CN104359584A - 一种高温声表面波温度传感器 - Google Patents

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李冬梅
周磊
梁圣法
谢常青
刘明
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Abstract

本发明公开了一种高温声表面波温度传感器，该高温声表面波温度传感器包括：衬底；在衬底之上形成的压电薄膜；在该压电薄膜的部分之上形成的金属电极；以及覆盖于未形成金属电极的压电薄膜之上及该金属电极之上的保护层。本发明通过在压电薄膜和金属电极表面沉积覆盖一层保护层，解决了高温环境中压电薄膜和金属电极的退化问题，增强了器件对高温的耐受能力，同时隔绝了外界环境对器件表面的腐蚀，延长了传感器在高温环境中的工作时间。本发明结构简单、易于制作并对高温较强的耐受性，因此适用于石油化工、航空航天、机械冶金等领域所涉及高温环境中的温度测量。

Description

一种高温声表面波温度传感器
技术领域
本发明涉及声表面波器件技术领域，具体地说是一种自下而上由衬底、压电薄膜、金属电极和保护层依次层叠而成的高温声表面波温度传感器。
背景技术
目前声表面波器件一般使用铌酸锂、钽酸锂或石英等压电材料作为衬底，但是这些材料也存在各自的缺点：铌酸锂和钽酸锂的热稳定性较差；石英晶体的机电耦合系数较小，使基于石英衬底的SAW器件具有带宽小、插入损耗大等缺点，并且石英在573℃附近时会发生α-β相变而失去压电性能。因此这些传统压电材料都不适用于制作高温声表面波器件。
不同于生长其他压电材料所广泛采用的提拉法，AlN的生长主要采用磁控溅射和脉冲激光沉积(Pulsed Laser Deposition，PLD)等方法将AlN薄膜外延生长在其他材料的衬底上形成叠层结构。采用这种叠层结构的优点在于可以通过设定AlN薄膜的厚度以及选择衬底的材料来获得期望的声表面波器件性能(TCF、EMCC等)。氧化铝(Al2O3)具有与AlN较低的晶格失配率以及较高的工作温度(1600℃)，因此通常采用Al2O3/AlN叠层结构作为声表面波器件衬底。
理论上AlN的工作温度高达1150℃，具有制作高温声表面波器件的潜力，但较弱的抗氧化性以及缺乏大尺寸晶体等因素限制了AlN应用于高温声表面波器件。
电极层材料也是影响高温SAW温度传感器性能的一个重要因素。铂(Pt)具有较高的熔点(1773℃)和化学惰性因此被考虑作为高温器件的电极材料。但是当Pt电极长时间暴露在高温环境中时会发生凝集退化现象，从而影响器件性能。
发明内容
(一)要解决的技术问题
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种高温声表面波温度传感器，以增强压电薄膜和金属电极对高温的耐受能力，解决高温环境中压电薄膜和金属电极的退化问题，期延长传感器在高温环境中的工作时间。
(二)技术方案
为了达到上述目的，本发明提供了一种高温声表面波温度传感器，该高温声表面波温度传感器包括：衬底；在衬底之上形成的压电薄膜；在该压电薄膜的部分之上形成的金属电极；以及覆盖于未形成金属电极的压电薄膜之上及该金属电极之上的保护层。
上述方案中，所述衬底采用氧化铝(Al2O3)，厚度为0.3-0.6mm，表面粗糙度RMS≤2.0nm。
上述方案中，所述压电薄膜采用氮化铝(AlN)压电薄膜，厚度为2-3μm。
上述方案中，所述金属电极采用铂(Pt)，厚度为100-300nm。
上述方案中，所述金属电极包括叉指换能器(IDT)和反射栅。
上述方案中，所述保护层采用氧化铝(Al2O3)，厚度为300-500nm。
上述方案中，所述衬底、压电薄膜、金属电极和保护层，自下而上构成Al2O3/AlN/Pt/Al2O3的叠层结构。
(三)有益效果
本发明提供的高温声表面波温度传感器，通过在压电薄膜和金属电极表面沉积覆盖一层保护层，解决了高温环境中AlN压电薄膜和Pt金属电极的退化问题，增强了器件对高温的耐受能力，同时隔绝了外界环境对器件表面的腐蚀，延长了传感器在高温环境中的工作时间。
附图说明
图1是本发明提供的高温声表面波温度传感器的纵向剖面示意图；
图2是本发明提供的高温声表面波温度传感器沉积保护层前的平面示意图；
图3是一种传统声表面波温度传感器纵向剖面示意图。
图4是本发明提供的高温声表面波温度传感器在900℃退火20小时后的扫描电子显微镜(SEM)图片；
图5是采用如图3所示的传统声表面波温度传感器在900℃退火20小时的扫描电子显微镜(SEM)图片。
图中标号：1金属电极(包括1.1叉指换能器、1.2反射栅)、2保护层、3压电薄膜、4衬底。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
本发明提供了一种高温声表面波温度传感器，该高温声表面波温度传感器将衬底4作为底层，在其上依次制备压电薄膜3、金属电极1，构成基本的声表面波传感器，并且在压电薄膜3和金属电极1表面覆盖一层保护层2，以增强器件对高温的耐受能力。
如图1所示，图1是本发明提供的高温声表面波温度传感器的纵向剖面示意图，该高温声表面波温度传感器包括：衬底4；在衬底4之上形成的压电薄膜3；在该压电薄膜3的部分之上形成的金属电极1；以及覆盖于未形成金属电极1的压电薄膜3之上及该金属电极1之上的保护层2。
