声表面波传感器在高温领域应用的研究进展*

潘小山， 杨璐羽， 王 琴， 李功燕

0 引 言

声表面波(surface acoustic wave,SAW)传感器是一种用声表面波器件作为传感元件，能够将被测的物理量通过声表面波的速度或频率的变化反映出来，最终转换成电信号输出的一种无源无线传感器[1,2]。声表面波传感器由于能将信号集中于基片表面，且具有高的工作频率和极高的信息敏感精度，因此，能快速地将其敏感的信息转换为电信号输出。基于声表面波技术的无线传感器能够精确测量大量的物理、化学量，如温度、应力、气体密度等[3]。经过多年的发展，目前已经形成了包括声表面波压力传感器、声表面波温度传感器、声表面波生物基因传感器、声表面波化学气相传感器以及智能传感器等多种类型[4～6]。本文主要基于当前声表面波传感器的原理及在高温领域中的研究进展进行全面的讨论：阐述了声表面波传感器的原理；阐述了声表面波传感器的工作模式以及声表面波传感器的材料并给出结论及展望。

1 声表面波传感器原理

声表面波器件主要由压电基片、叉指换能器(interdigital transducer,IDT)、声反射栅三部分组成振荡电路，用于接收来自外界的激励信号，并向外发送传感器产生的响应信号[7]。由于声表面波波速的变化主要受到压电基片物理特性变化的影响，因此,压电基片是声表面波器件检测的理论依据。在处理声表面波在压电基片中的分量时，由于压电材料在某个晶向上二阶以上的系数很小，一般只取一阶温度系数[8]

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

(1)

式中a0为一阶常数。由式(1)可知，声表面波传播速度与压电基片的温度几乎成正比关系。

IDT是一种形状如手指相互交叉而形成的图案，在压电基片表面上通过半导体平面工艺制作的相互交错的金属条,主要用于实现声/电转换与电/声转换。

声反射栅是构成声表面波传感器的重要组成部分，用于将受到调制过的声表面波反射到IDT，并经过IDT的声/电转换转换成电信号再传输出去，由信号分析器探测并解析，完成传感的作用。

另外，声表面波传感器还包括衬底上的敏感薄膜及外围电路等，当外界环境因素变化时，敏感薄膜的特性随之发生变化，进而影响到声表面波在薄膜上的传播特性，特别是对声表面波的波速影响尤为明显。一般地，对声表面波的波速变化起影响的因素主要包括：质量、弹性系数、薄膜电导率、介电常数、温度和压力等，其对波速的影响表示为[9]

(2)

式中m,c,σ,ε,T,P分别为质量、弹性系数、薄膜电导率、介电常数、温度和压力。当各种因素发生变化时，声表面波传感器上的波速也随之变化，但可以通过控制一种主导因素的变化从而制作出相应的传感器，如当变化的主导因素由温度引起时，则可制作出声表面波温度传感器。

2 声表面波传感器的工作模式

声表面波传感器是一种无源传感器，其能量由电子电路无线提供。根据器件分布方式的不同，声表面波传感器工作模式基本上可分为两类[10]：延迟线型和谐振型。图1给出了两种声表面波传感器的结构，其结构均由压电基片、IDT和反射栅构成。

图1 声表面波传感器的结构

1)延迟线型声表面波传感器

延迟线型声表面波传感器主要是通过天线接收到正弦激励信号，传递给IDT，正弦信号在压电基片激励出声表面波，实现声/电转换。声表面波在压电基片上传播经过一段时间延迟到达反射栅，反射栅将部分声表面波反射回来，反射的声表面波又通过IDT转换为正弦激励信号，实现电/声转换。

2)谐振型声表面波传感器

谐振型声表面波传感器将IDT置于2个全反射的反射栅间。激励出的声表面波的频率与谐振器频率相等时，声表面波在反射栅间形成驻波，反射栅反射的量达到最大。不论声表面波传感器结构如何，当基片表面或内部应力、温度等发生变化或外界因素，如温度、表面应力或压力等发生变化，沿压电基片表面传播的声表面波波长和波速将发生变化，信号在反射栅上的延迟时间也会发生改变。通过各反射器反射回来的波的相位也会发生变化，这种相位的变化量则可作为外界因素变化的度量。

另外，如果从是否需要提供能量的角度出发，基于上述两种结构的声表面波传感器则可以分为有源和无源两种。最终声表面波传感器可分为：有源延迟型、有源谐振型、无源延迟型以及无源谐振型4种类型[11]。

3 应用于高温领域声表面波传感器材料

声表面波器件是一种无源无线的传感器，可应用于外部条件复杂的情况下(如高温)，而其他传感器在高温下都将失去作用。当然，声表面波传感器在高温下应用的前提是使用的传感器材料(如压电基片，金属电极IDT和嵌入式电线等)必须能够承受高温。

