本文關(guān)鍵詞：柔性聲表面波器件基礎(chǔ)研究

  更多相關(guān)文章： 柔性 SAW器件 ZnO薄膜 AlN薄膜 傳感和微流體應(yīng)用

【摘要】：聲表面波(SAW, Surface Acoustic Wave)器件在射頻通信濾波器,雙工器,射頻標(biāo)簽,生物傳感、生物醫(yī)療、微流體和片上實(shí)驗(yàn)室有著廣泛的應(yīng)用。傳統(tǒng)的SAW器件大多制作在硅、玻璃等剛性襯底上,然而在實(shí)際應(yīng)用中,對(duì)可撓性好、能貼附在任意曲面或不規(guī)則物體表面的類皮膚型器件的需求日益增多,如果能開(kāi)發(fā)出一款柔性SAW器件并且把它實(shí)用化,將打開(kāi)和推動(dòng)基于柔性SAW器件的柔性傳感領(lǐng)域和柔性片上實(shí)驗(yàn)室,強(qiáng)有力推動(dòng)電子皮膚、智能蒙皮的應(yīng)用。為此,本文提出和制備了一種柔性SAW器件,并且將其成功應(yīng)用于柔性傳感領(lǐng)域和柔性片上實(shí)驗(yàn)室。論文的主要研究?jī)?nèi)容如下：①提出并在聚酰亞胺(PD柔性薄膜上制備了ZnO薄膜型柔性SAW器件而且將其應(yīng)用于傳感和微流體領(lǐng)域；②研究了壓電ZnO薄膜晶粒結(jié)構(gòu)對(duì)柔性SAW器件的影響；③分析了ZnO/PI柔性SAW器件的兩個(gè)波模式,特別是第二個(gè)新的波模式,研究了波長(zhǎng)以及壓電薄膜厚度對(duì)兩個(gè)波模式的影響；④制備了基于AlN的柔性SAW器件；⑤提出和制備了柔性透明SAW器件。本論文主要研究成果如下：1、提出并制備了柔性SAW器件,成功將其應(yīng)用于傳感和微流體領(lǐng)域。制備的柔性SAW器件性能優(yōu)良,且同時(shí)具有瑞利波和蘭姆波兩種諧振模式,當(dāng)ZnO厚度為4 μm,波長(zhǎng)λ為10μm的時(shí)候,獲得的瑞利波頻率為198.1 MHz,對(duì)應(yīng)的相速度1981 m/s,機(jī)電耦合系數(shù)高達(dá)1.05%,而蘭姆波頻率為447 MHz,對(duì)應(yīng)的相速度高達(dá)4470 m/s,機(jī)電耦合系數(shù)為0.8%,兩個(gè)諧振波的帶外抑制都大于18 dB。將制備的柔性SAW器件應(yīng)用于溫度傳感時(shí),測(cè)得的瑞利波和蘭姆波的溫度系數(shù)(TCF, Temperature Correction Factor)分別為～442和～245 ppm/K;應(yīng)用于微流體時(shí),當(dāng)信號(hào)電壓為9.5 V,液滴為10μL的時(shí)候,測(cè)得的聲線速度高達(dá)3.4 cm/s。該結(jié)果驗(yàn)證了柔性SAW器件在柔性傳感領(lǐng)域和柔性片上實(shí)驗(yàn)室的應(yīng)用前景,相關(guān)成果發(fā)表于Nature旗下的Scientific Reports等期刊；2、研究了壓電ZnO薄膜晶粒結(jié)構(gòu)對(duì)柔性SAW器件的影響。改變沉積ZnO薄膜的工藝參數(shù)直接影響ZnO薄膜晶粒結(jié)構(gòu),導(dǎo)致柔性SAW器件的電學(xué)性能發(fā)生變化。研究表明,當(dāng)濺射功率為200 W,襯底偏壓為-75 V,濺射氣壓為2 Pa時(shí),ZnO壓電薄膜的c軸取向最優(yōu),晶粒尺寸最大,而制備的柔性SAW器件性能也最優(yōu)良,帶外抑制最大。