基于硅酸镓镧单晶的航天用耐高温无源无线传感器微纳结构形成机理及控制工艺的研究

Langasite(LGS) piezoelectric single crystal provides a solution of sensing substrate of high temperature resistance over 1000℃. It has attracted much attention of developing passive and wireless surface acoustic wave(SAW) sensors in aerospace field. However, the planar fabrication technique of SAW element, the electrode degradation, the available bonding wire and package at high temperature severely limit the ultimate working temperature, the performance and the reliability of SAW sensors. Some key scientific and technological issues on the mechanism and technique compatibility of forming nano/micro structure on LGS using the three-dimensional bulk micromachining technique of wet etching, dry etching, chemical mechanical polishing, direct bonding, and laser processing will be systematically explored in the proposed project. All-LGS-packaged SAW sensor prototypes working at high temperature with be designed and fabricated. The validity of the three-dimensional bulk micromachining techniques and the SAW sensor design methodology will be verified comprehensively by the system-level testing of temperature sensor with tolerance of 1000℃ and pressure sensor with tolerance of 800℃.

硅酸镓镧（LGS）压电单晶为研制航天用耐高温、无源无线声表面波（SAW）传感器提供了耐受温度超过1000℃的敏感基底解决方案，但是当前的SAW器件平面制备工艺、高温下电极性能退化、引线形式以及封装结构仍严重制约传感器耐受温度、性能以及可靠性。本项目将系统地研究利用湿法腐蚀、干法刻蚀、化学机械抛光、直接键合及激光加工等三维体加工工艺在LGS压电单晶上形成特定微纳结构的机理及工艺兼容性控制等关键科学技术问题，设计并实现全LGS一体化封装的SAW高温传感器样机。通过耐受1000℃的温度传感器和耐受800℃的压力传感器系统级测试，综合验证三维体加工工艺和SAW传感器设计。

本项目立足于航天用高温传感器的迫切需求，从声表面波（SAW）技术切入，通过建立多物理场耦合的有限元模型，进行高温应用条件下的 LGS 压电晶体的优选切型、结构设计、温度补偿等问题的研究。建立了复杂边界条件下SAW器件电、磁、力、热多物理场非线性耦合模型，依据不同的应用场景，设计了具有高声学性能、高压力灵敏度和温度补偿特性的传感器结构。在此基础上，本项目针对高性能LGS基传感器的制备需求，开展了针对硅酸镓镧单晶压电材料的一系列微纳加工工艺的研究。其中湿法腐蚀实现了LGS晶圆可控的局部减薄；干法刻蚀实现了2um线宽、500nm深的高精度沟槽结构的刻蚀；化学机械研磨实现了粗糙度Ra小于1nm的晶圆抛光和沟槽电极的磨抛制备；晶圆键合方面实现了LGS晶圆级键合；高温电极方面实现了1000℃下可稳定工作超过12小时的铂电极制备；利用飞秒激光实现了LGS晶体的直径50um到200um的通孔加工，利用高重频短脉冲皮秒激光实现了LGS等透明晶体的晶圆焊接。通过本项目的研究，自主掌握高性能 LGS 体加工制备、表征技术以及微结构成型机理及工艺控制等核心关键技术。制备了高温温度传感器和高温压力传感器样机，传感器性能与仿真模型预测吻合，初步具备了实用价值。高温传感器拟在装备发展部2023年设立的航发专项中进行实际应用，将在307研究所和中国航发沈阳发动机研究所开展相关试用工作。