柔性声表面波器件基础研究

发布时间：2017-09-21 19:35

  本文关键词：柔性声表面波器件基础研究

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【摘要】：声表面波(SAW, Surface Acoustic Wave)器件在射频通信滤波器,双工器,射频标签,生物传感、生物医疗、微流体和片上实验室有着广泛的应用。传统的SAW器件大多制作在硅、玻璃等刚性衬底上,然而在实际应用中,对可挠性好、能贴附在任意曲面或不规则物体表面的类皮肤型器件的需求日益增多,如果能开发出一款柔性SAW器件并且把它实用化,将打开和推动基于柔性SAW器件的柔性传感领域和柔性片上实验室,强有力推动电子皮肤、智能蒙皮的应用。为此,本文提出和制备了一种柔性SAW器件,并且将其成功应用于柔性传感领域和柔性片上实验室。论文的主要研究内容如下：①提出并在聚酰亚胺(PD柔性薄膜上制备了ZnO薄膜型柔性SAW器件而且将其应用于传感和微流体领域；②研究了压电ZnO薄膜晶粒结构对柔性SAW器件的影响；③分析了ZnO/PI柔性SAW器件的两个波模式,特别是第二个新的波模式,研究了波长以及压电薄膜厚度对两个波模式的影响；④制备了基于AlN的柔性SAW器件；⑤提出和制备了柔性透明SAW器件。本论文主要研究成果如下：1、提出并制备了柔性SAW器件,成功将其应用于传感和微流体领域。制备的柔性SAW器件性能优良,且同时具有瑞利波和兰姆波两种谐振模式,当ZnO厚度为4 μm,波长λ为10μm的时候,获得的瑞利波频率为198.1 MHz,对应的相速度1981 m/s,机电耦合系数高达1.05%,而兰姆波频率为447 MHz,对应的相速度高达4470 m/s,机电耦合系数为0.8%,两个谐振波的带外抑制都大于18 dB。将制备的柔性SAW器件应用于温度传感时,测得的瑞利波和兰姆波的温度系数(TCF, Temperature Correction Factor)分别为～442和～245 ppm/K;应用于微流体时,当信号电压为9.5 V,液滴为10μL的时候,测得的声线速度高达3.4 cm/s。该结果验证了柔性SAW器件在柔性传感领域和柔性片上实验室的应用前景,相关成果发表于Nature旗下的Scientific Reports等期刊；2、研究了压电ZnO薄膜晶粒结构对柔性SAW器件的影响。改变沉积ZnO薄膜的工艺参数直接影响ZnO薄膜晶粒结构,导致柔性SAW器件的电学性能发生变化。研究表明,当溅射功率为200 W,衬底偏压为-75 V,溅射气压为2 Pa时,ZnO压电薄膜的c轴取向最优,晶粒尺寸最大,而制备的柔性SAW器件性能也最优良,带外抑制最大。当ZnO压电薄膜厚度增加的时候,ZnO压电薄膜质量也随之提高,制备的柔性SAW器件也更加优良,相关成果发表于Journal of Applied Phyisics等期刊；3、分析了ZnO/PI柔性SAW器件的两个波模式,研究了波长以及压电薄膜厚度对两个波模式的影响。柔性SAW器件表现出两个波模式,理论和仿真表明第一个波模式为瑞利波,第二个波模式为So广义兰姆波。提出了高声速压电层在低声速衬底上会产生S0广义兰姆波的猜想,并且制备了AIN/Si的SAW器件对第二个波模式为S0广义兰姆波的猜想进行了验证。研究了不同波长对柔性SAW器件的影响,器件波长λ从32μm减小到10μm,器件的插入损耗减小,带外抑制增大；同时柔性SAW器件的两个波模式频率都增大。对于瑞利波,当波长减小,更多的声波在高声速的ZnO压电薄膜中传播,导致声速的增加,而对于So广义兰姆波的声速,它与瑞利波相速度表现出相反的趋势。研究了厚度的变化对柔性SAW器件的影响,随着厚度的增加,两个波模式的传输信号都更加优良,对于瑞利波,随着厚度的增大,频率和声速都是增加的,而对于兰姆波,随着厚度的增大,频率和波长都是减小的,这表现出了和瑞利波相反的趋势,相关成果发表于Scientific Reports和Microfludics and Nanofludics等期刊；4、制备了基于AlN的柔性SAW器件。系统性研究了在柔性衬底上沉积c轴取向AlN的工艺,采用一层Al过渡层增加AlN和柔性PI衬底的结合力,研究表明,当溅射气压为0.38 Pa, N2/Ar流量比为2：3,溅射功率为414 W,A1过渡层小于100 nm的时候,沉积的AlN薄膜比较优良。制备了基于AlN的柔性SAW器件,谐振频率高达1.66 GHz,声速高达9960 m/s,表明这种结构适合制备柔性高频无线通信系统和柔性高灵敏度传感器,相关成果发表于Thin Solid Films和Journal of Control Science and Engineering等期刊；5、提出和制备了柔性透明SAW器件和传感器。为了制备柔性透明SAW器件,先制备了透明SAW器件,透明电极采AZO薄膜,制备的器件谐振频率高达204.4MHz,机电耦合系数K2为2.06%,透明器件对可见光的透光率高达80%以上。研究表明电极薄膜电阻率至少要低于10 Ω/口,透明SAW器件的性能才会优良。制备了透明SAW器件的温度传感器,器件的TCF约等于50 ppm/K.在柔性玻璃衬底上制备了柔性透明SAW器件,制备了不同厚度不同波长的柔性透明SAW器件,器件带外抑制都高达25 dB,表明制备的柔性透明SAW器件性能优良,相关成果发表于IEEE Electron Device Letters等期刊。
【关键词】：柔性 SAW器件 ZnO薄膜 AlN薄膜 传感和微流体应用
【学位授予单位】：浙江大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2015
【分类号】：TN65
【目录】：

