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5 780 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。

　　关键词：温度检测；声表面波温度传感器；温度频率系数；COMSOL仿真

　　0引言

　　当今传感技术正在迅速发展，传感器逐步趋向微型化、小型化、可集成等，并且在工业生产、航空航天、电力等领域也显现出来一些局限性。而声表面波(SAW)器件已经成为非常有前景的高水平传感器，其可实现小体积、轻重量、高灵敏度、高集成度、低功耗，并能够实现无线无源测量，适用于极端和特殊环境[1-3]。

　　SAW传感器由叉指电级(IDT)、过渡层、压电层、衬底多层结构组成，而其耐高温性能主要取决于压电层的材料在高温下是否发生失效。氮化铝在已知压电材料中具有最高的声表面波相速度，C轴择优取向的ALN薄膜的SAW相速度能达到6 000 m/s，机电耦合系数K2约为1%，插入损耗0.2~0.4 dB/mm。此外，其与COMS工艺兼容的沉积工艺为SAW传感器的压电层制备提供了方法，可以实现批量生产、降低成本的目的[4-7]。

　　舒琳[8]利用不同切向的硅酸镓镧作为衬底制作SAW单端口谐振器，在200~600℃的温度区间证明了两种切向有不同的温度特性。Thierry Aubert等[9]制作了声表面波延迟线传感器，在500℃下做了测试，讨论了氮化铝/蓝宝石压电双层结构在高温声表面波应用的可行性；董文秀[10]使用ALN制作单端口谐振型声表面波温度传感器，在25~185℃下温度频率系数为-46.2 ppm/℃。上述文献虽然证明使用ALN做SAW做温度传感器的可行性，但是没有对传感器参数进行优化仿真、提升其灵敏度，并且没有在600℃以上进行测试分析。

　　为此，本文采用Pt/Ta/ALN/Sapphire结构制作声表面波谐振型温度传感器，相比于延迟线，谐振型具有高品质因数和低插损的特点，而且信号处理简单。利用多物理场仿真软件COMSOL Multiphysics对其进行有限元仿真，得到有较高温度频率系数的理想结构参数，将制作的传感器放入马弗炉利用网络分析仪进行测试验证。

　　1谐振型SAW原理

　　谐振型SAW传感器如图1所示，其谐振频率主要由波速和波长决定，材料的弹性常数、密度、杨氏模量等会随着外界温度改变而改变。并且受热后谐振器的结构尺寸发生变化，从而导致声表面波的波长发生变化。于是v与λ的变化共同导致谐振频率的变化。测量传感器频率的大小，就可以知道外界温度的大小。谐振频率f的计算公式为：

　　f=v/λ(1)式中：v为声表面波波速；λ为声表面波波长。

　　在实际测试时，通过测得中心频率，与已知的波长相乘可以求得波速大小。温度频率系数(TCF)的绝对值大小是代表传感器灵敏度大小的物理量，反映响应频率的热稳定性。大部分压电材料的TCF值为负数，作为压电层时，其中心频率随着温度升高而减小，TCF由式

　　(2)确定：

　　1 frt-fr式中：ΔT为当前测试温度与室温23℃的差值；fr和frt分别为传感器在室温23℃和ΔT+23℃下的共振频率。

　　温度频率系数的值非常小，通常用ppm/℃表示。机电耦合系数K2为衡量压电材料对机械能和电能相互转换效率的参数，通过仿真或者测量其S11参数并通过式(3)得到：πfrπfa-fr式中：fr为共振频率；fa为反共振频率。机电耦合系数值较小，一般使用百分比表示。

　　2结构参数设计及仿真分析

　　2.1建立仿真模型

　　传感器的栅极厚度、压电层厚度与波长比值(hALN/λ)、金属化比率是影响传感器性能最主要的结构参数。

　　为了增大波速与机电耦合系数、提高其TCF值，并设计合理的频率和尺寸以方便后续工艺制作，仿真确定了传感器的最优参数。由于IDT在三维模型中提取截面，将其简化为二维模型，大幅缩减计算时间，设定周期性边界条件，无限个IDT周期排列。选择蓝宝石(sapphire)为基底、氮化铝(ALN)薄膜为压电层、钽(Ta)为过渡层、铂(Pt)为IDT层，PML用来吸收漏波，结构示意图如图2所示。为了方便后续制作，设计波长λ=20μm、声孔径W=50λ(1 000μm)的传感器，声孔径大能更好的产生谐振。表1给出了仿真所需ALN、Sapphire的材料常数与一阶温度系数，用来反映温度对材料性质的影响[11-12]，Pt和Ta使用材料库中参数。

