柔性聲表面波器件基礎(chǔ)研究.pdf

1、聲表面波（SAW，Surface Acoustic Wave）器件在射頻通信濾波器，雙工器，射頻標(biāo)簽，生物傳感、生物醫(yī)療、微流體和片上實(shí)驗(yàn)室有著廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的SAW器件大多制作在硅、玻璃等剛性襯底上，然而在實(shí)際應(yīng)用中，對(duì)可撓性好、能貼附在任意曲面或不規(guī)則物體表面的類皮膚型器件的需求日益增多，如果能開(kāi)發(fā)出一款柔性SAW器件并且把它實(shí)用化，將打開(kāi)和推動(dòng)基于柔性SAW器件的柔性傳感領(lǐng)域和柔性片上實(shí)驗(yàn)室，強(qiáng)有力推動(dòng)電子皮膚、智能蒙皮的應(yīng)用。

2、為此，本文提出和制備了一種柔性SAW器件，并且將其成功應(yīng)用于柔性傳感領(lǐng)域和柔性片上實(shí)驗(yàn)室。
　　論文的主要研究?jī)?nèi)容如下：①提出并在聚酰亞胺(PI）柔性薄膜上制備了ZnO薄膜型柔性SAW器件而且將其應(yīng)用于傳感和微流體領(lǐng)域;②研究了壓電ZnO薄膜晶粒結(jié)構(gòu)對(duì)柔性SAW器件的影響;③分析了ZnO/PI柔性SAW器件的兩個(gè)波模式，特別是第二個(gè)新的波模式，研究了波長(zhǎng)以及壓電薄膜厚度對(duì)兩個(gè)波模式的影響;④制備了基于AlN的柔性SAW器件;⑤提出

3、和制備了柔性透明SAW器件。
　　本論文主要研究成果如下：
　　1、提出并制備了柔性SAW器件，成功將其應(yīng)用于傳感和微流體領(lǐng)域。制備的柔性SAW器件性能優(yōu)良，且同時(shí)具有瑞利波和蘭姆波兩種諧振模式，當(dāng)ZnO厚度為4μm，波長(zhǎng)λ為10μm的時(shí)候，獲得的瑞利波頻率為198.1 MHz，對(duì)應(yīng)的相速度1981 m/s，機(jī)電耦合系數(shù)高達(dá)1.05％，而蘭姆波頻率為447 MHz，對(duì)應(yīng)的相速度高達(dá)4470 m/s，機(jī)電耦合系數(shù)為0.8％，兩

4、個(gè)諧振波的帶外抑制都大于18 dB。將制備的柔性SAW器件應(yīng)用于溫度傳感時(shí)，測(cè)得的瑞利波和蘭姆波的溫度系數(shù)(TCF，Temperature Correction Factor)分別為～442和～245 ppm/K;應(yīng)用于微流體時(shí)，當(dāng)信號(hào)電壓為9.5 V，液滴為10μL的時(shí)候，測(cè)得的聲線速度高達(dá)3.4 cm/s。該結(jié)果驗(yàn)證了柔性SAW器件在柔性傳感領(lǐng)域和柔性片上實(shí)驗(yàn)室的應(yīng)用前景，相關(guān)成果發(fā)表于Nature旗下的ScientificRepo

5、rts等期刊;
　　2、研究了壓電ZnO薄膜晶粒結(jié)構(gòu)對(duì)柔性SAW器件的影響。改變沉積ZnO薄膜的工藝參數(shù)直接影響ZnO薄膜晶粒結(jié)構(gòu)，導(dǎo)致柔性SAW器件的電學(xué)性能發(fā)生變化。研究表明，當(dāng)濺射功率為200 W，襯底偏壓為-75 V，濺射氣壓為2 Pa時(shí)，ZnO壓電薄膜的c軸取向最優(yōu)，晶粒尺寸最大，而制備的柔性SAW器件性能也最優(yōu)良，帶外抑制最大。當(dāng)ZnO壓電薄膜厚度增加的時(shí)候，ZnO壓電薄膜質(zhì)量也隨之提高，制備的柔性SAW器件也更加優(yōu)良