當(dāng)ZnO壓電薄膜厚度增加的時(shí)候,ZnO壓電薄膜質(zhì)量也隨之提高,制備的柔性SAW器件也更加優(yōu)良,相關(guān)成果發(fā)表于Journal of Applied Phyisics等期刊；3、分析了ZnO/PI柔性SAW器件的兩個(gè)波模式,研究了波長(zhǎng)以及壓電薄膜厚度對(duì)兩個(gè)波模式的影響。柔性SAW器件表現(xiàn)出兩個(gè)波模式,理論和仿真表明第一個(gè)波模式為瑞利波,第二個(gè)波模式為So廣義蘭姆波。提出了高聲速壓電層在低聲速襯底上會(huì)產(chǎn)生S0廣義蘭姆波的猜想,并且制備了AIN/Si的SAW器件對(duì)第二個(gè)波模式為S0廣義蘭姆波的猜想進(jìn)行了驗(yàn)證。研究了不同波長(zhǎng)對(duì)柔性SAW器件的影響,器件波長(zhǎng)λ從32μm減小到10μm,器件的插入損耗減小,帶外抑制增大；同時(shí)柔性SAW器件的兩個(gè)波模式頻率都增大。對(duì)于瑞利波,當(dāng)波長(zhǎng)減小,更多的聲波在高聲速的ZnO壓電薄膜中傳播,導(dǎo)致聲速的增加,而對(duì)于So廣義蘭姆波的聲速,它與瑞利波相速度表現(xiàn)出相反的趨勢(shì)。研究了厚度的變化對(duì)柔性SAW器件的影響,隨著厚度的增加,兩個(gè)波模式的傳輸信號(hào)都更加優(yōu)良,對(duì)于瑞利波,隨著厚度的增大,頻率和聲速都是增加的,而對(duì)于蘭姆波,隨著厚度的增大,頻率和波長(zhǎng)都是減小的,這表現(xiàn)出了和瑞利波相反的趨勢(shì),相關(guān)成果發(fā)表于Scientific Reports和Microfludics and Nanofludics等期刊；4、制備了基于AlN的柔性SAW器件。系統(tǒng)性研究了在柔性襯底上沉積c軸取向AlN的工藝,采用一層Al過(guò)渡層增加AlN和柔性PI襯底的結(jié)合力,研究表明,當(dāng)濺射氣壓為0.38 Pa, N2/Ar流量比為2：3,濺射功率為414 W,A1過(guò)渡層小于100 nm的時(shí)候,沉積的AlN薄膜比較優(yōu)良。制備了基于AlN的柔性SAW器件,諧振頻率高達(dá)1.66 GHz,聲速高達(dá)9960 m/s,表明這種結(jié)構(gòu)適合制備柔性高頻無(wú)線通信系統(tǒng)和柔性高靈敏度傳感器,相關(guān)成果發(fā)表于Thin Solid Films和Journal of Control Science and Engineering等期刊；5、提出和制備了柔性透明SAW器件和傳感器。為了制備柔性透明SAW器件,先制備了透明SAW器件,透明電極采AZO薄膜,制備的器件諧振頻率高達(dá)204.4MHz,機(jī)電耦合系數(shù)K2為2.06%,透明器件對(duì)可見(jiàn)光的透光率高達(dá)80%以上。研究表明電極薄膜電阻率至少要低于10 Ω/口,透明SAW器件的性能才會(huì)優(yōu)良。制備了透明SAW器件的溫度傳感器,器件的TCF約等于50 ppm/K.在柔性玻璃襯底上制備了柔性透明SAW器件,制備了不同厚度不同波長(zhǎng)的柔性透明SAW器件,器件帶外抑制都高達(dá)25 dB,表明制備的柔性透明SAW器件性能優(yōu)良,相關(guān)成果發(fā)表于IEEE Electron Device Letters等期刊。
【關(guān)鍵詞】：柔性 SAW器件 ZnO薄膜 AlN薄膜 傳感和微流體應(yīng)用
【學(xué)位授予單位】：浙江大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2015
【分類號(hào)】：TN65
【目錄】：