　　ALN厚度过厚会影响声波的模态[13]，所以设定ALN厚度为1.2μm；过渡层Ta起黏附作用，也不宜过厚，固定为10 nm；Pt电极厚度设为100 nm；IDT设为均匀的，金属化比率为0.5。为了确定声波的传播特性，在图3中仿真映射出瑞利波的两种本征模态，粒子主要在表面附近运动，所以表面位移较大。为了与实际情况更加接近，在上方加入了空气，其反对称模态的特征频率为289.34 MHz，对称模态的特征频率为290.3 MHz，波速约为5 800 m/s。

　　2.2电极厚度分析

　　根据上述参数，仿真不同对传感器机电耦合系数和瑞利波波速的影响。拟合后的结果如图4所示，hpt是电极厚度，v是瑞利波波速，K2是机电耦合系数。由于质量负载效应，可以看出随着电极厚度的增加波速不断减小，而机电耦合系数是先增大再减小，在厚度0.15 um左右达到了最大约为1.2%，此时的波速约为5 700 m/s。

　　2.3金属化比率分析

　　为了同时得到较高的v和K2，将pt厚度确定为100 nm，其他参数不变，仿真得到叉指换能器与反射栅的金属化比率与v和K2的关系。图5所示为拟合后的结果，随着金属化比率的增加，波速呈逐渐减小的趋势，机电耦合系数在金属化比率约为0.47时增大到最大值0.98%左右，此时波速约为5 790 m/s，接着逐渐减小。

　　2.4 hALN/λ分析

　　电极的金属化比率定为0.5，其他参数不变，仿真分析不同ALN厚度对v和K2的影响，拟合后的仿真结果如图6所示。将ALN厚度进行归一化处理，以ALN膜厚与声表面波波长之比(hALN/λ)作为横坐标，可以看出波速在开始有一段缓升，因为ALN较薄，波速受到Sapphire基底影响。声波主要在1~2个波长的厚度内进行传播，随着ALN厚度的小幅增加，声波在ALN内的分量增大，由于机械负载和电负载的影响，波速会下降，ALN厚度接近一个波长的时候，下降减缓。而机电耦合系数先增大到峰值1.7%左右，此时波速约为5 590 m/s，之后K2呈减小趋势。

　　hALN/λ对SAW温度传感器的TCF值影响较大，为了得到高灵敏度的SAW温度传感器，仿真研究了hALN/λ与TCF的关系。如图7所示，可以看出ALN较薄时TCF为负值，随着ALN厚度的增加，传感器的TCF值逐渐增大，在hALN/λ约为0.66的时候TCF值为0，随后变为正值，增大速度减缓。

　　3试验测试与分析

　　3.1传感器制作与信号采集

　　综合上述仿真并考虑制作工艺，确定传感器参数如表2所示。

　　利用磁控溅射系统，在Sapphire基底上溅射出ALN薄膜，通过XRD衍射仪进行标定，薄膜具有高质量的C轴(002)取向。随后将其进行甩胶、前烘、曝光、显影、后烘处理，接着溅射Ta与Pt层，最后把传感器放在丙酮溶液中剥离，清洗烘干后便制作完成。制作完成的传感器如图8(a)所示，两侧方形为焊盘，大小为2mm×2mm，叉指周期为20μm，指宽与间距相等为5μm。利用铂浆将直径0.1的铂线粘接在传感器两侧的焊盘上，高温固化后固定在马弗炉内部进行测试，铂线通过接线窗口引出，另一端与PCB板上的SMA接头相连，射频线和转接线的两端分别连接网络分析仪(VNA)和SMA接头，如图8(b)所示。

　　3.2测试结果及分析

　　使用网络分析仪对传感器在室温到800℃进行了测试，传感器在室温23℃环境下的中心频率为284.04 MHz。计算出瑞利波波速为5 680 m/s，略小于仿真得到的结果，这是由于理想与实际状态下材料参数的偏差、制作工艺与测量上的误差。随着温度的增大，中心频率在逐渐减小，同时S11数值也在减小，这是因为表面波波速和材料的弹性常数、密度等随着温度而改变，并且还有机械损耗、介电损耗等。