6、，相關(guān)成果發(fā)表于Journal of Applied Phyisics等期刊;
　　3、分析了ZnO/PI柔性SAW器件的兩個(gè)波模式，研究了波長(zhǎng)以及壓電薄膜厚度對(duì)兩個(gè)波模式的影響。柔性SAW器件表現(xiàn)出兩個(gè)波模式，理論和仿真表明第一個(gè)波模式為瑞利波，第二個(gè)波模式為S0廣義蘭姆波。提出了高聲速壓電層在低聲速襯底上會(huì)產(chǎn)生S0廣義蘭姆波的猜想，并且制備了AlN/Si的SAW器件對(duì)第二個(gè)波模式為S0廣義蘭姆波的猜想進(jìn)行了驗(yàn)證。研究了不同波長(zhǎng)

7、對(duì)柔性SAW器件的影響，器件波長(zhǎng)λ從32μm減小到10μm，器件的插入損耗減小，帶外抑制增大;同時(shí)柔性SAW器件的兩個(gè)波模式頻率都增大。對(duì)于瑞利波，當(dāng)波長(zhǎng)減小，更多的聲波在高聲速的ZnO壓電薄膜中傳播，導(dǎo)致聲速的增加，而對(duì)于S0廣義蘭姆波的聲速，它與瑞利波相速度表現(xiàn)出相反的趨勢(shì)。研究了厚度的變化對(duì)柔性SAW器件的影響，隨著厚度的增加，兩個(gè)波模式的傳輸信號(hào)都更加優(yōu)良，對(duì)于瑞利波，隨著厚度的增大，頻率和聲速都是增加的，而對(duì)于蘭姆波，隨著厚度

8、的增大，頻率和波長(zhǎng)都是減小的，這表現(xiàn)出了和瑞利波相反的趨勢(shì)，相關(guān)成果發(fā)表于Scientific Reports和Microfludics and Nanofludics等期刊;
　　4、制備了基于AlN的柔性SAW器件。系統(tǒng)性研究了在柔性襯底上沉積c軸取向AlN的工藝，采用一層Al過(guò)渡層增加AN和柔性PI襯底的結(jié)合力，研究表明，當(dāng)濺射氣壓為0.38 Pa，N2/Ar流量比為2∶3，濺射功率為414 W，Al過(guò)渡層小于100 nm的

9、時(shí)候，沉積的AlN薄膜比較優(yōu)良。制備了基于AlN的柔性SAW器件，諧振頻率高達(dá)1.66 GHz,聲速高達(dá)9960 m/s，表明這種結(jié)構(gòu)適合制備柔性高頻無(wú)線通信系統(tǒng)和柔性高靈敏度傳感器，相關(guān)成果發(fā)表于Thin Solid Films和Journal of Control Science and Engineering等期刊;
　　5、提出和制備了柔性透明SAW器件和傳感器。為了制備柔性透明SAW器件，先制備了透明SAW器件，透明電極

10、采AZO薄膜，制備的器件諧振頻率高達(dá)204.4 MHz，機(jī)電耦合系數(shù)K2為2.06％，透明器件對(duì)可見(jiàn)光的透光率高達(dá)80％以上。研究表明電極薄膜電阻率至少要低于10Ω/□，透明SAW器件的性能才會(huì)優(yōu)良。制備了透明SAW器件的溫度傳感器，器件的TCF約等于50 ppm/K.在柔性玻璃襯底上制備了柔性透明SAW器件，制備了不同厚度不同波長(zhǎng)的柔性透明SAW器件，器件帶外抑制都高達(dá)25 dB，表明制備的柔性透明SAW器件性能優(yōu)良，相關(guān)成果發(fā)表于I