基于单晶AlN的超高温SAW传感器研究

作     者：张怡红 

作者单位：浙江大学 

学位级别：硕士

导师姓名：董树荣

授予年度：2023年

学科分类：080202[工学-机械电子工程] 08[工学] 0802[工学-机械工程] 

主      题：声表面波谐振器(SAW) 单晶AlN压电材料 复合电极结构 超高温SAW 

摘      要：物联网时代的到来促进了高速通信和智能制造业的发展,随之而来的是对传感器的需求,尤其在航空航天、基础设施建造等领域,传感器的需求日益增加,但目前仍然存在许多难以解决的技术难题。本文面向工业中的高温恶劣环境,进行声表面波传感器的研究,建立用于高温恶劣应用环境的声表面波温度传感技术体系和创新方法。通过对超高温应用下的SAW传感器进行材料选择、结构设计和优化,成功研制基于SAW的温度传感器,并开展应用验证。主要工作和创新性成果如下:1)通过实验与分析,表征了薄膜单晶AlN的高温压电特性,并分析并获得了其在超高温下的劣化机理。在此基础上,针对其劣化现象的根源,提出了有效保护方案:增加表面保护层和提供氮气实验环境两种方案,使得AlN的高温压电特性得到最大限度的保持,以获得性能良好的AlN声表面波器件。2)通过掺杂及多层复合材料的结构设计,建立了耐高温SAW电极材料体系。通过对多种金属的高温特性的研究,最终选择了10%Rh掺杂的Pt合金作为SAW器件的电极主体,后期再引入耐高温的陶瓷材料(氧化铝),形成SAW器件的阻挡扩散层、黏附层以及保护层,获得性能最佳的耐高温复合电极结构设计。研究高温下金属电极的团聚效应与热蒸发效应,提出适用于高温的(1000℃)多层复合电极材料及结构设计。3)实现高性能SAW谐振器的优化设计。通过多层复合结构中声表面波传输特性研究,提取仿真特征参数,并借助于有限元分析和COM模型,获得薄膜压电单晶AlN的高性能SAW器件的设计方法。4)进行SAW器件的耐高温与高温传感实验。在结构设计与版图确定的情况下,摸索加工工艺,最大程度还原所设计的SAW器件性能。对加工的SAW器件进行耐高温实验,验证其在高温下长时间工作的可靠性。最后搭建高温测试平台,实现SAW器件在升温过程中实时S参数的采集,构建频率-温度(F-T)曲线。本文中加工而成的SAW器件已经可以完成1400℃下长时间工作的目标,并实现100-1200℃的实时传感特性曲线采集。