一種高溫聲表面波溫度傳感器的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種高溫聲表面波溫度傳感器，該高溫聲表面波溫度傳感器包括：襯底；在襯底之上形成的壓電薄膜；在該壓電薄膜的部分之上形成的金屬電極；以及覆蓋于未形成金屬電極的壓電薄膜之上及該金屬電極之上的保護層。本發(fā)明通過在壓電薄膜和金屬電極表面沉積覆蓋一層保護層，解決了高溫環(huán)境中壓電薄膜和金屬電極的退化問題，增強了器件對高溫的耐受能力，同時隔絕了外界環(huán)境對器件表面的腐蝕，延長了傳感器在高溫環(huán)境中的工作時間。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單、易于制作并對高溫較強的耐受性，因此適用于石油化工、航空航天、機械冶金等領(lǐng)域所涉及高溫環(huán)境中的溫度測量。
【專利說明】一種高溫聲表面波溫度傳感器

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及聲表面波器件【技術(shù)領(lǐng)域】，具體地說是一種自下而上由襯底、壓電薄膜、金屬電極和保護層依次層疊而成的高溫聲表面波溫度傳感器。

【背景技術(shù)】
[0002]目前聲表面波器件一般使用鈮酸鋰、鉭酸鋰或石英等壓電材料作為襯底，但是這些材料也存在各自的缺點:鈮酸鋰和鉭酸鋰的熱穩(wěn)定性較差；石英晶體的機電耦合系數(shù)較小，使基于石英襯底的SAW器件具有帶寬小、插入損耗大等缺點，并且石英在573°C附近時會發(fā)生α-β相變而失去壓電性能。因此這些傳統(tǒng)壓電材料都不適用于制作高溫聲表面波器件。
[0003]不同于生長其他壓電材料所廣泛采用的提拉法，AlN的生長主要采用磁控濺射和脈沖激光沉積(Pulsed Laser Deposit1n,PLD)等方法將AlN薄膜外延生長在其他材料的襯底上形成疊層結(jié)構(gòu)。采用這種疊層結(jié)構(gòu)的優(yōu)點在于可以通過設(shè)定AlN薄膜的厚度以及選擇襯底的材料來獲得期望的聲表面波器件性能(TCF、EMCC等)。氧化鋁(Al2O3)具有與AlN較低的晶格失配率以及較高的工作溫度(1600°C )，因此通常采用Al2O3AlN疊層結(jié)構(gòu)作為聲表面波器件襯底。
[0004]理論上AlN的工作溫度高達1150°C，具有制作高溫聲表面波器件的潛力，但較弱的抗氧化性以及缺乏大尺寸晶體等因素限制了 AlN應(yīng)用于高溫聲表面波器件。
[0005]電極層材料也是影響高溫SAW溫度傳感器性能的一個重要因素。鉬(Pt)具有較高的熔點(1773°C)和化學(xué)惰性因此被考慮作為高溫器件的電極材料。但是當(dāng)Pt電極長時間暴露在高溫環(huán)境中時會發(fā)生凝集退化現(xiàn)象，從而影響器件性能。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006](一 )要解決的技術(shù)問題
[0007]有鑒于此，本發(fā)明的主要目的在于提供一種高溫聲表面波溫度傳感器，以增強壓電薄膜和金屬電極對高溫的耐受能力，解決高溫環(huán)境中壓電薄膜和金屬電極的退化問題，期延長傳感器在高溫環(huán)境中的工作時間。
[0008]( 二 )技術(shù)方案
[0009]為了達到上述目的，本發(fā)明提供了一種高溫聲表面波溫度傳感器，該高溫聲表面波溫度傳感器包括:襯底；在襯底之上形成的壓電薄膜；在該壓電薄膜的部分之上形成的金屬電極；以及覆蓋于未形成金屬電極的壓電薄膜之上及該金屬電極之上的保護層。
[0010]上述方案中，所述襯底采用氧化鋁(Al2O3),厚度為0.3-0.6mm，表面粗糙度RMS ^ 2.0nm。
[0011]上述方案中，所述壓電薄膜采用氮化鋁(AlN)壓電薄膜，厚度為2-3μπι。
[0012]上述方案中，所述金屬電極采用鉬(Pt)，厚度為100_300nm。
[0013]上述方案中，所述金屬電極包括叉指換能器(IDT)和反射柵。
[0014]上述方案中，所述保護層采用氧化鋁(Al2O3)，厚度為300-500nm。
[0015]上述方案中，所述襯底、壓電薄膜、金屬電極和保護層，自下而上構(gòu)成Al2O3AlN/PtAi2O3的疊層結(jié)構(gòu)。
[0016](三)有益效果
