基于氮化铝压电薄膜的声表面波(SAW)高温力学传感器研究

摘要

力学传感器是将各种力学参量转换为电信号的器件。应用于高温极端环境下测量的高温力学传感器，尤其是高温压力传感器和高温应变传感器，在航空航天、石油化工、武器装备以及汽车能源等领域发挥着巨大作用。长久以来，世界各国都很重视高温力学传感器的研发工作，在这一传感器领域投入了大量的人力和物力。目前，中国在高温力学传感器领域的研究仍比较落后，高端高温力学传感器主要依赖进口，国产传感器只占据中低端市场，更无法满足众多高温现场愈加苛刻的温度要求。因此，加速开发高端高温力学传感器，对促进国民经济发展、打破国外行业垄断，意义重大。 声表面波（Surface Acoustic Wave,SAW）传感器具有体积小、精度高、可无源无线的特点，长期受到人们的关注，符合未来传感器技术的发展趋势。随着氮化铝（AlN）压电薄膜和硅酸镓镧（LGS）压电单晶等耐高温压电材料被开发出来，基于这些材料的声表面波高温传感器技术也展现出巨大的前景。本论文针对声表面波高温力学传感器研究中的科学和技术问题，基于耐高温的氮化铝压电薄膜材料，研发了拥有多个声波模态和更高测试灵敏度、可用多种方案实现温度补偿和力学参量测量的声表面波高温应变传感器和高温压力传感器。 本论文的主要工作包括： ①首先介绍了基于各种工作原理的高温压力传感器和高温应变传感器和基于各种耐高温压电材料的声表面波高温传感器的发展现状，指出研发声表面波高温压力传感器和高温应变传感器的可行性和高温潜力。 ②讨论了声表面波在固体介质表面的激发与传输理论，分别介绍了瑞利波和兰姆波及其传播特性，论证了通过控制氮化铝层下面衬底的厚度有可能在声表面波器件中既能激发出瑞利波，又能激发出多个声波模态的兰姆波。 ③分别介绍了应变传感器和压力传感器的测量原理、传感器中应变灵敏度和压力灵敏度的分析方法，讨论了常用的温度补偿方案并提出了新型的有望提高测量灵敏度的双通道温度补偿方案；给出了双通道温度补偿和应变/压力测量的具体实现方案，并分别设计了用于应变和压力测量的谐振器式的声表面波传感器芯片；用COMSOL软件仿真确认了传感器芯片能激发出瑞利波和多个模态的兰姆波，初步验证了芯片设计的有效性。 ④利用磁控溅射工艺成功制备了AlN压电薄膜并进行了材料表征，初步研究了钪（Sc）掺杂的AlN压电薄膜的磁控溅射制备工艺；结合MEMS加工工艺对声表面波传感器芯片结构做了优化，并完成了芯片的MEMS加工，主要涉及AlN保膜沉积、Mo叉指换能器制备、SiO2抗氧化层制备工艺、背面深硅刻蚀等工艺。 ⑤制作了双芯片的声表面波高温应变传感器，设计并搭建了高温拉伸应变测试平台；在室温下测试了两个芯片的静态特性，确认芯片中存在明显的四种声波模态，即瑞利波（Rayleigh wave）、A4模态兰姆波（A4mode Lamb wave）、S4模态兰姆波（S4mode Lamb wave）和S5模态兰姆波（S5mode Lamb wave）；测试对比了各个声波模态在室温下的应变响应特性，发现三个模态兰姆波的应变响应参数均优于瑞利波，其中芯片a中的S4模态兰姆波表现出最佳的灵敏度和分辨力；针对在250℃高温且温度不断波动的环境下单个芯片无法准确测量拉伸应变的问题，提出了“同时使用芯片a中的瑞利波和S4模态兰姆波进行拍频计算”和“同时使用芯片a和芯片b中的S4模态兰姆波进行拍频计算”两种温度补偿和应变测量方法，理论计算和实际测试均表明，这两种方案均能实现应变量的准确测试，且应变灵敏度比使用单个芯片、单声波模态时明显提高。 ⑥制作了双芯片的声表面波高温压力传感器，设计并搭建了高温压力测试平台；室温下的静态测试表明两个芯片中均只有A4模态兰姆波、S4模态兰姆波和S5模态兰姆波，瑞利波不明显；测试对比了各个声波模态在室温下的压力响应特性，发现芯片a中的S4模态兰姆波表现出最佳的灵敏度和分辨力；针对传感器在250℃高温且温度不断波动的环境下无法准确测量高温气压的问题，提出了“同时使用芯片a和b中的S4模态兰姆波进行拍频计算”的方法，实际测试表明，该方案可以实现高温温度波动环境下的压力测试，但压力测试的灵敏度较使用单芯片、单声波模态时发生了下降。

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