3.1 应用于高温领域的IDT材料

为了适用于高温条件，IDT材料应该具有高的电导以及高的熔点温度；另外，根据操作环境和应用目的不同还应具有良好的抗氧化和化学惰性等。一般而言，具有良好化学惰性的贵金属(如金(Au)，钯(Pd)，铂(Pt)，铑(Rh)，钌(Ru)，铱(Ir)等)是公认的适用于高温条件下的候选IDT材料。表1给出了材料的熔点及塔曼温度[12]。塔曼温度一般被定义为材料熔点的1/2(TT=0.5Tm)。

表1 多种贵金属的熔点及塔曼温度

从表1可知，如果要制作一种标准十分严格的声表面波传感器，Pt是最好的选择。但由于Pt的化学亲和力较弱，同时与氧化物衬底(如石英或者GaLa)粘附性也很差，因此，选用Pt作为IDT材料时，需要在Pt与衬底间镀上一层10 nm的粘附层。该粘附层必须是一种难熔的金属且活性要强于Pt。在微电子领域，Ti是常用的粘附层，但由于Ti在Pt薄膜中的扩散速度很快且容易形成TiO2在Pt晶界中沉积，最终会使IDT的电特性发生改变，同时，粘附层也会发生破坏而产生分层结构。

如果使用锆(Zr)和钽(Ta)作为Pt的粘附层时，温度大于700 ℃时粘附层仍具有较好的性能。虽然Zr和Ta置于Pt层下一起进行退火处理时也会形成致密的氧化物(ZrO2和Ta2O5)，但由于氧的扩散速度比Zr和Ta快，因而形成的氧化物不会对IDT的电特性及粘附层产生明显的影响。但Pt/Ta或者Pt/Zr电极在700 ℃时会由于Pt薄膜中形成团簇而产生退化现象。图2给出了在空气中900 ℃下退火2 h后，Pt/Ta 电极层的扫描电镜(SEM)图像。从图中可知，Pt薄膜中形成了明显的团簇[13]。由于Pt薄膜具有本征的退化特性，因此,不论粘附层具有什么特性，Pt薄膜在高温下发生退化都是不可避免的。

图2 Pt/Ta材料的IDT空气中900 ℃下退火2 h SEM图像

为了解决Pt薄膜作为IDT材料在高温下发生退化现象，Thiele J等人研究发现[14]，通过在Pt中掺杂10 %Rh形成Pt/10 %Rh合金，则可避免退化现象；另外，该合金在950 ℃时仍具有良好的稳定性。因而Pt/10 %Rh合金是一种优良的高温领域应用IDT材料。如果该合金再镀上一层ZrO2或者使用赛隆(SiAlON)作为保护层，其稳定性会更高。除此之外，如果使用更高熔点的金属(如Ir)代替Pt作为IDT材料，也可避免Pt薄膜中出现的问题。图3给出了Pt和Ir两种电极在真空条件下900 ℃退火20 h后的SEM图像[15]。从图中可知，当Pt开始发生团簇时，Ir电极未发生变化。但由于Ir在温度高于700 ℃时容易形成氧化物，因此，Ir作为IDT材料一般需要在无氧的环境或者加保护层条件下才会发挥出更高的效率。

图3 Pt/Ta(左)和Ir/Ti (右) IDT材料真空900 ℃下20 h退火处理SEM图像

3.2 应用于高温领域的压电材料

为了实现声表面波传感器在高温条件下的正常工作，作为传感器的重要组成部分的压电基片的选择是非常重要的。目前报道的压电基片材料已有一些能够满足温度高于600 ℃的条件[13]。在传感器行业中，因为压电材料会受到各种不同物理现象影响，因此,通常使用的压电材料在温度升高时会受到限制。如石英和钽酸锂(LiTaO3)会受到其居里温度(Tc)限制，该材料的居里温度分别为570 ℃和602 ℃[13]。为了消除目前高温条件下使用的压电材料的缺陷，许多研究组开发出了系列新的能够满足声表面波传感器在高温条件下使用的压电材料，如GaLa家族，磷酸镓(GaPO4)，稀土四钙硼氧酸盐(ReCOB)或者层状结构的氮化铝(AlN)和氮化镓(GaN)薄膜等[14]。

