Al2O3厚度对SAW传感器声波模式及性能的影响

2023-07-18李鸿源

压电与声光 2023年3期

刘强,李鸿源,徐鸿

(华北电力大学能源动力与机械工程学院,北京 102206)

0 引言

声表面波(SAW)传感器因具有无线无源、测量灵敏度高、结构简单等特点,在设备结构健康监测领域具有广泛的应用前景[1]。基底材料压电特性失效和电极熔化是限制SAW传感器长时间工作在高温环境的主要因素。硅酸镓镧(LGS)的熔点为1 470 ℃,在室温至熔点过程中不发生相变[2];铂(Pt)的熔点为1 773 ℃,且具有较低的电阻率。根据相关研究[3],为了获得高温工况SAW传感器的良好性能,电极归一化厚度为0.5%～1%,金属化率约在0.5。根据Young-Laplace方程表明,增加保护层后,电极结块的平衡条件将发生改变,这增加了传感器本身对高温环境的耐受性和使用温度[4]。S.Sakharov等[5]对高温下Al2O3薄膜的高温特性进行了探索,具有Al2O3保护层的SAW谐振器在650 ℃,1 000 h内可以正常工作。但是,由于存在质量加载效应,故保护层厚度对声波特性及SAW传感器性能的影响不可忽略。

本文设计了一种以切向角度(0°, 138.5°, 27°)的LGS作为压电基底,Pt为电极,Al2O3为保护层结构的SAW温度传感器,Pt电极归一化厚度为0.625%(即电极高度h为100 nm,波长λ为16 μm),金属化率0.5,采用多物理场耦合有限元模型探究了Al2O3厚度对SAW中Rayleigh波传播特性的影响,分析了保护层厚度与波速v、机电耦系数K2、转换温度Tturn、一阶频率温度系数τf,1和品质因数Q的关系,为后续实验制备SAW高温传感器提供了理论指导。

1 建模与仿真

1.1 控制方程

本文使用COMSOL有限元分析软件对其结构进行了模拟和分析,位移与电场的压电本构方程[6]为

Tij=cijklSkl-eijklEk

(1)

Di=eiklSkl+εikEk

(2)

式中:Tij为应力张量;Skl为应变张量;cijkl为刚度常数;eijkl为压电应力常数;εik为介电常数常数;Di和Ek分别为电位移矢量和电场。

1.2 几何模型及边界条件

SAW器件的几何模型如图1(a)所示。图中模型长度为λ,宽度为0.25λ,高度为5λ,不考反射栅的影响,计算一个周期内一对叉指换能器(IDT)的频率温度变化。电极高度为h,宽度为0.25λ,保护层厚度w,基体材料选择LGS,电极材料Pt,保护层材料Al2O3。边界条件如表1所示。左侧电极设置1 V电压,右侧电极设置接地。对模型进行网格划分,采用结构化网格,如图1(b)所示。

表1 边界条件设置

图1 几何模型及网格划分

1.3 参数设置及计算公式

本文选用室温下LGS晶体坐标系的材料常数及温度系数如表2所示,Pt及Al2O3选择COMSOL中内置的参数。

表2 LGS的材料常数及温度系数

1.4 模型验证

为了验证模型的准确性,将计算结果与实验结果[9]的相对频移进行比较,如图2所示,相对频移计算公式:

(3)

式中:fT为不同温度下的中心频率;f0为室温下的中心频率;ΔfT为fT-f0差值。

图2 数值计算结果与实验结果[9]对比

由图2可见,计算结果与实验存在一定偏差,在600 ℃时偏差最大为0.008。其原因是在计算过程中对SAW器件进行了三维简化处理,忽略了IDT对数对SAW激发效率的影响,以及SAW衰减、散射等对器件的影响。但是计算结果能够反映SAW温度传感器性能在不同温度下的变化趋势,且实验误差在可接受范围内,因此,该模型具有可靠性。

