【摘 要】
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声表面波（Surface Acoustic Wave,SAW）传感器是利用压电效应和声表面波传播的物理特性制成的MEMS器件。传统Si基MEMS应变传感器无法在超过100℃的高温环境下工作,难以满足高温场景的压力测量工作。而作为压电材料的AlN薄膜具有优异的物理和化学性质,但其仍存在着压电常数d33和机电耦合系数K2较低的问题。本论文着重于研究改进AlN薄膜工艺,来制作出基于AlN压电薄膜的SAW
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声表面波（Surface Acoustic Wave,SAW）传感器是利用压电效应和声表面波传播的物理特性制成的MEMS器件。传统Si基MEMS应变传感器无法在超过100℃的高温环境下工作,难以满足高温场景的压力测量工作。而作为压电材料的AlN薄膜具有优异的物理和化学性质,但其仍存在着压电常数d33和机电耦合系数K2较低的问题。本论文着重于研究改进AlN薄膜工艺,来制作出基于AlN压电薄膜的SAW传感器。本研究用反应磁控溅射法,在蓝宝石衬底上沉积具有（002）取向的AlN压电薄膜,通过控制衬底温度和工作气压来寻找其最佳的结晶质量的实验条件参数;利用X射线衍射仪（XRD）、扫描电子显微镜（SEM）、X射线光电子能谱（XPS）、台阶仪和压电测试仪等测试设备对薄膜的结构、成分及性能进行表征;设计叉指电极并利用光刻技术图案化,用直流磁控溅射法沉积Pt叉指电极和Ta过渡层,制作出Pt/Ta/AlN/Sapphire结构的SAW传感器,通过金相显微镜和扫描电子显微镜表征其结构,用网络分析仪测量其特征频率。研究结果表明:衬底温度及工作气压均对AlN压电薄膜的结晶质量和择优取向有较大影响。当衬底温度从300℃提高到400℃时,AlN结晶质量先沿（002）晶面生长变好随后结晶质量变差;工作气压从0.45 Pa下降到0.25 Pa,AlN（002）晶面的结晶质量先变好再变差,AlN（002）取向最佳结晶质量的条件为:溅射功率350W,Ar:N2=20:4 sccm,衬底温度375℃,工作气压0.35 Pa。最佳工艺参数下制备的AlN薄膜压电系数为25 p C/N。最佳工艺下制备的SAW传感器特征频率为258MHz,与设计频率250 MHz接近。S11参数值范围为-4.1d B到-13.89 d B。综上所述,本论文针对声表面波传感器的压电薄膜材料的制备进行了研究,初步测量了器件的S网络参数,对目前声表面波传感器在应用中所遇到的一些问题提出了明确的解决方案,为后续高温传感器的应用提供了理论和技术基础。
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