柔性氮化铝基声表面波传感器研究新进展

研究背景

声表面波技术是六十年代末期才发展起来的一门新兴科学技术，它是声学和电子学相结合的一门边缘学科。由于声表面波的传播速度比电磁波慢十万倍，而且在它的传播路径上容易取样和进行处理，因此，用声表面波去模拟电子学的各种功能，能使电子器件实现超小型化和多功能化。具体来说，声表面波器件是利用声表面波激发、传递和探测来截取信号，从而实现谐振、滤波、延时、传感等信号处理的功能。

其中，声表面波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，具有诸如高灵敏度、低检测限（因为波的能量主要集中在表面）和无线无源检测等优点，在航天航空、智能工业、电力设备及湿度检测等方面有着广泛的应用。传统的声表面波器件是在单晶压电衬底上制备的，使得器件刚性强，不适合在柔性电子中应用。这严重限制了它们在下一代假肢、软机器人、个性化医疗系统和柔性印刷电路的弯曲或曲面上的应用。

研究创新

为了解决这些局限性，湖南大学机械学院段辉高教授团队于2020年在 ACS Applied Materials & Interfaces 期刊上发表名为 Ultrathin Glass-Based Flexible, Transparent, and Ultrasensitive Surface Acoustic Wave Humidity Sensor with ZnO Nanowires and Graphene Quantum Dots"的论文，研究利用氧化锌纳米线（NWs）和石墨烯量子点（GQDs）复合传感层，研制了一种柔性、透明、超灵敏的超薄玻璃基ZnO/玻璃表面声波（SAW）湿度传感器。开发的传感器显示出40.16 kHz/%RH的超高湿度灵敏度，并具有良好的稳定性和可重复性(文章信息：DOI: 10.1021/acsami.0c09962)。然而，基于氧化锌的SAW器件在极度的酸性和碱性环境以及高温环境中并不稳定，这抑制了其广泛的应用。相比之下，氮化铝薄膜具有更好的机械和化学稳定性以及更高的波传播速度，是应用于酸/碱和高温环境的高性能传感器的合适选择。

(a) H2O分子在复合传感层上的吸附机制示意图；(b) 基于ZnO NWs和GQDs的SAW传感器的制造过程示意图；(c) 封装在聚酰亚胺柔性PCB板上并安装在1毫米厚PET上的器件；(d) 用于湿度感应的测试系统示意图。

2021年11月底，MEMS领域国际著名学术期刊 Microsystems & Nanoengineering在线发表了段辉高教授团队关于基于柔性超薄玻璃的声表面波（SAW）传感器曲面传感监测研究成果。（文章信息：Flexible thin-film acoustic wave devices with off-axis bending characteristics for multisensing applications. Microsystems & Nanoengineering, 2021,7 (97).

最新进展

今年，其团队通过在柔性玻璃基板上沉积高质量的AlN薄膜，制备了AlN/玻璃柔性SAW器件，并利用耦合波动方程和边界条件法建立理论模型，对其复杂的普适性离轴弯曲应变的频率响应进行了系统的研究，如下图所示。得到了关于不同弯曲应变和离轴角的频率偏移的函数，结果与理论计算的结果一致。

柔性SAW器件弯曲变形和离轴弯曲理论分析示意图及应变测试系统

并且他们通过检测人的手腕在不同的离轴角上的弯曲和感应弯曲表面上的紫外光变化进行了概念验证，从而证明了该装置在多功能和柔性电子方面的巨大应用潜力。

基于柔性超薄玻璃的声表面波器件在人体手腕弯曲应变和离轴紫外探测方面的应用图

事实上，关于柔性AlN薄膜的制备，不仅可以在超薄柔性玻璃衬底上实现，也可以在石墨烯衬底上进行外延生长。西安电子科技大学郝跃院团队于2021年11月1日报道了一种新的扩散-吸附调节生长方法，用于在石墨烯上外延制备高质量、可转移的大尺寸柔性氮化铝薄膜。（文章信息：Growth mechanism on graphene-regulated high-quality epitaxy of flexible AlN film, CrystEngComm, 2021, 23(42):7406-7411. DOI: 10.1039/d1ce00988e）。他们通过调节石墨烯和AlN的结合，获得了高质量和可转移的AlN外延层。最后实现了RMS为 0.748 nm的柔性3×3 cm2AlN薄膜。

插入石墨烯缓冲层的蓝宝石衬底上制备柔性AlN薄膜的关键步骤示意图

石墨烯上外延AlN薄膜，被称为准范德瓦尔斯外延（QvdwE），该外延是一种“不对应”的外延方式，即外延层与衬底之间不是严格的晶格对应，因此可以利用界面弱的范德瓦尔斯力，缓解晶格失配造成的应力，降低缺陷密度，从而获得低应力、低缺陷密度的可剥离柔性AlN薄膜，以实现在如柔性声表面波传感器等多种新型器件上的广泛应用。

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