基于PLD溅射Al2O3薄膜的声表面波温度传感器的研究

周煦航，郭 涛，梁晓瑞，谭秋林，甘 宇

(仪器科学与动态测试教育部重点实验室，中北大学，山西太原 030051)

0 引言

随着科技的进步，工业的快速发展，越来越多的行业对于耐高温器件的需求大大提高，尤其是在航空航天、汽车行业、冶金等领域中。声表面波器件具有无线无源的特性近些年得到了广泛的研究[1]。声表面波广泛应用于温度[2]、压力[3]、应变[4]环境的测量。现在我们选择能够承受恶劣条件的材料，能够在1 000 ℃的高温环境下性质不发生变化。

硅酸镓镧(LGS)作为新型压电材料比同类型石英大2～3倍的机电耦合系数，熔点为1 470 ℃，很适合制作温度稳定性好的声表面波器件。Pt作为贵金属，有较高的熔点(1 773 ℃)，并且具有最大的化学惰性，很适应高温环境。Pt因为高温下良好的电导率成为高温环境下电极材料的优选。但是，Pt电极长时间工作在800 ℃以上高温环境中时会发生团聚、结块等现象[5]。根据文献[6]报道，受制于沉积条件的约束，制备的金属薄膜各原子移动受限，这使得薄膜处于一种非平衡的结构。因此，当温度足够高时，金属薄膜就会结块形成不连续的颗粒，导致叉指电极的断裂，从而器件失效。

随着对耐高温材料的研究深入，以Pt、Ir等贵金属材料因为其强度高、耐高温等优良性能比传统的Au、Al等电极材料有更高的熔点而被广泛应用于高温环境中[7]，Pt金属对其他元素的亲和力非常弱，同时对氧化物基底的附着力也比较低，通常需要在Pt与基底之间加上一层粘附层来解决这一问题。T. Aubert[8-9]等在Ir电极和LGS衬底之间溅射10 nmTi作为黏附层制作出SAW传感器，并且在1 050 ℃下稳定工作了7 h。同时还制作了将Ta为Pt和LGS衬底的黏附层的声表面波温度传感器，在1 100 ℃范围内可以工作[10-14]。

在电极的表面制备一层保护层能够使电极在高温下有更好的导电稳定性，L.Shu[15]在SAW传感器器件表面沉积AlN作为保护层，研究它在600 ℃下的稳定性。B. Z. Huo[16]也将ALN作为ZnO衬底的声表面波温度传感器的保护层，效果明显。Al2O3作为一种常用耐高温陶瓷材料，广泛的应用于各种高温场景，相比较AlN，其杨氏模量较高，较小的泊松比，更适合作为高温保护层。

本工作主要研究Al2O3保护层对Pt/Ti电极材料在高温下的稳定性的影响，测试了Al2O3保护层所覆盖的Pt/Ti电极的声表面波温度传感的测量范围和1 100 ℃ 下的稳定性，并且探究高温环境下电极材料的微观结构变化。

1 高温电极薄膜失效原理

通过沉积制备的薄膜通常处于亚稳态状态，在薄膜熔点之下，薄膜在较高的温度下就会结块、团聚形成一个个孤立的岛屿，而薄膜团聚的驱动力会使薄膜-基材界面的总能量最小化。但是随着薄膜厚度的增加，驱动力会减小，团聚速率会变慢。高温下薄膜结块为塑性形变，它表现为当外力作用大，引起自身发生形变却不随外力消失而消失，同时存在一定的剩余形变。薄膜材料受到外部作用力产生的应变能是以应变和应力两种形式存储在材料中的势能[17]，应变能密度Eζ表示为单位体积内应变能的大小，如式(1)：

Eζ=b[M(ζE)2/(1-v)]/2

(1)

式中：b为膜厚；M为薄膜的杨氏模量；v为薄膜的泊松比；ζE为应力大小。

所以泊松比小，膜厚，杨氏模量大均可以提高应变能，从而对Pt电极高温下的结块起到抑制作用。

2 传感器与薄膜的制备

本文采用的硅酸镓镧(LGS)的切向为(0，138.5，26.6)，SAW谐振器有40对孔径为100λ的叉指换能器(IDT)，在IDT的左右两侧各放置80对反射栅。IDT和反射栅指条的宽度均为4 μm。然后通过标准MEMS工艺加工制造声表面波传感器，如图1所示。首先分别用丙酮和无水乙醇超声清洗5 min，氮气吹干，以洗去LGS表面的灰尘颗粒;然后通过匀胶机调整转速，匀胶转速分为两个阶段，第1阶段：500 r/min，时长5s，第2阶段：3 000 r/min，时长30 s，可实现LGS表面覆涂厚度均匀的光刻胶(6130)，在烘烤机100 ℃烘烤90 s；将表面匀完胶的LGS基底粘贴在设计好图案的掩模版，通过紫外光刻(EVG610)在覆涂光刻胶的LGS表面形成光刻胶图案，并通过显影液显出光刻图案，放入去离子水中清洗，使用N2气吹干样片；用O2等离子体处理10 min(PVA TePla，10 WAVE)以提高沉积金属的附着力。接着使用磁控溅射在LGS基片表面沉积Ti /Pt(10/150 nm)，最后放入丙酮溶液浸泡进行剥离，实现LGS基底器件。

