《AlN/金剛石新型層狀複合結構上SAW高溫敏感特性研究》是依託上海交通大學，由韓韜擔任項目負責人的面上項目。
基本介紹
- 中文名：AlN/金剛石新型層狀複合結構上SAW高溫敏感特性研究
- 項目類別：面上項目
- 項目負責人：韓韜
- 依託單位：上海交通大學
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
高聲速、固有損耗低的氮化鋁（AlN）壓電薄膜具有作為耐高溫聲表面波感測器敏感材料的潛力。國際上這方面的研究剛剛起步，亟待在層狀複合界面結構器件的精確建模、高質量擇優取向AlN薄膜的高溫性能劣化機制以及寬溫度範圍內感測器溫度補償等基礎理論和關鍵技術方面取得進一步突破。本研究擬採用相對於參考狀態的Lagrangian坐標系，推導出包含電擾動項並適用於存在多場耦合的壓電介質的非線性電彈擾動方程。採用有限元結合微擾理論求解SAW感測器的應力應變分布以及諧振頻率、插損、阻抗等力學和電學輸出，用於多層複合結構感測器的模態選擇和參數最佳化。提出並製備一種具有無源溫度補償功能的新型AlN(IDT)/金剛石/AlN多層複合結構，實現在900℃穩定工作時間超過500小時的高溫敏感材料，並在800℃±100℃範圍內進行溫度補償，雙SAW諧振器差分輸出的頻偏小於60ppm.
結題摘要
本項目採用高聲速、固有損耗低的高擇優取向氮化鋁（AlN）壓電薄膜研製耐高溫聲表面波（SAW）感測器，在航空航天、石油勘探、能源化工以及冶金等領域具有良好的技術優勢和套用前景。 建立了有效計算層狀結構周期柵格陣邊界條件的SAW器件準三維模型，系統研究了多種AlN/襯底層狀結構上各類模態（主要是瑞利波和西沙瓦波）的相速度、機電耦合係數、頻率溫度係數等SAW特性；基於非線性電彈擾動方程，建立了溫度、應力偏場作用下的多層複合結構SAW諧振器的多物理場耦合模型。與文獻實驗數據對比，驗證了理論計算的正確性：在溫度範圍達1050oC時，頻率溫度特性的理論與實驗誤差仍小於3ppm/oC；利用濺射設備製備AlN/金剛石基片，表征分析了鈧（Sc）摻雜的氮化鋁ScAlN薄膜的結晶學性能、表面形貌、晶粒和粗糙面的形成機理，並最佳化設計了單連線埠SAW諧振器，首次實驗驗證了ScAlN材料常數的有效性；提出一種採用“氧化物薄膜填充在相鄰金屬電極間的溝槽中，而壓電薄膜澱積在平坦的氧化物薄膜頂層表面或電極和填充氧化物薄膜交替間隔組成的平坦表面”的新型三明治結構，克服了常規埋入式電極製備對工藝要求極高、不易製備高性能、取向好的氮化鋁薄膜的缺點，且具有溫補效果；提出一種仿生蜘蛛琴形感受器結構的聲表面波感測器增敏結構和寬溫度範圍溫度補償的壓力感測器結構。研製的感測器樣機耐溫已經達到900℃，較好地完成了本項目的所有研究目標。項目執行期間，受邀在超聲領域重要國際會議IEEE Ultrasonics Symposium上做大會邀請報告和擔任會議短期專題課程授課人各1次；在其他國際和國內會議上做邀請報告3次。獲得IEEE Ultrasonics Symposium最佳學生論文競賽入圍獎2次。培養博士研究生2人畢業，碩士研究生3人畢業。依託本項目的研究基礎，與感測器領域的企業合作獲得了國家自然科學基金聯合基金重點支持項目的資助，繼續深入研究耐高溫感測器，並推進其套用。
