氧化鋅壓電薄膜的表面波傳感器的設計原理初探

邱睿 劉玲

【摘要】本文主要介紹氧化鋅壓電薄膜的表面波傳感器的設計原理與實驗研究，為氧化鋅壓電薄膜聲表面波傳感器的研究提供理論參考與應用指導。

【關鍵詞】氧化鋅壓電薄膜 表面波 傳感器

一、研究背景

聲表面波器件廣泛應用于廣播電視、光纖通信、移動通信、無線通信、遙測遙控系統及聲納等領域。近年來對低插損和高頻SAW器件的需求與日俱增。

獲得高頻SAW器件有兩種途徑：一是減少叉指電極寬度，但這受到刻蝕工藝的限制;二是需要高速襯底。本次研究我們將通過選用高速襯底來獲得高頻SAW器件。SAW器件的高速襯底主要有Si、SiO2/Si、GaAs、InP、藍寶石、金剛石/Si等幾種材料和結構。其中ZnO/金剛石/Si結構SAW器件的聲速最高，其次是ZnO/藍寶石結構SAW器件的聲速。因而藍寶石、金剛石/Si被認為是制作高頻SAW器件的理想襯底材料，一般采用ZnO制備高頻SAW器件。

制備ZnO薄膜有許多薄膜制備技術，包括化學氣相沉積法，濺射法，溶膠凝膠法，脈沖激光沉積法等，其中由于濺射法能在高生長速率條件下獲得高度致密且表面平坦度好的C軸取向薄膜，更具有襯底溫度低、沉積速率高、薄膜與靶材料成份易保持一致等優點而備受人們的青睞，故一般采用磁控濺射技術。

二、氧化鋅壓電薄膜的表面波傳感器的設計原理

1.氧化鋅結構

ZnO是具有六方纖鋅礦結構的Ⅱ—Ⅵ族n型半導體，由于它具有寬帶隙、低介電常數及其優異的光電、壓電特性，多年來一直廣泛應用于壓電轉換、透明電極、亞敏電阻、濕敏、氣敏傳感器和太陽能電池等諸多領域。同時，由于它具有優良的電學性能，如大的機電耦合系數、低介電常數，因而被廣泛的應用于制作聲表面波器件和薄膜體聲波器件。

高質量的ZnO薄膜材料需要滿足如下條件：良好的c軸取向，從而具有高的聲電轉換效率;晶粒細小，來減少對聲表面波的散射，降低聲表面波的傳輸損耗;電阻率高，用以降低聲表面波器件的工作損耗;薄膜中缺陷密度很低，聲表面波的傳輸損耗小。因此對于聲表面波器件ZnO薄膜的性能起到了至關重要的作用。

2.聲表面波傳感器

本次研究我們采用新型結構IDT替代單叉指結構IDT，降低輸入換能器與輸出換能器之間的聲反射、聲損耗等。聲表面波傳感測試采用雙路差分放大電路，雙延遲線型振蕩器結構可以消除外界環境的變化（如溫度、振動以及濕度等干擾因素）或免疫傳感中的非特異性吸附等所引起的聲表面波傳感器工作頻率的漂移，提高實驗設備的抗干擾能力。

SAW氣體傳感器有兩種結構，即延遲線型和諧振器型，用得最多的是雙通道諧振器結構，一個通道用于測量，另一個通道用于對環境溫度、度、壓力等因素的補償。通常對壓電基片上的SAW傳播路徑覆蓋不同的吸附薄膜，便構成了不同的SAW氣體傳感器。膜層材料很多，根據感測的參量選擇吸附薄膜。涂層為半導體酞菁，用于測量NO2氣體濃度，氣體與此表面相互作用，就引起SAW速度或延遲時間的變化，然后以頻率差作為氣體濃度的一種量度。涂層為三氧化鎢（WO3）膜，用于測量硫化氫（H2S）氣體，這種傳感器對于小于一億分之一的H2S濃度仍有響應。

SAW器件本身對氣體或化學蒸氣并不敏感，SAW氣體傳感器是通過沉積在SAW傳播路徑上和IDT區域的化學界面膜與被測氣體相互作用產生的界面膜物理性質的變化來改變SAW的速度，從而把對界面膜某些參數敏感的SAW器件轉變成了對氣體濃度敏感的器件。檢測化學界面表面吸附被測氣體后所引起的SAW速度變化便可探測氣體的濃度。如果以諧振器作為諧振回路的選頻元件，則SAW速度變化引起相應的頻率變化，以頻率的變化量來探測氣體。

3.Love波

壓電薄膜所激發聲波通常為縱波模式或Rayleigh波模式，此類聲波模式在液體環境中傳播時會產生較大的衰減，不利于液體介質中的傳感應用。取向氧化鋅壓電薄膜能夠激發Love波模式，是研制壓電薄膜結構聲表面波液體傳感器的最佳選擇。理想Love波器件的波導層是一種體橫波速度密度均小于壓電基片材料體橫波速度、密度的材料，且要求其具有良好的彈性特性和低的聲吸收性能。目前，已發現可作為Love波波導層的材料有聚甲基丙烯酸甲酯、SiO2及ZnO等。其中，ZnO材料用于波導層時，不僅具有較低的體橫波傳播速度，且其具有的壓電特性，在一定程度上提高了Love波器件的機電耦合性能和轉換效率。此外，ZnO波導層表面自由能高，吸附能力較強，生物兼容性強，親水性好，為生物分子提供良好的生物活性表面。因此，具有ZnO波導層材料的Love波器件在質量敏感、生物傳感器等領域已得到廣泛應用。

三、實驗研究

ZnO納米結枃被制備在ST切石英聲表面波器件的敏感區域內作為敏感吸附膜：由于質荷負載的原因，聲表面波器件的中心頻率會相應減小，同時引入插損并且影響中心頻率的Q值在本實驗中，由于聲表面波器件的振蕩電路的放大能力有限，放大器的放大是非線性的，因此當聲表面波器件的Q值太低或者插損太小，聲表面器件的輸出電信號功率就會太很小，經過放大器放大后也很難達到頻率計數器的最低的檢測閾值。在實際操作中，我們發現當聲表面波傳感器在網絡分析儀上檢測出其Q值小于1000或者插損小于-33B時，聲表面波傳感器的輸出信號無法被頻率計數器檢測出來。因此在聲表面波器件敏感膜制備完成后，首先利用網絡分析儀，檢測其Q值與插損的實際值。當制備的器件中心頻率的Q值與插損滿足測試條件時（即Q值大于1000，插損大于-33dB），再將聲表面波器件接入頻率計數器，進行信號檢測。另外，由于聲表面波傳感器中心頻率在200MHz左右，對于整個檢測實驗過程中，由于電路自身的噪聲以及外界干擾就引起頻率計數器上比較大的讀數，在實驗中發現電路的噪聲與外界的干擾引起的頻率變化在30Hz左右。

四、總結

本文對氧化鋅設計原理進行了分析，并對聲表面波傳感器實驗進行改進和實驗研究。為氧化鋅壓電薄膜聲表面波傳感器的研究提供理論參考與應用指導。