材料对Pt电极生长质量以及高温稳定性的影响,分别900°C、1000°C、1100°C退火2 h之后的电极进行表征。随后,搭建了高温电阻测试系统,在常温至1100°C范围内对三种电极的电阻特性进行研究。结果表明,ZnO、ZrO2缓冲层电极在高温环境中电阻较稳定,结合微观结构分析,ZnO缓冲层电极在经历高温之后微观结构更加稳定。本文分别设计了线宽2μm和3μm的SAW温度传感器,采用(0°,90°,0°)切型的硅酸镓钽钙(CTGS)作为压电衬底,在此切向下SAW器件的频率-温度特性呈单调变化,适用于温度传感器。首先,利用有限元仿真软件COMSOL Multiphysics分别对线宽2μm和3μm的器件模型进行了仿真,获得其谐振频率。此外,为了研究高温下电极团聚收缩对谐振频率的影响,分别对电极不同收缩程度进行仿真,结果表明随着电极的收缩变窄器件谐振频率呈下降趋势,表明电极形貌的变化会影响SAW传感器的性能。本文利用多层薄膜电极制备了两种线宽的SAW温度传感器,搭建了高温测试环境并对传感器进行封装。随后,对传感器的温度特性以及高温稳定性进行研究,结果表明线宽2μm的器件在1100°C环境中短时间工作之后,电极出现了团聚收缩,导致三次测试结果出现一定误差。而线宽3μm的器件虽然电极出现了空洞,但线宽没有发生明显变化,且多次测试结果一致性较好,说明其具有在1100°C下稳定工作的潜力。此外,在1000°C保温10 h的过程中可以发现两种线宽器件的谐振频率都较为稳定,且保温过后电极没有发生明显的团聚收缩,说明线宽2μm和3μm的器件都能够在1000°C环境中长时间稳定工作。实验结果表明,采用多层薄膜电极制备的SAW温度传感器能够在1000°C下长时间稳定工作,且线宽3μm的器件能够在1100°C环境中维持一定时间的稳定性。说明此种方案能够获得具有在1000°C及以上环境中稳定工作能力的SAW传感器,为高温领域SAW器件的制备和应用提供了一定的实验依据。
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