3.2.1 GaLa

GaLa与石英都是晶体，其最大的特点是在温度达到熔点1 470 ℃不会发生相转变[12]。GaLa在室温下具有很好的电声特性，被认为是代替石英成为传感器压电材料在高温领域应用的候选者。另外，GaLa具较低的声表面波速率而被认为是制备小器件的压电材料。对GaLa在高温条件下的研究发现，其具有非常高的稳定性和巨大的抵抗热冲击能力[16]。此外，还具有好的质量以及低的价格，使其成为大型的商用产品。另外，其一些系数与声表面波具有很好的兼容性，如特殊的频率温度系数(TCF)，零功率通量角(PFA)，以及相对高的电—力耦合。但是，GaLa在声传播中具有很高的损耗，其声传播会随着频率和温度的增加而变得十分严重。因此，在高温应用时其工作频率最好不要超过1 GHz[17]。这些限制使其在无线器件中所具有的天线尺寸无法大幅缩减。GaLa还会减小传输器的敏感性，减小程度与工作频率的大小成比例。另外，GaLa切片暴露在高温尤其是真空条下时会发生表面退化现象。

3.2.2 磷酸镓

磷酸镓(GaPO4)是一种在高温下电—声应用非常有前景的材料。GaPO4与石英具有相同的晶体结构，但与GaLa相比，GaPO4的特性相对较差，其在温度达到930 ℃时会发生相转变[14]。因此，基于石英的特性可以预见，GaPO4在温度到达850 ℃时会出现系列问题。表2给出了几种作为声表面波传感器材料特性的比较[18]。

表2 GaPO4和AlN/蓝宝石衬底(AlN/Sapphire)以及GaLa作为压电材料电声特性的比较

3.2.3 AlN

AlN具有良好的电、光电特性，已引起了人们广泛的兴趣[19]。同时，由于其具有很高的相位速度(接近5 700 m/s)，能与高相位衬底(金刚石，蓝宝石)一起制作频率高达10 GHz的器件[20]，这使得AlN在声表面波传感器领域也受到了广泛的关注。在高温条件下，蓝宝石与AlN组合应用是最好的选择。通过在蓝宝石衬底上外延生长的AlN具有合理的晶格错配，能在1 600 ℃下使用，同时，其声波速率与AlN相近，可保证氮化铝/蓝宝石(AlN/Sapphire)声表面波传感器在高频下正常工作。

将两组病患均进行手术后,并且待其手术产生的症状慢慢退去,大出血情况得到处理,而且没有手术并发症才能视作有明显效果;病患手术产生的症状退去不完全,但大出血症状得到缓解,有小部分并发症视作有效果;病患的手术产生的症状没有消失,大出血症状没有明显改善,甚至病情更为严重的视为没有效果。

因为有可能获得零频率温度系数的声表面波传感器，AlN/蓝宝石层状结构作为室温声表面波传感器的应用已被广泛研究。与GaLa相比，AlN/蓝宝石结构表现出了较高的特性：如声表面波速率，电—力耦合或者声传播损耗等(具体请见表2)。另外，双层AlN/蓝宝石也为在恶劣的环境下工作提供了可能，例如，能与IDT一起构成三明治结构。这种结构提供了一个自然抵御外部破坏的保护层。关于高温领域应用的薄膜压电AlN，目前已经有大量研究，如Pisano研究组通过实验证实AlN基的拉姆波声表面波传感器可以在700 ℃下工作，如果增加二氧化硅(SiO2)补偿层，通过改变AlN和SiO2的厚度，其转换温度将会提高[21]。Bruckner G等人也研究了AlN/蓝宝石结构在可变温度下工作的实验，发现其在温度达到858 ℃时还可以正常工作[22,23]。这些结果表明:基于AlN/Sapphire的延尺线型传感器至少在630 ℃，680 MHz的条件下能正常工作。当温度到858 ℃时，由于Pt电极的退化会使传感器出错。上述研究表明，AlN是一种有潜力的能在高温和高频下使用的声表面波压电材料，但是，要想成为一种能在工业上广泛使用的材料，其声学和压电特性(如声传播损耗，电—力耦合等)需要进行更加详细的研究。

4 结束语

要使声表面波传感器能够应用于高温环境，传统的声表面波传感器的制备材料必须要被一些新的耐高温的材料替代。本文从声表面波传感器基础理论出发分析了声表面波技术的发展；对声表面波材料、声表面波理论和工作模式特性进行详细的论述；探讨了目前声表面波传感器在高温领域应用需要解决的问题以及适用于高温领域的声表面波传感的材料及其特性。

目前，随着声表面波传感器广泛应用于军工和民用领域，为了适应未来复杂多变的环境，尤其是高温环境，未来声表面波传感器的材料应该面向可应用于高温高频、稳定性高等方向发展。具体如：1)选择制备声表面波传感器的IDT材料应具备高电导、高熔点、以及良好的抗氧化和化学惰性等；2)选择具有高稳定性和大抵抗热冲击能力特性的压电材料，从而避免声表面波传感器在高温环境下快速发生退化而失效；3)选用的制备声表面波传感器的材料还应具有零频率温度系数、声传播损耗低、强的电—力耦合效应等声学和压电特性；4)为了适应复杂多变的环境，应加强声表面波传感器的新材料的开发和相关特性的研究。

参考文献:

[1] 李 川，杜晓松，胡 佳，等.声表面波气体传感器振荡电路设计[J].传感器与微系统，2012,31(1):124-126.