图1 制备流程

图2为所制造的声表面波温度传感器器件及局部放大图，从图中可以看到，叉指电极结构完整，表面平整干净，未出现断裂、短路等缺陷。

(a)实物图 (b)局部放大图图2 所制造的声表面波传感器

实验制作的防护薄膜均是使用脉冲激光沉积(pulsed laser deposition,PLD)系统制备。PLD系统是由激光器和真空沉积系统组成。原理如图3所示，激光器产生一束高能量的脉冲激光经过透镜的聚焦高能量轰击靶块，靶块表面瞬间温度达到1000 ℃以上，靶材被高能激光所加热、熔化、气化形成高温等离子羽辉，等离子体最后以较高的能量向基底表面移动到衬底上凝聚，在基底表面生成薄膜。

图3 PLD系统的工作图

激光器输出模式为22 kV恒电压模式，频率为3 Hz，沉积时腔内压强为3.4×10-4Pa，沉积0.5 h，在传感器器件表面形成100 nm的Al2O3薄膜。

3 传感器的测试与结果讨论

3.1 测试平台

图4所示为温度传感器的测试方案。使用RF网络分析仪(Agilent E5061B)和马弗炉测量SAW温度传感器在不同相对温度下的频率响应。声表面波传感器被固定在马弗炉内的承烧板上，用铂丝将传感器与电路板连接，通过同轴电缆将电路板与网络分析仪连接。网络分析仪发出扫频信号与传感器的谐振频率一致时，传感器发生谐振，通过连接的铂丝将传感器信号发射回网络分析仪内，通过提取网络分析仪上的S11 曲线可知传感器的工作频率。将马弗炉的升温速率设置为10 ℃/min，并在100 ℃、200 ℃、300 ℃…1 300 ℃保温2 min来获得更精确的传感器测试数值实时记录测试实验数据。

图4 测试方案

3.2 测试结果与讨论

SEM对试样进行了微观结构分析，观察SAW器件在高温前后插值表面的变化。图5为高温测试前后Pt-Ti/LGS和Al2O3/Pt-Ti/LGS样品的表面形貌。Pt-Ti /LGS样品在测量前的表面形貌是平滑平整的，如图5(a)所示没有可见的颗粒状、突起。然而，在经过马弗炉的高温测试后，Pt-Ti/LGS的传感器电极出现变化，如图5(b)所示，电极边缘开始收缩，相较于未测试前，边缘毛刺增多。Pt电极薄膜在空洞边缘开始聚集并有凸起，此处Pt薄膜的厚度是高于其周围其他位置的。随着时间的增长，空洞的边缘持续收缩，由于空洞扩散是由高曲率往低曲率位置扩散，空洞的边缘曲率会降低，所以空洞会越来越大。当温度达到1 000 ℃并保留1 h后，如图5(c)所示叉指电极发生断裂，信号消失。同样，如图5(d)所示测试前Al2O3/Pt-Ti/LGS表面也是光滑的表面。但是经过高温1 300 ℃测试，如5(f)所示,传感器的叉指电极也发生断裂，导致器件的损坏。镀Al2O3防护膜的传感器的高温稳定性能是远好于未镀膜的器件。

温度测试中马弗炉从27 ℃开始升温直到1 300 ℃，利用网络分析仪记录每个温度点对应的S11曲线，随着测试时间的增加，温度不断升高，传感器的谐振频率不断地变小，如图6(a)所示，当从室温100 ℃到1300 ℃的变化过程中，声表面波温度传感器的谐振频率从161 MHz减少到154 MHz，频率偏移为7 MHz。对网络分析仪采集的数据，绘制谐振频率-温度曲线，对测试的数据进行二次多项式拟合，结果如图6(b)所示。由于多项式的拟合不具备推测性，适用的范围也很小，对谐振进行分段拟合，如图6(c)所示，传感器在100～700 ℃范围内的灵敏度为2.58 kHz/℃，在700～1 300 ℃的灵敏度为8.23 kHz/℃。由此传感器在高温范围(700～1 300 ℃)灵敏度要与低温范围(100～700 ℃)内的灵敏度。这是由于外界的温度不断变大，引起LGS材料的介电常数变化加快到温度。当达1 300 ℃并持续3 min后，传感器的谐振频率突然增大，此时认为该器件由于叉指电极在高温下发生团聚结块等现象使得叉指电极变窄，最后叉指断裂，传感器信号彻底消失。

(b)传感器频率与温度的拟合曲线

(c)2个温度范围的拟合曲线

(d)1 100 ℃下频率随时间变化的曲线图6 传感器的高温信号测试曲线

由于LGS基底材料的熔点为1 470 ℃，实验就在1 100 ℃对传感器进行耐久性测试，当马弗炉的温度达到1 100 ℃时，对传感器进行保温，同时每20 min记录1次实验数据，当保温时间达到80 min时，传感器的谐振频率突然增大，此时认为传感器已经失效。由于Al2O3保护层它的应变能大，抵消了较多的结块所需要的驱动力。但是随着时间的增长，金属电极仍会在高温环境下发生团聚，叉指电极会变窄，导致传感器谐振频率突然增大，随着保温时间的增长，叉指电极发生断裂，最终传感器失去信号。

高温测试前，声表面波叉指表面粗糙度较低，最终经过高温测试后表面粗糙度明显增加。如图7所示，Rms由2.112变为20.115，变化了10倍，此时的器件已经发生损坏，高温下金属薄膜开始出现团聚现象，表面粗糙度增加。

图7 测试前后的器件表面粗糙度

3 结论

通过脉冲激光沉积的氧化铝薄膜对于声表面波温度传感器的高温稳定性有明显的增加，在高温下对Pt电极有很好的抑制效果。与未镀防护薄膜的传感器相比，镀100 nm氧化铝保护层的传感器能够耐受更高的温度和更好的稳定性，在1 100 ℃下保温80 min后传感器的频率才发生激增直至信号消失。氧化铝薄膜作为常用的耐高温材料对声表面波温度传感器的防护有重要作用。