基于ALN压电层的声表面波温度传感器仿真与试验研究

摘要

传统的声表面波(SAW)温度传感器仍存在测温范围小、灵敏度低的问题,为满足对工业生产、航空航天等高温环境下的温度检测,采用了在高温下仍能保持良好压电性的ALN薄膜,确定传感器的结构为叉指换能器(IDT)/ALN/Sapphire。为了得到较高温度频率系数(TCF),进行建模仿真和计算对比,并利用激发的瑞利波模态对温度进行感知标定。分析了不同压电层厚度、金属化比率、叉指电极厚度对激发的瑞利波波速和机电耦合系数的影响,并讨论了TCF值与压电层厚度的关系。确定理想参数下的波速为5780 m/s,机电耦合系数为0.82%。利用射频磁控溅射系统在Sapphire基底上溅射了高质量C轴取向ALN薄膜,再将表面的Pt/Ta图案化成电极。试验制得的传感器在800℃以下其频率与温度呈现较好的线性关系,温度频率系数约为-53.5 ppm/℃,与仿真较为吻合。相比于传统SAW温度传感器,在测温范围增大的同时保证了高灵敏度。