• 致謝5-7
• 摘要7-10
• Abstract10-21
• 縮略詞表21-22
• 第1章 緒論22-42
• 1.1 柔性電子器件背景22-28
• 1.1.1 柔性電子器件的意義22-25
• 1.1.2 柔性薄膜電子器件的國(guó)內(nèi)外發(fā)展25-28
• 1.2 聲表面波器件的發(fā)展與現(xiàn)狀28-39
• 1.2.1 壓電材料的種類以及發(fā)展趨勢(shì)28-30
• 1.2.2 聲表面波器件30-39
• 1.2.2.1 聲表面波器件的工作原理30-31
• 1.2.2.2 SAW器件結(jié)構(gòu)和壓電材料31-32
• 1.2.2.3 SAW器件國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r32-38
• 1.2.2.4 柔性SAW器件的技術(shù)難點(diǎn)分析38-39
• 1.3 論文的研究?jī)?nèi)容和章節(jié)安排39-42
• 1.3.1 論文的研究?jī)?nèi)容和創(chuàng)新點(diǎn)39-40
• 1.3.2 論文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)40
• 1.3.3 論文的章節(jié)安排40-42
• 第2章 柔性SAW器件的制備以及材料、器件表征42-65
• 2.1 柔性SAW器件的制備42-57
• 2.1.1 柔性SAW器件結(jié)構(gòu)的提出42
• 2.1.2 柔性基底材料的選取42-45
• 2.1.3 壓電薄膜材料的選擇45-52
• 2.1.3.1 ZnO和AlN壓電薄膜47-48
• 2.1.3.2 壓電薄膜的制備48-52
• 2.1.4 光刻制備叉指環(huán)能器52-57
• 2.2 材料的表征57-61
• 2.2.1 壓電薄膜的表征57-61
• 2.2.1.1 X射線衍射儀57-59
• 2.2.1.2 掃描電子顯微鏡(SEM)59
• 2.2.1.3 原子力顯微鏡(AFM)59-60
• 2.2.1.4 alpha臺(tái)階儀60-61
• 2.3 柔性SAW器件的測(cè)試61-64
• 2.3.1 S參數(shù)的測(cè)試61-62
• 2.3.2 溫度傳感的測(cè)試62-63
• 2.3.3 微流控的測(cè)試63-64
• 2.4 本章小結(jié)64-65
• 第3章 ZnO薄膜晶粒結(jié)構(gòu)對(duì)柔性SAW器件的影響65-93
• 3.1 ZnO沉積工藝參數(shù)對(duì)晶粒結(jié)構(gòu)的影響66-69
• 3.1.1 濺射功率和襯底偏壓對(duì)晶粒結(jié)構(gòu)的影響66-68
• 3.1.2 濺射氣壓對(duì)晶粒結(jié)構(gòu)的影響68-69
• 3.2 ZnO壓電薄膜厚度對(duì)ZnO薄膜質(zhì)量的影響69-75
• 3.3 晶粒結(jié)構(gòu)對(duì)柔性SAW器件的影響75-80
• 3.4 柔性SAW器件的分析80-91
• 3.4.1 柔性SAW器件的相速度分析80-81
• 3.4.2 柔性SAW器件的有限元分析81-91
• 3.5 本章小結(jié)91-93
• 第4章 第二個(gè)波模式分析和柔性SAW器件應(yīng)用93-122
• 4.1 器件波長(zhǎng)對(duì)柔性SAW器件影響93-97
• 4.2 模式1的分析97-109
• 4.2.1 模式1的幾種可能性分析97-100
• 4.2.2 模式1的有限元仿真和理論分析100-109
• 4.2.2.1 模式1的有限元仿真分析100-105
• 4.2.2.2 理論計(jì)算105-109
• 4.3 S_0廣義蘭姆波猜想和驗(yàn)證109-112
• 4.4 ZnO薄膜厚度對(duì)兩個(gè)波模式的影響112-115
• 4.5 柔性SAW器件的應(yīng)用115-119
• 4.5.1 溫度傳感應(yīng)用116-117
• 4.5.2 微流體領(lǐng)域應(yīng)用117-119
• 4.6 本章小結(jié)119-122
• 第5章 基于AlN的柔性SAW器件以及新型柔性透明SAW器件122-148
• 5.1 基于AlN的柔性SAW器件122-137
• 5.1.1 工藝參數(shù)對(duì)AlN壓電薄膜的影響122-135
• 5.1.1.1 濺射氣壓的影響123-126
• 5.1.1.2 N_2/Ar流量比的影響126-129
• 5.1.1.3 濺射功率的影響129-132
• 5.1.1.4 底層Al過(guò)渡層的影響132-135
• 5.1.2 基于AlN的柔性SAW器件135-137
• 5.2 新型柔性透明SAW器件137-146
• 5.2.1 透明SAW器件138-144
• 5.2.2 柔性透明SAW器件144-146
• 5.3 本章小結(jié)146-148
• 第6章 總結(jié)與展望148-152
• 6.1 論文的主要研究?jī)?nèi)容148-150
• 6.2 論文的主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)150-151
• 6.3 論文的不足之處和將來(lái)的工作151-152
• 參考文獻(xiàn)152-169
• 作者簡(jiǎn)歷及在校期間取得的科研成果169-171

，

本文編號(hào)：896462