• 致谢5-7
• 摘要7-10
• Abstract10-21
• 缩略词表21-22
• 第1章 绪论22-42
• 1.1 柔性电子器件背景22-28
• 1.1.1 柔性电子器件的意义22-25
• 1.1.2 柔性薄膜电子器件的国内外发展25-28
• 1.2 声表面波器件的发展与现状28-39
• 1.2.1 压电材料的种类以及发展趋势28-30
• 1.2.2 声表面波器件30-39
• 1.2.2.1 声表面波器件的工作原理30-31
• 1.2.2.2 SAW器件结构和压电材料31-32
• 1.2.2.3 SAW器件国内外发展状况32-38
• 1.2.2.4 柔性SAW器件的技术难点分析38-39
• 1.3 论文的研究内容和章节安排39-42
• 1.3.1 论文的研究内容和创新点39-40
• 1.3.2 论文的主要创新点40
• 1.3.3 论文的章节安排40-42
• 第2章 柔性SAW器件的制备以及材料、器件表征42-65
• 2.1 柔性SAW器件的制备42-57
• 2.1.1 柔性SAW器件结构的提出42
• 2.1.2 柔性基底材料的选取42-45
• 2.1.3 压电薄膜材料的选择45-52
• 2.1.3.1 ZnO和AlN压电薄膜47-48
• 2.1.3.2 压电薄膜的制备48-52
• 2.1.4 光刻制备叉指环能器52-57
• 2.2 材料的表征57-61
• 2.2.1 压电薄膜的表征57-61
• 2.2.1.1 X射线衍射仪57-59
• 2.2.1.2 扫描电子显微镜(SEM)59
• 2.2.1.3 原子力显微镜(AFM)59-60
• 2.2.1.4 alpha台阶仪60-61
• 2.3 柔性SAW器件的测试61-64
• 2.3.1 S参数的测试61-62
• 2.3.2 温度传感的测试62-63
• 2.3.3 微流控的测试63-64
• 2.4 本章小结64-65
• 第3章 ZnO薄膜晶粒结构对柔性SAW器件的影响65-93
• 3.1 ZnO沉积工艺参数对晶粒结构的影响66-69
• 3.1.1 溅射功率和衬底偏压对晶粒结构的影响66-68
• 3.1.2 溅射气压对晶粒结构的影响68-69
• 3.2 ZnO压电薄膜厚度对ZnO薄膜质量的影响69-75
• 3.3 晶粒结构对柔性SAW器件的影响75-80
• 3.4 柔性SAW器件的分析80-91
• 3.4.1 柔性SAW器件的相速度分析80-81
• 3.4.2 柔性SAW器件的有限元分析81-91
• 3.5 本章小结91-93
• 第4章 第二个波模式分析和柔性SAW器件应用93-122
• 4.1 器件波长对柔性SAW器件影响93-97
• 4.2 模式1的分析97-109
• 4.2.1 模式1的几种可能性分析97-100
• 4.2.2 模式1的有限元仿真和理论分析100-109
• 4.2.2.1 模式1的有限元仿真分析100-105
• 4.2.2.2 理论计算105-109
• 4.3 S_0广义兰姆波猜想和验证109-112
• 4.4 ZnO薄膜厚度对两个波模式的影响112-115
• 4.5 柔性SAW器件的应用115-119
• 4.5.1 温度传感应用116-117
• 4.5.2 微流体领域应用117-119
• 4.6 本章小结119-122
• 第5章 基于AlN的柔性SAW器件以及新型柔性透明SAW器件122-148
• 5.1 基于AlN的柔性SAW器件122-137
• 5.1.1 工艺参数对AlN压电薄膜的影响122-135
• 5.1.1.1 溅射气压的影响123-126
• 5.1.1.2 N_2/Ar流量比的影响126-129
• 5.1.1.3 溅射功率的影响129-132
• 5.1.1.4 底层Al过渡层的影响132-135
• 5.1.2 基于AlN的柔性SAW器件135-137
• 5.2 新型柔性透明SAW器件137-146
• 5.2.1 透明SAW器件138-144
• 5.2.2 柔性透明SAW器件144-146
• 5.3 本章小结146-148
• 第6章 总结与展望148-152
• 6.1 论文的主要研究内容148-150
• 6.2 论文的主要创新点150-151
• 6.3 论文的不足之处和将来的工作151-152
• 参考文献152-169
• 作者简历及在校期间取得的科研成果169-171

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本文编号：896462