灵活的声表面波器件与电影在聚合物基质

文摘

声表面波器件c-axis-oriented氮化铝(AlN)压电薄膜聚合物基质可能用于柔性传感器的发展,灵活的微流体应用,微系统和实验室芯片系统。在这个工作中,镍的电影已经成功地沉积在聚合物基质使用直流反应磁控溅射方法在室温下,XRD, SEM和AFM方法表明,沉积压力有利于高度较低c-axis-oriented电影在聚合物基质。研究对AlN薄薄膜的发展灵活的声表面波器件在聚合物基质启动和实验和模拟结果表明该设备显示的声波速度9000 - 10000 m / s,标明的兰姆波。

1。介绍

基于声表面波-(看到)的微流体设备不仅可以用于泵、混合,滴一代也为生物传感器和single-mechanism-based "应用程序(1]。现在,所有看到设备组装在硬基质而灵活的suah LiNbO₃(2),压电(PE)薄膜在硅晶片3,4,钻石5),阿尔₂O₃(6)等等。在柔性衬底上看到更便宜,可以轻易弯曲,适合便携式微流体的应用程序,如手腕医疗监视器。摘要看到设备与氮化铝(AlN)压电薄膜制造聚合物基质,和它的共振响应也调查了。

2。实验的细节

聚酰亚胺薄膜聚酰亚胺薄膜100 h (Dupont-Toray Inc .厚度250μ米)被选为柔性衬底上由于其优异的机械和电气性能,化学稳定性、宽工作温度范围(−269°C + 400°C)。是由一个自制的直流磁控溅射沉积系统。压力室的底部爸爸之前沉积。纯度为99.999%的铝(Al)目标和一个20毫米直径和水冷。目标和衬底之间的距离为70毫米。之前沉积镍的电影,一个下层是聚酰亚胺衬底上沉积过渡沉积压力为0.27 Pa和300 W的直流电源。AlN Al-coated聚酰亚胺衬底上沉积在一个N₂/ Ar的气氛。沉积的影响压力的性质的电影了。所有样品的沉积时间是一个小时,和基板没有故意加热。

的晶体结构和晶体取向的电影是由x射线衍射分析(xrd) - - - 6000年,日本)使用Cu-K_α辐射和扫描角。的程度检查了设在结晶半宽度(应用)(002)衍射峰。应变和微晶大小提取薄膜的x射线衍射数据的标准方法。应变计算从(7),是无应变晶格参数(4.979)和晶格常数等于平面间距的两倍测量的位置(002)峰使用布拉格方程。从Debye-Sherrer微晶尺寸计算公式(8]:,在那里微晶的平均形状系数的值为0.94,x射线波长(0.15406 nm为铜的目标),弧度的应用,布拉格角,平均衍射微晶尺寸正常的飞机。横向柱状结构观察,微电影是使用扫描电子显微镜(SEM)观察(S4800、日立、日本)。表面形态和均方根(rms)的薄膜的表面粗糙度测量的原子力显微镜(AFM) (spi - 3800 n、精工、日本)。

研究柔性基板上看到传播特性,两口的谐振器被设计和制造传统的远紫外线光刻和发射过程。铝作为电极的厚度150海里,每个传感器由10双踊跃参与。两个传感器之间的距离是10,看到波长是由IDT音高。光圈是80idt之间的距离和相邻卖空反射光栅设计为5.375确保在中心频率驻波的形成。频率特性是使用安捷伦8722 es网络分析仪。

3所示。结果与讨论

图1显示了x射线衍射模式的电影沉积在不同沉积压力。在数据1(一)和1(b),电影主要显示了XRD峰附近这对应于(002)晶体取向。结果表明,镍的晶体结构是垂直于聚合物基质有良好(002)取向。的半最大值宽度的大小比例(002)峰值为0.38 Pa为0.321°。晶粒尺寸是274 A和应变为0.4%。图2的扫描电子显微镜照相术的横断面结构的薄膜沉积在聚合物基质的沉积压力0.38 Pa。很明显,这部电影展示了一个整洁的安排和展品典型的面向(002)的柱状结构。零件表面粗糙度的表面形态和rms的AFM测量,如图3。与rms沉积压强的增加,表面粗糙度增加。流畅AlN沉积压力的电影获得0.38 Pa rms表面粗糙度为4.8海里。

