周煦航，郭 濤，梁曉瑞，譚秋林，甘 宇

(儀器科學(xué)與動態(tài)測試教育部重點實驗室，中北大學(xué)，山西太原 030051)

0 引言

隨著科技的進步，工業(yè)的快速發(fā)展，越來越多的行業(yè)對于耐高溫器件的需求大大提高，尤其是在航空航天、汽車行業(yè)、冶金等領(lǐng)域中。聲表面波器件具有無線無源的特性近些年得到了廣泛的研究[1]。聲表面波廣泛應(yīng)用于溫度[2]、壓力[3]、應(yīng)變[4]環(huán)境的測量?，F(xiàn)在我們選擇能夠承受惡劣條件的材料，能夠在1 000 ℃的高溫環(huán)境下性質(zhì)不發(fā)生變化。

硅酸鎵鑭(LGS)作為新型壓電材料比同類型石英大2～3倍的機電耦合系數(shù)，熔點為1 470 ℃，很適合制作溫度穩(wěn)定性好的聲表面波器件。Pt作為貴金屬，有較高的熔點(1 773 ℃)，并且具有最大的化學(xué)惰性，很適應(yīng)高溫環(huán)境。Pt因為高溫下良好的電導(dǎo)率成為高溫環(huán)境下電極材料的優(yōu)選。但是，Pt電極長時間工作在800 ℃以上高溫環(huán)境中時會發(fā)生團聚、結(jié)塊等現(xiàn)象[5]。根據(jù)文獻[6]報道，受制于沉積條件的約束，制備的金屬薄膜各原子移動受限，這使得薄膜處于一種非平衡的結(jié)構(gòu)。因此，當(dāng)溫度足夠高時，金屬薄膜就會結(jié)塊形成不連續(xù)的顆粒，導(dǎo)致叉指電極的斷裂，從而器件失效。

隨著對耐高溫材料的研究深入，以Pt、Ir等貴金屬材料因為其強度高、耐高溫等優(yōu)良性能比傳統(tǒng)的Au、Al等電極材料有更高的熔點而被廣泛應(yīng)用于高溫環(huán)境中[7]，Pt金屬對其他元素的親和力非常弱，同時對氧化物基底的附著力也比較低，通常需要在Pt與基底之間加上一層粘附層來解決這一問題。T. Aubert[8-9]等在Ir電極和LGS襯底之間濺射10 nmTi作為黏附層制作出SAW傳感器，并且在1 050 ℃下穩(wěn)定工作了7 h。同時還制作了將Ta為Pt和LGS襯底的黏附層的聲表面波溫度傳感器，在1 100 ℃范圍內(nèi)可以工作[10-14]。

在電極的表面制備一層保護層能夠使電極在高溫下有更好的導(dǎo)電穩(wěn)定性，L.Shu[15]在SAW傳感器器件表面沉積AlN作為保護層，研究它在600 ℃下的穩(wěn)定性。B. Z. Huo[16]也將ALN作為ZnO襯底的聲表面波溫度傳感器的保護層，效果明顯。Al2O3作為一種常用耐高溫陶瓷材料，廣泛的應(yīng)用于各種高溫場景，相比較AlN，其楊氏模量較高，較小的泊松比，更適合作為高溫保護層。

本工作主要研究Al2O3保護層對Pt/Ti電極材料在高溫下的穩(wěn)定性的影響，測試了Al2O3保護層所覆蓋的Pt/Ti電極的聲表面波溫度傳感的測量范圍和1 100 ℃ 下的穩(wěn)定性，并且探究高溫環(huán)境下電極材料的微觀結(jié)構(gòu)變化。

1 高溫電極薄膜失效原理

通過沉積制備的薄膜通常處于亞穩(wěn)態(tài)狀態(tài)，在薄膜熔點之下，薄膜在較高的溫度下就會結(jié)塊、團聚形成一個個孤立的島嶼，而薄膜團聚的驅(qū)動力會使薄膜-基材界面的總能量最小化。但是隨著薄膜厚度的增加，驅(qū)動力會減小，團聚速率會變慢。高溫下薄膜結(jié)塊為塑性形變，它表現(xiàn)為當(dāng)外力作用大，引起自身發(fā)生形變卻不隨外力消失而消失，同時存在一定的剩余形變。薄膜材料受到外部作用力產(chǎn)生的應(yīng)變能是以應(yīng)變和應(yīng)力兩種形式存儲在材料中的勢能[17]，應(yīng)變能密度Eζ表示為單位體積內(nèi)應(yīng)變能的大小，如式(1)：

Eζ=b[M(ζE)2/(1-v)]/2

(1)