[2] 郑天祥，李 璐，陈 硕，声表面波传感技术在能源互联网在线监测中的应用研究综述[J].智能电网，2015,3(12):1112-1117.

[3] 叶 韬，金 浩，董树荣，等.无线无源声表面波传感器研究进展[J].传感器与微系统，2014,33(12):1-4.

[4] Borrero G A,Bravo J P,Mora S F,et al.Design and fabrication of SAW pressure,temperature and impedance sensors using novel multiphysics simulation models[J].Sensors and Actuators A:Physical,2013,203:204-214.

[5] 赵以贵，刘 明，牛洁斌.SAW化学战传感器的研究进展[J].传感器与微系统，2008,27(9):1-3.

[6] 王丽硕,魏东炜,汪宝和,等.声表面波化学传感器膜材料的研究进展[J].高分子通报,2012(1):23-28.

[7] 于海燕,谢光忠,吴志明,等.导电聚合特薄膜声表面波传感器敏感特性研究[J].传感器与微系统，2007,26(2):53-55.

[8] 孟庆元,杜善义.压电介质二维边界积分方程中的基本解[J].固体力学学报,1995,16(1):91-93.

[9] Ricco A J,Martin S J.Thin metal film characterization and chemical sensors:Monitoring electronic conductivity,mass loading and mechanical properties with surface acoustic wave devices[J].Thin Solid Films,1991,206:94-101.

[10] Lange K,Rapp B E,Rapp M.Surface acoustic wave biosensors:A review[J].Anal Bioanal Chem,2008,391:1509-1519.

[11] Lium B,Chen X,Cai H,et al.Surface acoustic wave devices for sensor application[J].Journal of Semiconductors,2016,37(2):021001-1-021001-9.

[12] Zhou C,Yang Y,Cai H,et al.Temperature-compensated high frequency surface acoustic wave device[J].IEEE Electron Dev Lett,2013,34(12):1572-1574.

[13] Aubert T,Elmazria O,Assouar B,et al.Behavior of platinum/tantalum as interdigital transducers for SAW devices in high-temperature environments[J].IEEE Trans on Ultras Ferroel & Frequ Con,2011,58(3):306-310.

[14] Thiele J,Cunha M P Da.High temperature LGS SAW devices with Pt/WO3and Pd sensing films[C]∥2003 IEEE Ultrasonics Symposium,2003:1750-1753.

[15] Hornsteiner J,Born E,Riha E.Langasite for high temperature surface acoustic wave applications[J].Phys Stat S,A,1997,163:R3-R4.

[16] Cunha M P Da,Lad R J,Moonlight T,et al.High temperature stability of langasite surface acoustic wave devices[C]∥Proc of 2008 IEEE Ultrasonics International Sympo,2008:205-208.

[17] Hakiki E M,Elmazria O,Assouar M B,et al.ZnO/A1N/diamond layered structure for SAW devices combining high velocity and high electromechanical coupling coefficient[J].Diamond and Related Materials,2005,14:1175-1178.

[18] Fachberger R,Bruckner G,Knoll G,et al. Applicability of LiNbO3,Langasite and GaPO4in high temperature SAW sensors operating at radio frequencies[J].IEEE Trans on Ultrason Ferroel Freq Control,2004,51(11):1427-1431.

[19] Elmazria O,Assouar M B,Renard P,et al.Electrical properties of piezoelectric AlN films deposited by DC magnetron sputtering[J].Phys Stat Sol (a),2003,196(2):416-421.

[20] Deger C,Born E,Angerer H,et al.Sound velocity of AlxGa1-xN thin-films obtained by surface acoustic-wave measurements[J].Appl Phys Lett,1998,72(19):2400-2402.

[21] Lin C M.Thermally compensated aluminum nitride Lamb wave resonators for high temperature applications[J].Appl Phys Lett,2010,97:083501-1-083501-3.

[22] Bruckner G,Bardong J,Fachberger R,et al.Investigations of SAW delay lines on c-plane AlN/sapphire at elevated temperatures[C]∥Proc of 2010 IEEE Freq Contr Symp,2010:499-502.

[23] Aubert T,Elmazria O,Assouar B,et al.Surface acoustic wave devices based on AlN/Sapphire structure for high temperature applications[J].Appl Phys Lett,2010,96:203503—1-203503—3.