2 结果与分析

2.1 Al2O3厚度对Rayleigh波传播特性的影响

SAW温度传感器利用的是Rayleigh波,它由纵波L波和垂直剪切波SV波耦合而成。在“距离为10 μm”的截线上,分别提取这条截线上L波、SH波、SV波振动位移,如图3(a)所示。在无保护层的结构下,由于电极的存在会激发出水平剪切波SH波对Rayleigh进行干扰,可知SH波方向上位移量约为SV波方向的0.5倍,波动较明显,对Rayleigh的影响不可忽略;当添加Al2O3保护层结构,SH波的振动位移增加。不同Al2O3保护层厚度的L波、SH波、SV波振动位移如图3(b)-(d)所示。当保护层归一化厚度,即保护层厚度w与波长λ的比值小于3.13%时,在器件结构中可以激励出SAW,此时声波的传播深度约为1λ～2λ,能量主要集中在结构的表面,是Rayleigh波的振动模式(见图3(b))。Rayleigh波的波形会有一定的倾斜,这是由于LGS材料各向异性引起的。当保护层归一化厚度为6.25%时,声表面波与纵波发生耦合,其能量向衬底内部扩散;当归一化厚度为18.75%时,器件的谐振波被约束在衬底内部,无法在衬底表面产生Rayleigh波,此时为体波BAW模式。当电极厚度由0增加到3.13%时,SH波位移减弱,通过适当增加保护层厚度可减少SH波对传感器性能的影响。L波振动位移增加,SV波振动位移减弱,这是因为Rayleigh波中L波与SV波相位相差90°,且SV波振动幅度远大于L波,因此,增加Al2O3厚度会降低SV波的振幅。综上所述,本文探究了Al2O3归一化厚度由0增加到2.19%时SAW传感器的相关性能。

图3 不同保护层厚度的质点位移

2.2 Al2O3厚度对波速v和机电耦系数K2的影响

Al2O3厚度对波速v和机电耦系数K2的影响如图4所示。波速v随着Al2O3薄膜厚度的增加而增强。无保护层结构时,Rayleigh波传播速度约为2 700 m/s,与文献[10]的结果一致。当Al2O3归一化厚度为2.19%时,Rayleigh波速度约为2 832 m/s,速度增加约为132 m/s。K2是衡量压电材料机械能和电能相互转换效率的参数。与未添加保护层结构相比,K2有大幅提高;随着Al2O3厚度的增加,K2缓慢降低,质量负载效应随着Al2O3保护层厚度增加而增强;当保护层归一化厚度达到0.94%时,K2达到最大。

图4 不同保护层厚度波速v和K2的关系

2.3 Al2O3厚度对Tturn、τf,1和Q的影响

在室温～600 ℃下,Al2O3厚度与相对频移关系如图5所示。由图可见,谐振频率开口向下抛物线的顶点即为温度转变点Tturn,Tturn可由拟合结果的一阶频率温度系数τf,1和二阶频率温度系数τf,2计算得到:

(4)

(5)

图5 不同温度下保护层厚度与相对频移的关系

根据文献[10]表明,τf,1和|τf,2|的变化趋势一致,且τf,2的绝对值比τf,1小。因此,本文仅分析了τf,1与保护层厚度的关系。保护层厚度对τf,1和转变温度的影响如图6所示。随着保护层厚度的增加,SAW传感器的τf,1增加,转换温度增加。当Al2O3厚度由0增加到2.19%时,τf,1由8.93 μ℃增加到11.4 μ℃,增幅为2.47 μ℃;转换温度由68.6 ℃增加到90.8 ℃,增幅为22.2 ℃。

图6 保护层厚度与Tturn和τf,1的关系

Q是反应SAW传感器综合性能的重要参数,一般情况下传感器的性能随着Q值的增加而增强。Q与保护层厚度间的关系如图7所示。由图可见,随着温度的增加,SAW传感器的Q值先降低后升高再降低,呈波动性变化。在室温～250 ℃时,保护层归一化厚度为0.94%、1.25%、1.56%,对Q值影响不大;当温度在250～600 ℃时,归一化厚度0.94%的Q值增加;当温度>450 ℃时,与1.88%的Q值重合,此时SAW传感器综合性能与1.88%相当。

图7 不同温度下保护层厚度与Q的关系

当温度>400 ℃时,Q值下降较快,其原因是对于LGS材料,当温度>300 ℃时,压电材料机械能和电能相互转换效率,即K2开始显著降低[11],且随着温度的升高,基体各层间的结构发生改变,材料晶格进行热振动,引起SAW传播过程中能量衰减,振幅降低,传播损耗增加[12]。此外,Pt电极的阻值随着温度的升高而增加[13],导致高温下声表面波传感器Q值下降明显。