其中，衬底4采用氧化铝(Al2O3)，厚度为0.3-0.6mm，表面粗糙度RMS≤2.0nm。压电薄膜3采用氮化铝(AlN)压电薄膜，厚度为2-3μm。金属电极1采用铂(Pt)，厚度为100-300nm；金属电极1包括叉指换能器1.1和反射栅1.2，如图2所示，图2是本发明提供的高温声表面波温度传感器沉积保护层前的平面示意图。保护层2采用氧化铝(Al2O3)，厚度为300-500nm。衬底4、压电薄膜3、金属电极1和保护层2，自下而上构成Al2O3/AlN/Pt/Al2O3的叠层结构。
下面进一步阐述本发明提供的高温声表面波温度传感器的制备工艺，具体包括如下步骤：
步骤1：选取氧化铝基片4，其厚度为0.6mm，表面粗糙度RMS≤2.0nm，对其表面进行清洗干燥。
步骤2：在清洗干燥后的氧化铝衬底基片4上采用磁控溅射工艺制备氮化镓压电薄膜3，相应的磁控溅射工艺条件为：溅射靶材选用纯度为99.999％铝靶，溅射气体为Ar和N2混合气体，两者纯度都在99.99％以上。通过调整Ar和N2的流量来调节设备腔室中的氮气比例，溅射腔室的本底真空小于5×10-4Pa，溅射气压保持在0.5～0.8Pa，溅射功率为100W。
步骤3：对磁控溅射工艺制备的氮化镓压电薄膜3在500℃高温退火1小时，使溅射制备的薄膜更加致密、平整。
步骤4：在氮化镓压电薄膜3上采用射频磁控溅射工艺制备Pt金属薄膜，相应的射频磁控溅射工艺条件为：溅射靶材选用纯度为99.99％铂靶，溅射气体为Ar，纯度在99.99％以上，溅射腔室的本底真空小于5×10-4Pa，溅射气压为1.2Pa，溅射功率为30W。
步骤5：在溅射沉积的Pt金属薄膜表面涂覆光刻胶并进行曝光显影，相应的光刻工艺条件为：光刻胶选用苏州瑞红公司产RZJ304(50mpa.s)，匀胶机转速为3500rpm，曝光时间为10秒，匀胶时间为40秒，分别在120℃的温度下前烘90秒，后烘120秒；
步骤6：采用离子束刻蚀工艺刻蚀出金属电极1的图形，并在刻蚀完成后去除残留光刻胶，相应的离子束刻蚀工艺条件为：离子束流为150mA，加速电压为280V，中和电流为200mA，离子能量为500eV刻蚀腔室真空度小于5×10-4Pa。
步骤7：在压电薄膜3和金属电极1表面采用直流反应磁控溅射工艺沉积氧化铝保护层2，相应的直流反应磁控溅射工艺条件为：溅射靶材选用纯度为99.99％铝靶，溅射气体为Ar，纯度在99.99％以上，溅射腔室的本底真空小于5×10-4Pa，溅射气压为1.2Pa，溅射功率为80W。
步骤8：对磁控溅射工艺制备的氧化铝薄膜2在500℃高温退火1小时。
本发明提供的高温声表面波温度传感器，通过在压电薄膜和金属电极表面沉积覆盖一层保护层，解决了高温环境中AlN压电薄膜和Pt金属电极的退化问题，增强了器件对高温的耐受能力，同时隔绝了外界环境对器件表面的腐蚀，延长了传感器在高温环境中的工作时间。
如图3所示，图3是一种传统声表面波温度传感器纵向剖面示意图。对比本发明，区别仅在于本发明高温声表面波温度传感器在压电薄膜和金属电极表面沉积覆盖一层保护层，增强了器件对高温的耐受能力，同时隔绝了外界环境对器件表面的腐蚀，而图3所示传统声表面波温度传感器的压电薄膜和金属电极直接暴露在外，易受到高温和其他因素的影响。
如图4和图5所示，图4是本发明高温声表面波温度传感器在900℃退火50h后的扫描电子显微镜(SEM)图片，图5是采用如图3所示的传统声表面波温度传感器在900℃退火50h的扫描电子显微镜(SEM)图片。通过对比可以看到，在长时间的高温退火过程中，传统声表面波传感器的压电薄膜和金属电极直接暴露于高温环境中，致使压电薄膜和金属电极都受到不同程度的损伤，而本发明高温声表面波温度传感器由于保护层的掩蔽，器件基本未受到损伤。因此，本发明高温声表面波温度传感器对高温有较高的耐受能力，从而延长了器件在高温环境中的工作时间。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种高温声表面波温度传感器，其特征在于，该高温声表面波温度传感器包括：
衬底；
在衬底之上形成的压电薄膜；
在该压电薄膜的部分之上形成的金属电极；以及
覆盖于未形成金属电极的压电薄膜之上及该金属电极之上的保护层。
2.根据权利要求1所述的高温声表面波温度传感器，其特征在于，所述衬底采用氧化铝Al2O3，厚度为0.3-0.6mm，表面粗糙度RMS≤2.0nm。
3.根据权利要求1所述的高温声表面波温度传感器，其特征在于，所述压电薄膜采用氮化铝AlN压电薄膜，厚度为2-3μm。
4.根据权利要求1所述的高温声表面波温度传感器，其特征在于，所述金属电极采用铂Pt，厚度为100-300nm。
5.根据权利要求1或4所述的高温声表面波温度传感器，其特征在于，所述金属电极包括叉指换能器和反射栅。
6.根据权利要求1所述的高温声表面波温度传感器，其特征在于，所述保护层采用氧化铝Al2O3，厚度为300-500nm。
7.根据权利要求1所述的高温声表面波温度传感器，其特征在于，所述衬底、压电薄膜、金属电极和保护层，自下而上构成Al2O3/AlN/Pt/Al2O3的叠层结构。
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