传感器大作业

2.3 国内外发展现状水平及其技术发展趋势

柔性电子产品的发展现状：柔性电子产品相对常规电子产品具有很多优势，例如：高变形性、良好的适应性、紧凑的尺寸等获得了可观的收益。相关技术与应用得到了飞速发展，例如：软电子鱼、仿生耳、柔性纳米发电机和用于健康检测的可伸缩集成系统的开发。材料科学与纳米技术的进步，尤其是薄膜材料的发展，极大地推动了柔性电子领域的许多技术创新。

对SAW的评价：SAW设备以其吸引人的功能(例如无线无源操作、紧凑的尺寸、坚固性等)而闻名，并且已经广泛应用于诸如滤波器、微传感器、微流控等应用。SAW传感器难以控制多晶压电薄膜(例如ZnO和AlN的质量和厚度)生长在柔性基板上，从而影响传感器的稳定性和可重复性。此外，这些多层柔性SAW传感器的工作温度受柔性基板的工作温度的强烈影响或限制。某些柔性基板(例如PET和PI)在超过200°C的温度下不能很好地工作，极大地限制了传感器的应用。尤其是在高温恶劣的环境传感中。

对SAW现状的描述：最近，由于薄膜制造技术的飞速发展和薄膜基板的成功使用，声表面波器件已被认为使柔性电子产品的潜在选择。柔性SAW器件主要通过使用沉积在柔性基板上的压电薄膜来实现，这与在刚性基板上制造的那些常规SAW器件不同。

对传统SAW应变传感器的评价：传统的基于刚性基板的SAW应变传感器只能检测小于1000με的应变。

检测方法的现状介绍：许多研究人员进行了基于石英的单层和基于ZnO/玻璃的双层SAW应变传感器等的建模。

加工方法的现状：近年来，有一种被称为“智能切割”的晶体离子切片(CIS)方法备受关注。但是CIS方法需要大剂量离子注入才能从大块基板上切下薄膜，这会在薄膜中引起残余应力和晶体缺陷。而且，它限于亚微米薄膜的生产，因此需要用于薄膜装置的支撑晶片，该支撑晶片不适合于以柔性电子设备所需的微米尺度生产独立的TF-LN。

对LN-SAW的评价及其制造技术的评价：灵活的双模薄膜LN-SAW传感器已开发用于大范围应变传感。研磨技术用于获得厚度为50μm的高质量单晶TF-LN，该方法简单，成本低廉，并且可以在室温下实施。

3.1 结构方面是否有创新及其创新内容

1) 开发了由TF-LN制成的柔性SAW传感器，该传感器是通过研磨技术制成的，具有独立结构，出色的柔韧性和更好的压电性能。该柔性传感器可以检测高达±3000µε的应变，并具有138.8Hz/µε的高应变灵敏度。

2) SAW应变传感器具有双模式，即瑞利模式和厚度剪切模式。

3.2 加工方法、检测电路方面是否有特色，或者有创新

加工方法的创新：

1)采用The H Xu et al grinding研磨工艺，从而消除了双层柔性SAW传感器工作温度低的缺点。该研磨工艺也适用于薄高温压电材料，例如硅绿铁矿，从而消除了上述双层柔性SAW传感器工作温度低的缺点。

上图显示了制造TF-LN SAW器件的过程，从3英寸500µm128°Y切割LN晶圆开始，该晶圆经过双面抛光。晶片被粘合到130µm的紫外线(UV)膜上，该膜用作载体衬底以保护LN晶片不破裂。接下来，执行研磨工艺以将块状LN薄化为具有约50µm厚度的TF-LN。然后使用光刻和剥离工艺在TF-LN的顶部形成了铝电极(厚度为160nm)叉指式换能器(IDT)。为了获得独立的TF-LN SAW器件，将器件/UV薄膜暴露于UV光下30min以减弱UV膜与LN膜之间的粘合强度，然后将其浸入丙酮30min，然后在电炉上以105°烘烤，从UV膜释放器件

2) 通过微机械加工技术获得的128°Y形切割TF-LN(~50µm)被用作压电基板来制造。

3) 介绍了一种双模之间的拍频(the beat frequency)方法，该方法能够消除温度对应变传感的影响，即片上温度影响消除能力。

检测方法的创新：

1)由于没有用于SAW应变传感器的标准测试方法，因此用于金属应变仪的测试方法(ASTM标准E251)为我们的传感器校准提供了参考。这项工作中使用的应变装置如图2所示。使用带有两个夹具的拉伸实验台向SAW传感器施加拉伸或压缩应变。使用粘合剂(3M-CA40H)将传感器粘合到钢板上，并使用导电银浆将其电连接到柔性PCB上。为了提供应变参考，将金属应变仪固定在靠近传感器且平行于板轴的位置。为自动数据采集开发了基于LabVIEW的程序，该程序可以捕获Network Analyer测量的共振峰。

2) 数值建模可以更好地理解声表面波地传播特性，并有助于设计性能更好的传感器。这篇论文中，研发团队对TF-LN SAW传感器进行了数值建模，分析了几个独立因素对声表面波速度(共振频率)的影响，并推论出应变敏感性与声表面波传播对应变对准角的关系。表明最大应变敏感性是45°而不是纵向上。

3.3 采用材料、集成等方面相关创新内容

该论文的研发团队在各种柔性基板(包括对聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚酰亚胺(PI)和超薄玻璃)上开发的柔性声表面波器件。这些灵活的声表面波传感器具有出色的性能，其中一些甚至优于石英、LiNbO3和LiTaO3等大块材料。例如，柔性ZnO/PI SAW湿度传感器具有34.7 kHz / 10%RH高灵敏度，是刚性SAW传感器的三倍。柔性ZnO/PET Rayleigh / Lamb 应变传感器可以测量高达2500µε的宽应变范围，至少是在散装材料上制成的SAW传感器的五倍。此外，它们还具有双重共振模式，对于多变量感测，片上温度补偿以及非常简化的测量系统和分析而言，具有十分优异的性能。