[0017]本發(fā)明提供的高溫聲表面波溫度傳感器，通過在壓電薄膜和金屬電極表面沉積覆蓋一層保護層，解決了高溫環(huán)境中AlN壓電薄膜和Pt金屬電極的退化問題，增強了器件對高溫的耐受能力，同時隔絕了外界環(huán)境對器件表面的腐蝕，延長了傳感器在高溫環(huán)境中的工作時間。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1是本發(fā)明提供的高溫聲表面波溫度傳感器的縱向剖面示意圖；
[0019]圖2是本發(fā)明提供的高溫聲表面波溫度傳感器沉積保護層前的平面示意圖；
[0020]圖3是一種傳統(tǒng)聲表面波溫度傳感器縱向剖面示意圖。
[0021]圖4是本發(fā)明提供的高溫聲表面波溫度傳感器在900°C退火20小時后的掃描電子顯微鏡(SEM)圖片；
[0022]圖5是米用如圖3所不的傳統(tǒng)聲表面波溫度傳感器在900°C退火20小時的掃描電子顯微鏡(SEM)圖片。
[0023]圖中標(biāo)號:1金屬電極(包括1.1叉指換能器、1.2反射柵)、2保護層、3壓電薄膜、4襯底。

【具體實施方式】
[0024]為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合具體實施例，并參照附圖，對本發(fā)明進一步詳細(xì)說明。
[0025]本發(fā)明提供了一種高溫聲表面波溫度傳感器，該高溫聲表面波溫度傳感器將襯底4作為底層，在其上依次制備壓電薄膜3、金屬電極I,構(gòu)成基本的聲表面波傳感器,并且在壓電薄膜3和金屬電極I表面覆蓋一層保護層2，以增強器件對高溫的耐受能力。
[0026]如圖1所示，圖1是本發(fā)明提供的高溫聲表面波溫度傳感器的縱向剖面示意圖，該高溫聲表面波溫度傳感器包括:襯底4 ;在襯底4之上形成的壓電薄膜3 ;在該壓電薄膜3的部分之上形成的金屬電極I ;以及覆蓋于未形成金屬電極I的壓電薄膜3之上及該金屬電極I之上的保護層2。
[0027]其中，襯底4采用氧化鋁(Al2O3),厚度為0.3-0.6mm，表面粗糙度RMS彡2.0nm。壓電薄膜3采用氮化鋁(AlN)壓電薄膜，厚度為2-3 μ m。金屬電極I采用鉬(Pt)，厚度為100-300nm ;金屬電極I包括叉指換能器1.1和反射柵1.2，如圖2所示，圖2是本發(fā)明提供的高溫聲表面波溫度傳感器沉積保護層前的平面示意圖。保護層2采用氧化鋁(Al2O3),厚度為300-500nm。襯底4、壓電薄膜3、金屬電極I和保護層2，自下而上構(gòu)成Al203/A1N/Pt/Al2O3的疊層結(jié)構(gòu)。
[0028]下面進一步闡述本發(fā)明提供的高溫聲表面波溫度傳感器的制備工藝，具體包括如下步驟:
[0029]步驟1:選取氧化鋁基片4，其厚度為0.6mm,表面粗糙度RMS ( 2.0nm,對其表面進行清洗干燥。
[0030]步驟2:在清洗干燥后的氧化鋁襯底基片4上采用磁控濺射工藝制備氮化鎵壓電薄膜3，相應(yīng)的磁控濺射工藝條件為:濺射靶材選用純度為99.999%鋁靶，濺射氣體為Ar和N2混合氣體，兩者純度都在99.99%以上。通過調(diào)整Ai^P N2的流量來調(diào)節(jié)設(shè)備腔室中的氮氣比例，濺射腔室的本底真空小于5X 10_4Pa，濺射氣壓保持在0.5?0.8Pa，濺射功率為10ff0
[0031]步驟3:對磁控濺射工藝制備的氮化鎵壓電薄膜3在500°C高溫退火I小時，使濺射制備的薄膜更加致密、平整。
[0032]步驟4:在氮化鎵壓電薄膜3上采用射頻磁控濺射工藝制備Pt金屬薄膜，相應(yīng)的射頻磁控濺射工藝條件為:濺射靶材選用純度為99.99%鉬靶，濺射氣體為Ar，純度在99.99%以上，濺射腔室的本底真空小于5X 10_4Pa，濺射氣壓為1.2Pa，濺射功率為30W。
[0033]步驟5:在濺射沉積的Pt金屬薄膜表面涂覆光刻膠并進行曝光顯影，相應(yīng)的光刻工藝條件為:光刻膠選用蘇州瑞紅公司產(chǎn)RZJ304(50mpa.s),勻膠機轉(zhuǎn)速為3500rpm,曝光時間為10秒，勻膠時間為40秒，分別在120°C的溫度下前烘90秒，后烘120秒；
[0034]步驟6:采用離子束刻蝕工藝刻蝕出金屬電極I的圖形，并在刻蝕完成后去除殘留光刻膠，相應(yīng)的離子束刻蝕工藝條件為:離子束流為150mA，加速電壓為280V，中和電流為200mA,離子能量為500eV刻蝕腔室真空度小于5 X 10_4Pa。