式中：b為膜厚；M為薄膜的楊氏模量；v為薄膜的泊松比；ζE為應(yīng)力大小。

所以泊松比小，膜厚，楊氏模量大均可以提高應(yīng)變能，從而對Pt電極高溫下的結(jié)塊起到抑制作用。

2 傳感器與薄膜的制備

本文采用的硅酸鎵鑭(LGS)的切向為(0，138.5，26.6)，SAW諧振器有40對孔徑為100λ的叉指換能器(IDT)，在IDT的左右兩側(cè)各放置80對反射柵。IDT和反射柵指條的寬度均為4 μm。然后通過標準MEMS工藝加工制造聲表面波傳感器，如圖1所示。首先分別用丙酮和無水乙醇超聲清洗5 min，氮氣吹干，以洗去LGS表面的灰塵顆粒;然后通過勻膠機調(diào)整轉(zhuǎn)速，勻膠轉(zhuǎn)速分為兩個階段，第1階段：500 r/min，時長5s，第2階段：3 000 r/min，時長30 s，可實現(xiàn)LGS表面覆涂厚度均勻的光刻膠(6130)，在烘烤機100 ℃烘烤90 s；將表面勻完膠的LGS基底粘貼在設(shè)計好圖案的掩模版，通過紫外光刻(EVG610)在覆涂光刻膠的LGS表面形成光刻膠圖案，并通過顯影液顯出光刻圖案，放入去離子水中清洗，使用N2氣吹干樣片；用O2等離子體處理10 min(PVA TePla，10 WAVE)以提高沉積金屬的附著力。接著使用磁控濺射在LGS基片表面沉積Ti /Pt(10/150 nm)，最后放入丙酮溶液浸泡進行剝離，實現(xiàn)LGS基底器件。

圖1 制備流程

圖2為所制造的聲表面波溫度傳感器器件及局部放大圖，從圖中可以看到，叉指電極結(jié)構(gòu)完整，表面平整干凈，未出現(xiàn)斷裂、短路等缺陷。

(a)實物圖 (b)局部放大圖圖2 所制造的聲表面波傳感器

實驗制作的防護薄膜均是使用脈沖激光沉積(pulsed laser deposition,PLD)系統(tǒng)制備。PLD系統(tǒng)是由激光器和真空沉積系統(tǒng)組成。原理如圖3所示，激光器產(chǎn)生一束高能量的脈沖激光經(jīng)過透鏡的聚焦高能量轟擊靶塊，靶塊表面瞬間溫度達到1000 ℃以上，靶材被高能激光所加熱、熔化、氣化形成高溫等離子羽輝，等離子體最后以較高的能量向基底表面移動到襯底上凝聚，在基底表面生成薄膜。

圖3 PLD系統(tǒng)的工作圖

激光器輸出模式為22 kV恒電壓模式，頻率為3 Hz，沉積時腔內(nèi)壓強為3.4×10-4Pa，沉積0.5 h，在傳感器器件表面形成100 nm的Al2O3薄膜。

3 傳感器的測試與結(jié)果討論

3.1 測試平臺

圖4所示為溫度傳感器的測試方案。使用RF網(wǎng)絡(luò)分析儀(Agilent E5061B)和馬弗爐測量SAW溫度傳感器在不同相對溫度下的頻率響應(yīng)。聲表面波傳感器被固定在馬弗爐內(nèi)的承燒板上，用鉑絲將傳感器與電路板連接，通過同軸電纜將電路板與網(wǎng)絡(luò)分析儀連接。網(wǎng)絡(luò)分析儀發(fā)出掃頻信號與傳感器的諧振頻率一致時，傳感器發(fā)生諧振，通過連接的鉑絲將傳感器信號發(fā)射回網(wǎng)絡(luò)分析儀內(nèi)，通過提取網(wǎng)絡(luò)分析儀上的S11 曲線可知傳感器的工作頻率。將馬弗爐的升溫速率設(shè)置為10 ℃/min，并在100 ℃、200 ℃、300 ℃…1 300 ℃保溫2 min來獲得更精確的傳感器測試數(shù)值實時記錄測試實驗數(shù)據(jù)。

