1、氧化锌压电薄膜声表面波传感器的初探【摘要】本文分别对氧化锌材料，氧化锌压电薄膜的声表面波传感技术、声表面波传感器的特点、声表面波传输理论等方面进行阐述，为声表面传感器的设计与应用提供理论指导。 【关键词】氧化锌 压电薄膜 声表面波 传感器 一、引言 氧化锌薄膜和纳米材料具有体材料所不具备的优异特性，在紫外激光器、声表面波器件、太阳能电池等诸多领域得到广泛应用。本文分别对氧化锌材料，氧化锌压电薄膜的声表面波传感技术、声表面波传感器的特点、声表面波传输理论等方面进行阐述，为声表面传感器的设计与应用提供理论指导。 二、氧化锌压电薄膜声表面波传感器的设计研究 （1）氧化锌材料。氧化锌是一种宽禁带氧化物
2、半导体材料，具有优良的光电、压电及介电特性，无毒性，原料廉价易得。在自然条件下氧化锌结晶态是单一稳定的六方结构。在室温下，当压强达到 9Gpa 时纤锌矿结构的氧化锌转变为四方结构，近邻原子数由 4 增到 6，体积相应缩小17%。氧化锌薄膜天然存在着锌间隙与氧空位，为极性半导体，呈 n 型，是一种理想的透明导电薄膜，有大的机电耦合系数和低的介电常数，是声表面波的理想材料，因而被广泛的用于制作声表面波器件。然而，要达到声表面波器件的要求： 良好的 C 轴择优取向性、晶粒细小、表面光滑和高的电阻率，还得对氧化锌薄膜进行进一步的工艺处理。用氧化锌薄膜制成的声表面波器件有工作损耗低、传输损耗低、声电转换
3、效率高等优点。 （2）氧化锌压电薄膜特性。在声表面波器件中，声表面波的能量集中在压电基片的表面层内，该表面层内，该表面层的厚度为一个声表面波的波成。因此，可以不必用压电单晶或压电陶瓷作基片，只要用像玻璃那种无压电性的衬底，在上面覆盖厚度约为一个声波长的压电薄膜就可制作声表面波器件。 用于这一目的的压电薄膜，要求其特性与压电晶体同样优良，因此，采用有取向性的多晶压电薄膜或外延单晶压电薄膜。用上述薄膜制成声表面波器件。这样，在薄膜表面波器件中，压电薄膜和非压电衬底形成了多层结构，而声表面波传输特性，则由压电薄膜和衬底的特性共同决定。即使用同一种压电薄膜材料，当改变其薄膜厚度和衬底材料时，声表面波的
4、声速、器件的中心频率及延迟时间温度特性也随之改变。此外，声表面波的有效机电耦合系数也随换能器电极结构和压电薄膜的膜厚变化而变化；倘若选用最佳条件，其机电耦合系数可比压电单晶基片的还大，这就是很有意义的薄膜效应。 （3）声表面波传感技术特点。与电磁波相比较，声表面波具有极低的传播速度和极小的声波波长，比相应电磁波的传播速度的波长小十万倍。在 VHF 和 UHF 频段内，电磁波器件的尺寸与波长相比拟。同理，作为电磁器件的声学模拟声表面波器件，它的尺寸也是和信号的声波波长相比拟的。因此，声表面波器件尺寸比相应电磁波器件尺寸小很多，重量也大为减轻。因此能实现器件的微型化； 声表面波在固体浅表面传播、加
5、之传播速度慢，使得时变信号在给定瞬时内能够完全呈现在晶体基片表面，因此，当信号在器件的输入输出端传输时，容易对信号进行提取和处理。因此声表面波器件能以简单方式去完成一些繁复的信号处理功能。在很多情况下，声表面波器件的性能远远超过电磁波器件所能达到的最佳水平；声表面波器件可采用集成电路工艺制作，具有很好的一致性和重复性，易于批量生产。而且，当使用适当的单晶材料或者复合材料作为基片时，声表面波器件具有极高的温度稳定性；声表面波利用晶体表面的弹性振动，不涉及电子的迁移过程，因此，声表面波器件的抗福射能力强，动态范围很大。 三、氧化锌压电薄膜声表面波传感器的应用 （1）适用于 SOC 的氧化锌薄膜压电
6、微力传感器/执行器。随着国防、航天和民用工业的飞速发展，对传感器性能提出了越来越高的要求，主要体现为要求微型化、集成化和智能化，传统的传感器已经很难满足上述要求。为此，适用于 SOC 的微传感器/执行器应运而生适用于 SOC 的氧化锌薄膜压电微力传感器/执行器是指在一个芯片上集成 CMOS 处理电路和氧化锌薄膜 MEMS 压电微力传感器/执行器的集成芯片系统。由于集成了微处理电路，信号受外界干扰小，压电微力传感器的灵敏度和精度更高，而且能实现传感器的多功能化和智能化，是新型 SPM 和 SPM 型纳米高密度存储器研究的关键。 （2）悬臂梁式氧化锌薄膜压电微力传感器/执行器。1990 年Akam
7、ine 等首先报道制备用于扫描隧道显微镜 STM 的氧化锌薄膜压电微悬臂梁。压电微悬臂梁由两层氧化锌压电薄膜组成，每层压电薄膜分成两片，微悬臂梁可以实现向上、向下移动及扭转，移动距离小于 0.1 nm。为提高扫描速度，T.Itoh 等人研制微悬臂梁结构的压电微力传感器阵列，用于快速高精度的 SFM。采用外加激励的方式使压电微悬臂梁和样品表面接触，压电微悬臂梁测出接触力的大小，然后根据接触力大小，构建样品表面形貌。由于各微悬臂梁都可单独工作，极大的提高了 SFM 的扫描成像速度。压电微悬臂梁代替传统原子力显微镜的激光-探针-光敏检测器系统，简化 SPM 显微镜的结构。 （3）光学传感器上的应用。
8、光学陀螺仪是基于 Sagnac 效应，采用先进的集成光学技术研制的新型光学陀螺仪。光学陀螺仪的关键在于用频率调制来实现频率伺服，对主要误差进行有效抑制，实现高精度Sagnac 频差测量。Zno 声表面波声光移频器解决上述技术关键的一个集成光学核心器件。 （4）压力传感器。氧化锌薄膜对作用力具有较高的灵敏度，可以将作用力转换成输出的电信号或光信号。Chang， C.C.等人研制出可在高温下进行工作的氧化锌压力传感器。其电阻率与所受压力成线性关系，通过测量电阻率大小即可得知压力值。由于传感器灵敏度较高，通常用来测入口处气流的气压值。 （5）气敏传感器。氧化锌是一种表面控制型气敏材料，其表面积越大、颗粒越小，则气体吸附量越大，其对气体的灵敏度越高。根据之前的研究成果，用磁控溅射法制备的氧化锌压电薄膜对臭氧的灵敏度较高。同时，通过掺入不同金属或者涂覆金属催化层，都能提高其灵敏度和选择性。 （6）紫外光探测器。氧化锌材料具有高光电导特性。氧化锌的光反应包括产生电子空穴过程、氧吸收过程和光解吸过程。氧化锌压电薄膜在室温条件下可以产生较强的紫外受激辐射。浙江大学采用 PLD 法在 Si基底上研制出优良险能的氧化锌压电薄膜，通过磁控溅射法制备叉指状电极，在从 340nm-400nm 的波长连续光谱下，氧化锌压电薄膜光导型紫外探测器的光响应特性非常明显。