[0035]步驟7:在壓電薄膜3和金屬電極I表面采用直流反應(yīng)磁控濺射工藝沉積氧化鋁保護層2，相應(yīng)的直流反應(yīng)磁控濺射工藝條件為:濺射靶材選用純度為99.99%鋁靶，濺射氣體為Ar，純度在99.99%以上，濺射腔室的本底真空小于5 X10_4Pa，濺射氣壓為1.2Pa，濺射功率為80W。
[0036]步驟8:對磁控濺射工藝制備的氧化鋁薄膜2在500°C高溫退火I小時。
[0037]本發(fā)明提供的高溫聲表面波溫度傳感器，通過在壓電薄膜和金屬電極表面沉積覆蓋一層保護層，解決了高溫環(huán)境中AlN壓電薄膜和Pt金屬電極的退化問題，增強了器件對高溫的耐受能力，同時隔絕了外界環(huán)境對器件表面的腐蝕，延長了傳感器在高溫環(huán)境中的工作時間。
[0038]如圖3所示，圖3是一種傳統(tǒng)聲表面波溫度傳感器縱向剖面示意圖。對比本發(fā)明，區(qū)別僅在于本發(fā)明高溫聲表面波溫度傳感器在壓電薄膜和金屬電極表面沉積覆蓋一層保護層，增強了器件對高溫的耐受能力，同時隔絕了外界環(huán)境對器件表面的腐蝕，而圖3所示傳統(tǒng)聲表面波溫度傳感器的壓電薄膜和金屬電極直接暴露在外，易受到高溫和其他因素的影響。
[0039]如圖4和圖5所示，圖4是本發(fā)明高溫聲表面波溫度傳感器在900°C退火50h后的掃描電子顯微鏡(SEM)圖片，圖5是采用如圖3所示的傳統(tǒng)聲表面波溫度傳感器在900°C退火50h的掃描電子顯微鏡(SEM)圖片。通過對比可以看到，在長時間的高溫退火過程中，傳統(tǒng)聲表面波傳感器的壓電薄膜和金屬電極直接暴露于高溫環(huán)境中，致使壓電薄膜和金屬電極都受到不同程度的損傷，而本發(fā)明高溫聲表面波溫度傳感器由于保護層的掩蔽，器件基本未受到損傷。因此，本發(fā)明高溫聲表面波溫度傳感器對高溫有較高的耐受能力，從而延長了器件在高溫環(huán)境中的工作時間。
[0040]以上所述的具體實施例，對本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和有益效果進行了進一步詳細(xì)說明，所應(yīng)理解的是，以上所述僅為本發(fā)明的具體實施例而已，并不用于限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種高溫聲表面波溫度傳感器，其特征在于，該高溫聲表面波溫度傳感器包括: 襯底； 在襯底之上形成的壓電薄膜； 在該壓電薄膜的部分之上形成的金屬電極；以及 覆蓋于未形成金屬電極的壓電薄膜之上及該金屬電極之上的保護層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高溫聲表面波溫度傳感器，其特征在于，所述襯底采用氧化鋁Al2O3,厚度為0.3-0.6mm,表面粗糙度RMS ( 2.0nm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高溫聲表面波溫度傳感器，其特征在于，所述壓電薄膜采用氮化鋁AlN壓電薄膜，厚度為2-3 μ m。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高溫聲表面波溫度傳感器，其特征在于，所述金屬電極采用鉬 Pt，厚度為 100-300nm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或4所述的高溫聲表面波溫度傳感器，其特征在于，所述金屬電極包括叉指換能器和反射柵。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高溫聲表面波溫度傳感器，其特征在于，所述保護層采用氧化鋁 Al2O3，厚度為 300-500nm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高溫聲表面波溫度傳感器，其特征在于，所述襯底、壓電薄膜、金屬電極和保護層，自下而上構(gòu)成Al203/A1N/Pt/Al203的疊層結(jié)構(gòu)。
【文檔編號】G01K11/22GK104359584SQ201410645065
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年11月12日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月12日
【發(fā)明者】李冬梅, 周磊, 梁圣法, 謝常青, 劉明 申請人:中國科學(xué)院微電子研究所