两口的谐振器(图4)一直在编造的电影存放在一个N₂/ Ar流动比率1:2和0.38 Pa的压力。的薄膜谐振器的厚度1.23μm,应用0.321°和274的晶粒尺寸。两种类型的看到样品用不同波长的7.128制作的μ米和6μm,分别。看到设备的共振频率是由方程,在那里是中央的频率,声波的相速度声波的波长。

数据5(一个)和5 (b)目前测量年代₂₁装配式看见谐振器的光谱波长的7.128μ米和6μm,分别。测量的年代₂₁光谱像预期的那样采取Sinc函数的形式统一IDT看到设备(9]。声表面波谐振器的谐振频率与波长为7.128μm是1.355 GHz,对应的声波速度9658米/秒,而声表面波谐振器的谐振频率与波长的6μ转移到1.605 GHz,对应的声波速度9630米/秒,显示声波速度不受设备结构的影响。结果清楚地证明了压电效应的电影在聚合物基质。

确定共振频率是否通过PE效应,产生谐振器的频率响应建模了商业软件COMSOL多重物理量。模拟直径,厚度的踊跃参与,AlN电影,Al衬层和聚酰亚胺衬底一样使用设备和150海里,1.23μ100 m, 70海里,嗯,分别。数据6(一)和6 (b)显示的模拟结果与波长的谐振器7.128μ米和6μm,分别。自谐振频率最大的总存储能量,声表面波谐振器的波长为7.128μm 1.415 GHz的共振频率,相应的声波速度10086米/秒,这与波长的6μm 1.66 GHz的共振频率,相应的声波速度9960米/秒。实验结果与模拟结果吻合较好。

聚合物基板有一个非常低的声阻抗(2 Mrayls)比这小得多的层(36 Mrayls)。铝衬底提高机电耦合系数作为IDT电极之间的电场可以诱导和铝衬底(10]。此外,-axis-oriented薄电影相对较大的厚度约为,在那里是声波波长;因此,检测声波是对称的₀兰姆波理论上所附近的声波速度10000米/秒(11- - - - - -13在AlN]。实验结果的速度略小于模拟和理论结果,可能是由于缺陷的电影和减速效果的Al-coated聚酰亚胺基质。数据7(一)和7 (b)显示的模拟结果没有聚酰亚胺基质和艾尔。很明显,声表面波谐振器的谐振频率与波长为7.128μm是1.524 GHz,对应的声波速度10863米/秒,而声表面波谐振器的谐振频率与波长的6μ转移到1.81 GHz,对应10860 m / s的声波速度;都高于在看到Al-coated聚合物基质。这个结果表明,Al-coated聚酰亚胺基质会降低谐振频率由于低波速Al-coated聚酰亚胺衬底。

4所示。结论

在这个研究中,我们合成和特征的薄膜在杜邦聚酰亚胺薄膜由直流磁控反应溅射聚酰亚胺基质。XRD, SEM, AFM用于描述取向、横断面结构、表面形态和厚度的薄膜。结果表明,低沉积压力是有益的(002)取向。灵活substrate-based兰姆波谐振器制造。的实验和模拟结果表明设备的声波速度9000 - 10000 m / s,和聚酰亚胺衬底上沉积AlN电影是高质量的,和已经成功地显示了压电效应。

确认

这项工作是由中国国家自然科学基金(没有。61171038),研究国际青年科学家基金(没有。61150110485),中国浙江省自然科学基金(没有。Q12F010048)。

引用

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