圖4 測試方案

3.2 測試結(jié)果與討論

SEM對試樣進行了微觀結(jié)構(gòu)分析，觀察SAW器件在高溫前后插值表面的變化。圖5為高溫測試前后Pt-Ti/LGS和Al2O3/Pt-Ti/LGS樣品的表面形貌。Pt-Ti /LGS樣品在測量前的表面形貌是平滑平整的，如圖5(a)所示沒有可見的顆粒狀、突起。然而，在經(jīng)過馬弗爐的高溫測試后，Pt-Ti/LGS的傳感器電極出現(xiàn)變化，如圖5(b)所示，電極邊緣開始收縮，相較于未測試前，邊緣毛刺增多。Pt電極薄膜在空洞邊緣開始聚集并有凸起，此處Pt薄膜的厚度是高于其周圍其他位置的。隨著時間的增長，空洞的邊緣持續(xù)收縮，由于空洞擴散是由高曲率往低曲率位置擴散，空洞的邊緣曲率會降低，所以空洞會越來越大。當(dāng)溫度達到1 000 ℃并保留1 h后，如圖5(c)所示叉指電極發(fā)生斷裂，信號消失。同樣，如圖5(d)所示測試前Al2O3/Pt-Ti/LGS表面也是光滑的表面。但是經(jīng)過高溫1 300 ℃測試，如5(f)所示,傳感器的叉指電極也發(fā)生斷裂，導(dǎo)致器件的損壞。鍍Al2O3防護膜的傳感器的高溫穩(wěn)定性能是遠好于未鍍膜的器件。

溫度測試中馬弗爐從27 ℃開始升溫直到1 300 ℃，利用網(wǎng)絡(luò)分析儀記錄每個溫度點對應(yīng)的S11曲線，隨著測試時間的增加，溫度不斷升高，傳感器的諧振頻率不斷地變小，如圖6(a)所示，當(dāng)從室溫100 ℃到1300 ℃的變化過程中，聲表面波溫度傳感器的諧振頻率從161 MHz減少到154 MHz，頻率偏移為7 MHz。對網(wǎng)絡(luò)分析儀采集的數(shù)據(jù)，繪制諧振頻率-溫度曲線，對測試的數(shù)據(jù)進行二次多項式擬合，結(jié)果如圖6(b)所示。由于多項式的擬合不具備推測性，適用的范圍也很小，對諧振進行分段擬合，如圖6(c)所示，傳感器在100～700 ℃范圍內(nèi)的靈敏度為2.58 kHz/℃，在700～1 300 ℃的靈敏度為8.23 kHz/℃。由此傳感器在高溫范圍(700～1 300 ℃)靈敏度要與低溫范圍(100～700 ℃)內(nèi)的靈敏度。這是由于外界的溫度不斷變大，引起LGS材料的介電常數(shù)變化加快到溫度。當(dāng)達1 300 ℃并持續(xù)3 min后，傳感器的諧振頻率突然增大，此時認為該器件由于叉指電極在高溫下發(fā)生團聚結(jié)塊等現(xiàn)象使得叉指電極變窄，最后叉指斷裂，傳感器信號徹底消失。

(b)傳感器頻率與溫度的擬合曲線

(c)2個溫度范圍的擬合曲線

(d)1 100 ℃下頻率隨時間變化的曲線圖6 傳感器的高溫信號測試曲線

由于LGS基底材料的熔點為1 470 ℃，實驗就在1 100 ℃對傳感器進行耐久性測試，當(dāng)馬弗爐的溫度達到1 100 ℃時，對傳感器進行保溫，同時每20 min記錄1次實驗數(shù)據(jù)，當(dāng)保溫時間達到80 min時，傳感器的諧振頻率突然增大，此時認為傳感器已經(jīng)失效。由于Al2O3保護層它的應(yīng)變能大，抵消了較多的結(jié)塊所需要的驅(qū)動力。但是隨著時間的增長，金屬電極仍會在高溫環(huán)境下發(fā)生團聚，叉指電極會變窄，導(dǎo)致傳感器諧振頻率突然增大，隨著保溫時間的增長，叉指電極發(fā)生斷裂，最終傳感器失去信號。

高溫測試前，聲表面波叉指表面粗糙度較低，最終經(jīng)過高溫測試后表面粗糙度明顯增加。如圖7所示，Rms由2.112變?yōu)?0.115，變化了10倍，此時的器件已經(jīng)發(fā)生損壞，高溫下金屬薄膜開始出現(xiàn)團聚現(xiàn)象，表面粗糙度增加。

圖7 測試前后的器件表面粗糙度

3 結(jié)論

通過脈沖激光沉積的氧化鋁薄膜對于聲表面波溫度傳感器的高溫穩(wěn)定性有明顯的增加，在高溫下對Pt電極有很好的抑制效果。與未鍍防護薄膜的傳感器相比，鍍100 nm氧化鋁保護層的傳感器能夠耐受更高的溫度和更好的穩(wěn)定性，在1 100 ℃下保溫80 min后傳感器的頻率才發(fā)生激增直至信號消失。氧化鋁薄膜作為常用的耐高溫材料對聲表面波溫度傳感器的防護有重要作用。