高温声表面波器件电极的制备与研究

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声表面波(SAW)传感器因其无线无源等特点而被广泛地应用在某些恶劣的密闭环境中。但是,在航空航天等特种领域中,相关SAW传感器往往需要工作在特别高的温度下,这也就对SAW传感器在高温下的稳定性提出了要求。目前为止,成熟的SAW传感器一般能够承受500℃600℃的高温环境,还远远未能达到要求。本文采用脉冲激光沉积(PLD)与激光分子束外延(LMBE)技术在硅酸镓镧(LGS)压电衬底上沉积了基于Pt的多种复合电极薄膜。通过测试不同电极薄膜的导电性随高温处理的变化关系以及高温处理前后电极的微观结构变化,分析了其高温下电阻变化的机制,并最终得出了抑制Pt电极在高温下失效的方法,研究结果为SAW器件乃至所有微型电子元器件在极端高温条件下的应用提供了一定的实验基础与理论依据。本论文的主要工作包含以下内容:1.采用PLD技术,在不同温度条件下制备了Pt电极,系统地研究了Pt的沉积温度对Pt在高温下的导电稳定性的影响。结果表明,Pt电极的失效是由于Pt的结块所导致的,并且更高的沉积温度会使得制备的Pt电极在高温下具有更强的导电稳定性。600℃条件下制备的Pt电极在从室温升至1000℃的过程中都没有发生明显的导电性失效现象。同时XRD结果表明更高温度条件下沉积的Pt电极具有更大的晶粒尺寸,而这也被认为是影响着Pt电极在高温下导电稳定性的决定因素。2.采用LMBE技术,分别在150℃与600℃条件下沉积Pt/ZnO与Pt/ZnO/Al2O3多层电极薄膜。结果表明,通过ZnO缓冲层的引入,以较低的沉积温度就能够制备出具有更好结晶质量的Pt电极,并且获得更大的Pt晶粒。同时,Al2O3势垒层的插入不仅能够阻止衬底中的La、Ga、Si等原子向电极扩散,还能够进一步地提升随后沉积的ZnO与Pt的结晶质量,得到晶粒尺寸更大的Pt电极。在600℃条件下制备的Pt/ZnO/Al2O3电极能够在1000℃下保持大约三十分钟稳定的导电性能。3.采用LMBE技术,分别在Pt/ZnO/Al2O3电极上沉积不同厚度的AlN与Al2O3保护层。分析了不同保护层(AlN与Al2O3)及保护层厚度不同的情况下Pt/ZnO/Al2O3电极在高温下导电性能与微观结构的变化机理。结果表明,更厚的保护层会具有更强的抑制Pt电极高温下结块的作用,从而使得Pt电极的导电性能够更长久地保持稳定。其中,160 nm Al2O3保护层所覆盖的Pt/ZnO/Al2O3电极能够在1100℃高温下稳定工作至少3个小时。4.采用PLD技术制备Pt与ITO导电氧化物的复合薄膜,测试了该电极在1000℃下的微观结构与导电性能的变化关系,并分析了高温下该复合电极电阻的变化机制。结果表明,当Pt在高温下结块产生空洞后,导电氧化物ITO能够填充Pt空洞并起到连接Pt与Pt之间的导电媒介的作用。在这种情况下,即使Pt因高温下的结块而产生大量空洞,但Pt-ITO复合电极的导电率却能够稳定地保持大约3小时,同时作者发现该复合薄膜电极的导电稳定性与ITO在高温下的导电稳定性密切相关。5.采用以上的各种电极来制作SAW谐振器,并测试它们对高温环境的耐受性。结果表明,以Al2O3/Pt/ZnO/Al2O3复合薄膜为电极的SAW谐振器具有最强的高温耐受性,能够经历12次1100℃退火的过程后仍然保持稳定的谐振性能。而以ITO/Pt复合薄膜为电极的SAW器件仅在经过2次同样的退火处理后就发生了明显的谐振信号衰减现象。以Pt/ZnO/Al2O3为电极的SAW器件对高温的耐受性能最差,只经过1次1100℃退火后其谐振信号强度即明显减弱。实验结果表明,采用上述电极制作的SAW器件都具有一定程度的在1000℃以上高温环境中稳定工作的能力,为高温SAW器件的制备提供了一定的理论基础与实验依据。
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