　　图9所示为试验结果与仿真对照，将试验结果进行线性拟合，可以看到温度与频率呈线性关系。所求得的温度频率系数为-54.65 ppm/℃，与仿真得到的-57.23 ppm/℃相比较小，主要还是由于材料常数、制备和测试等误差所导致。当温度升高到800℃后，S11数值极剧减小，10 min后频率变得不稳定，信号逐渐消失，传感器发生失效。

　　分析了传感器失效原因，图10(a)所示为在SEM下观察到的室温下未经测试SAW传感器的表面叉指电极结构，表面界限清晰、没有发生断裂。而图10(b)所示在800℃高温测试后，表面电极发生断裂，因为在高温环境中，金属Pt发生了团聚，多处重结晶融合在一起，所以会导致电信号的不连续，传感器失效。

　　4结束语

　　本文介绍了声表面波温度传感器的原理，并选择ALN/Sapphire层状结构，为了获得具有高机电耦合系数与温度频率系数的结构参数，利用COMSOL Multiphysics仿真软件进行仿真。声表面波波长为20μm时，发现在Pt厚度为100 nm、金属化比率为0.5，ALN厚度为2μm条件下，传感器能达到较好的性能。对传感器进行了实物制作与温度频率特性标定测试，结果显示频率与温度具有良好的线性关系，TCF值为-54.65 ppm/℃，对温度敏感度较高，与仿真结果相近。而在800℃环境下测试10 min后，观察到传感器表面Pt电极发生团聚，导致器件失效。试验结果证明了传感器在800℃下的可行性，并为以后探究电极保护层、提高传感器性能提供了重要参考。

　　参考文献：

　　[1]潘小山,杨璐羽,王琴,等.声表面波传感器在高温领域应用的研究进展[J].传感器与微系统,2018,37(6):1-4.

　　[2]韦江波,滕学志,王俊石,等.声表面波无源无线温度传感器产品研究进展[J].电子测量技术,2014,37(10):95-99.

　　[3]Yt A,Xx B,Hd A,et al.Cellulose nano-crystals as a sensitive and selective layer for high performance surface acoustic wave HCl gas sensors-ScienceDirect[J].Sensors and Actuators A:Physical,301.

　　[4]A Müller,Konstantinidis G,Buiculescu V,et al.GaN/Si based sin⁃gle SAW resonator temperature sensor operating in the GHz fre⁃quency range[J].Sensors&Actuators A Physical,2014,209:115-123.

　　[5]LBl H P,Klee M,Milsom R,et al.Materials for bulk acoustic wave(BAW)resonators and filters[J].Journal of the European Ce⁃ramic Society,2001,21(15):2633-2640.

　　[6]Y Li,L Ma,D Du.Programmed data extraction for frequency-tem⁃perature behaviour of AlN based SAW sensors[Z].2015 Sympo⁃sium on Piezoelectricity,Acoustic Waves,and Device Applica⁃tions(SPAWDA),2015:212-215.

　　[7]李莺歌.氮化铝薄膜声表面波温度质量双参数传感器研究[D].青岛:青岛科技大学,2018.

　　[8]舒琳.声表面波谐振器的高温无线传感特性研究[D].成都:电子科技大学,2016.

　　[9]Aubert T.Investigations on AlN/sapphire piezoelectric bilayer

　　structure for high-temperature SAW applications[J].Ultrasonics Ferroelectrics&Frequency Control IEEE Transactions on,2012,59(5):999-1005.

　　[10]董文秀.氮化铝声表面波器件及其在温度传感中的应用[D].合肥:中国科学技术大学,2019.

　　[11]Ondo J C A,Blampain E J J,Mbourou G N,et al.FEM Modeling of the Temperature Influence on the Performance of SAW Sen⁃sors Operating at GigaHertz Frequency Range and at High Tem⁃perature Up to 500℃[J].Sensors(Basel,Switzerland),20(15).

　　[12]Maouhoub S,Aoura Y,Mir A.FEM simulation of AlN thin lay⁃ers on diamond substrates for high frequency SAW devices[J].Diamond and Related Materials,2016,62:7-13.

　　[13]窦韶旭.基于氮化铝压电薄膜的声表面波(SAW)高温力学传感器研究[D].重庆:重庆大学,2018.