氧化锌压电薄膜的表面波传感器的设计原理初探

邱睿 刘玲

【摘要】本文主要介绍氧化锌压电薄膜的表面波传感器的设计原理与实验研究，为氧化锌压电薄膜声表面波传感器的研究提供理论参考与应用指导。

【关键词】氧化锌压电薄膜 表面波 传感器

一、研究背景

声表面波器件广泛应用于广播电视、光纤通信、移动通信、无线通信、遥测遥控系统及声纳等领域。近年来对低插损和高频SAW器件的需求与日俱增。

获得高频SAW器件有两种途径：一是减少叉指电极宽度，但这受到刻蚀工艺的限制;二是需要高速衬底。本次研究我们将通过选用高速衬底来获得高频SAW器件。SAW器件的高速衬底主要有Si、SiO2/Si、GaAs、InP、蓝宝石、金刚石/Si等几种材料和结构。其中ZnO/金刚石/Si结构SAW器件的声速最高，其次是ZnO/蓝宝石结构SAW器件的声速。因而蓝宝石、金刚石/Si被认为是制作高频SAW器件的理想衬底材料，一般采用ZnO制备高频SAW器件。

制备ZnO薄膜有许多薄膜制备技术，包括化学气相沉积法，溅射法，溶胶凝胶法，脉冲激光沉积法等，其中由于溅射法能在高生长速率条件下获得高度致密且表面平坦度好的C轴取向薄膜，更具有衬底温度低、沉积速率高、薄膜与靶材料成份易保持一致等优点而备受人们的青睐，故一般采用磁控溅射技术。

二、氧化锌压电薄膜的表面波传感器的设计原理

1.氧化锌结构

ZnO是具有六方纤锌矿结构的Ⅱ—Ⅵ族n型半导体，由于它具有宽带隙、低介电常数及其优异的光电、压电特性，多年来一直广泛应用于压电转换、透明电极、亚敏电阻、湿敏、气敏传感器和太阳能电池等诸多领域。同时，由于它具有优良的电学性能，如大的机电耦合系数、低介电常数，因而被广泛的应用于制作声表面波器件和薄膜体声波器件。

高质量的ZnO薄膜材料需要满足如下条件：良好的c轴取向，从而具有高的声电转换效率;晶粒细小，来减少对声表面波的散射，降低声表面波的传输损耗;电阻率高，用以降低声表面波器件的工作损耗;薄膜中缺陷密度很低，声表面波的传输损耗小。因此对于声表面波器件ZnO薄膜的性能起到了至关重要的作用。

2.声表面波传感器

本次研究我们采用新型结构IDT替代单叉指结构IDT，降低输入换能器与输出换能器之间的声反射、聲损耗等。声表面波传感测试采用双路差分放大电路，双延迟线型振荡器结构可以消除外界环境的变化（如温度、振动以及湿度等干扰因素）或免疫传感中的非特异性吸附等所引起的声表面波传感器工作频率的漂移，提高实验设备的抗干扰能力。

SAW气体传感器有两种结构，即延迟线型和谐振器型，用得最多的是双通道谐振器结构，一个通道用于测量，另一个通道用于对环境温度、度、压力等因素的补偿。通常对压电基片上的SAW传播路径覆盖不同的吸附薄膜，便构成了不同的SAW气体传感器。膜层材料很多，根据感测的参量选择吸附薄膜。涂层为半导体酞菁，用于测量NO2气体浓度，气体与此表面相互作用，就引起SAW速度或延迟时间的变化，然后以频率差作为气体浓度的一种量度。涂层为三氧化钨（WO3）膜，用于测量硫化氢（H2S）气体，这种传感器对于小于一亿分之一的H2S浓度仍有响应。

SAW器件本身对气体或化学蒸气并不敏感，SAW气体传感器是通过沉积在SAW传播路径上和IDT区域的化学界面膜与被测气体相互作用产生的界面膜物理性质的变化来改变SAW的速度，从而把对界面膜某些参数敏感的SAW器件转变成了对气体浓度敏感的器件。检测化学界面表面吸附被测气体后所引起的SAW速度变化便可探测气体的浓度。如果以谐振器作为谐振回路的选频元件，则SAW速度变化引起相应的频率变化，以频率的变化量来探测气体。

3.Love波

压电薄膜所激发声波通常为纵波模式或Rayleigh波模式，此类声波模式在液体环境中传播时会产生较大的衰减，不利于液体介质中的传感应用。取向氧化锌压电薄膜能够激发Love波模式，是研制压电薄膜结构声表面波液体传感器的最佳选择。理想Love波器件的波导层是一种体横波速度密度均小于压电基片材料体横波速度、密度的材料，且要求其具有良好的弹性特性和低的声吸收性能。目前，已发现可作为Love波波导层的材料有聚甲基丙烯酸甲酯、SiO2及ZnO等。其中，ZnO材料用于波导层时，不仅具有较低的体横波传播速度，且其具有的压电特性，在一定程度上提高了Love波器件的机电耦合性能和转换效率。此外，ZnO波导层表面自由能高，吸附能力较强，生物兼容性强，亲水性好，为生物分子提供良好的生物活性表面。因此，具有ZnO波导层材料的Love波器件在质量敏感、生物传感器等领域已得到广泛应用。

三、实验研究

ZnO纳米结枃被制备在ST切石英声表面波器件的敏感区域内作为敏感吸附膜：由于质荷负载的原因，声表面波器件的中心频率会相应减小，同时引入插损并且影响中心频率的Q值在本实验中，由于声表面波器件的振荡电路的放大能力有限，放大器的放大是非线性的，因此当声表面波器件的Q值太低或者插损太小，声表面器件的输出电信号功率就会太很小，经过放大器放大后也很难达到频率计数器的最低的检测阈值。在实际操作中，我们发现当声表面波传感器在网络分析仪上检测出其Q值小于1000或者插损小于-33B时，声表面波传感器的输出信号无法被频率计数器检测出来。因此在声表面波器件敏感膜制备完成后，首先利用网络分析仪，检测其Q值与插损的实际值。当制备的器件中心频率的Q值与插损满足测试条件时（即Q值大于1000，插损大于-33dB），再将声表面波器件接入频率计数器，进行信号检测。另外，由于声表面波传感器中心频率在200MHz左右，对于整个检测实验过程中，由于电路自身的噪声以及外界干扰就引起频率计数器上比较大的读数，在实验中发现电路的噪声与外界的干扰引起的频率变化在30Hz左右。

四、总结

本文对氧化锌设计原理进行了分析，并对声表面波传感器实验进行改进和实验研究。为氧化锌压电薄膜声表面波传感器的研究提供理论参考与应用指导。