AlN/金刚石新型层状复合结构上SAW高温敏感特性研究

Aluminum nitride(AlN) has been identified as an interesting piezoelectric material candidate for SAW sensors at high temperature.However,the experimental research has just started in few countries.The breakthrough of the accuracy modeling of the layered composite SAW devices, the mechanism of the performance deterioration of AlN film under high temperature, and the temperature compensation technique within a wide temperature range are expected in the coming research. In this proposal,the nonlinear thermoelectroelastic equation for layered composite superposed on multiphysical biasing fields will be setup.Both the mechanical parameters, such as the stress as well as the strain distribution and the electrical parameters of the SAW devices should be simulated using the model.The surface wave modes within the layered composite and the topology of the sensor can be optiminized. A novel structure with four layers- - AlN/diamond/AlN with buried IDT within AlN film is proposed. The fabricated composite with optimized thickness of each layer is expected to be operated long-term at about 900 C in the time scale of 500 hours, and it can be passively compensated at 800℃ with extremely small frequency variation of 60ppm in wide temperature range between 700℃ and 900℃.

高声速、固有损耗低的氮化铝(AlN)压电薄膜具有作为耐高温声表面波传感器敏感材料的潜力。国际上这方面的研究刚刚起步，亟待在层状复合界面结构器件的精确建模、高质量择优取向AlN薄膜的高温性能劣化机制以及宽温度范围内传感器温度补偿等基础理论和关键技术方面取得进一步突破。 本研究拟采用相对于参考状态的Lagrangian坐标系，推导出包含电扰动项并适用于存在多场耦合的压电介质的非线性电弹扰动方程。采用有限元结合微扰理论求解SAW传感器的应力应变分布以及谐振频率、插损、阻抗等力学和电学输出，用于多层复合结构传感器的模态选择和参数优化。提出并制备一种具有无源温度补偿功能的新型AlN(IDT)/金刚石/AlN多层复合结构，实现在900℃稳定工作时间超过500小时的高温敏感材料，并在800℃±100℃范围内进行温度补偿，双SAW谐振器差分输出的频偏小于60ppm.

本项目采用高声速、固有损耗低的高择优取向氮化铝(AlN)压电薄膜研制耐高温声表面波（SAW）传感器，在航空航天、石油勘探、能源化工以及冶金等领域具有良好的技术优势和应用前景。.建立了有效计算层状结构周期栅格阵边界条件的SAW器件准三维模型，系统研究了多种AlN/衬底层状结构上各类模态（主要是瑞利波和西沙瓦波）的相速度、机电耦合系数、频率温度系数等SAW特性；基于非线性电弹扰动方程，建立了温度、应力偏场作用下的多层复合结构SAW谐振器的多物理场耦合模型。与文献实验数据对比，验证了理论计算的正确性：在温度范围达1050oC时，频率温度特性的理论与实验误差仍小于3ppm/oC；.利用溅射设备制备AlN/金刚石基片，表征分析了钪(Sc)掺杂的氮化铝ScAlN薄膜的结晶学性能、表面形貌、晶粒和粗糙面的形成机理，并优化设计了单端口SAW谐振器，首次实验验证了ScAlN材料常数的有效性；.提出一种采用“氧化物薄膜填充在相邻金属电极间的沟槽中，而压电薄膜淀积在平坦的氧化物薄膜顶层表面或电极和填充氧化物薄膜交替间隔组成的平坦表面”的新型三明治结构，克服了常规埋入式电极制备对工艺要求极高、不易制备高性能、取向好的氮化铝薄膜的缺点，且具有温补效果；提出一种仿生蜘蛛琴形感受器结构的声表面波传感器増敏结构和宽温度范围温度补偿的压力传感器结构。研制的传感器样机耐温已经达到900℃，较好地完成了本项目的所有研究目标。. 项目执行期间，受邀在超声领域重要国际会议IEEE Ultrasonics Symposium上做大会邀请报告和担任会议短期专题课程授课人各1次；在其他国际和国内会议上做邀请报告3次。获得IEEE Ultrasonics Symposium最佳学生论文竞赛入围奖2次。培养博士研究生2人毕业，硕士研究生3人毕业。依托本项目的研究基础，与传感器领域的企业合作获得了国家自然科学基金联合基金重点支持项目的资助，继续深入研究耐高温传感器，并推进其应用。