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聚合物基SAW器件在各種應(yīng)用中的潛力

MEMS ? 來源:MEMS ? 作者:MEMS ? 2023-09-07 09:30 ? 次閱讀

近年來,隨著機(jī)器人、可穿戴設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)IoT)等領(lǐng)域的快速發(fā)展,人們對(duì)基于柔性聚合物的壓電薄膜(特別是氧化鋅(ZnO)和氮化鋁(AlN))的研究興趣顯著增長。這些壓電薄膜層狀結(jié)構(gòu)應(yīng)用領(lǐng)域廣泛(例如能量收集、生物傳感、微流控、通信等)。其中,最有前景的平臺(tái)之一是基于低成本、可回收或一次性聚合物襯底的壓電聲學(xué)薄膜器件,由于其高可靠性、可重復(fù)性、一致性、小尺寸和無線控制能力,已成為開發(fā)用于物聯(lián)網(wǎng)和可穿戴設(shè)備的新型無線、全自動(dòng)和數(shù)字化微系統(tǒng)的理想選擇。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道,近日,意大利薩倫托大學(xué)(University of Salento)研究人員針對(duì)基于聚合物的聲表面波(SAW)器件的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述分析,探討了材料(聚合物和壓電材料)及加工方面的挑戰(zhàn)與最新發(fā)展,分析了聚合物襯底和壓電薄膜的材料特性,介紹了柔性SAW器件在溫度、機(jī)械、光和生物傳感等領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展,以及該領(lǐng)域未來的發(fā)展趨勢(shì)與潛在突破。該綜述研究以“Recent Progress in Polymeric Flexible Surface Acoustic Wave Devices: Materials, Processing, and Applications”為題發(fā)表在Advanced Materials Technologies期刊上。


圖1 聚合物基柔性SAW器件

用于聚合物基柔性SAW器件的材料

在聚合物襯底上開發(fā)薄膜SAW器件最常用的壓電材料是ZnO和AlN。雖然有研究人員利用聚偏氟乙烯(PVDF)開發(fā)出了全有機(jī)SAW器件,不過該材料的研發(fā)仍在進(jìn)行之中。

表1 用于聚合物基柔性SAW器件的壓電材料對(duì)比

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表2 用于柔性SAW器件的常見聚合物襯底對(duì)比

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用于聚合物基SAW器件的壓電材料加工

沉積ZnO和AlN薄膜的方法有多種,包括物理氣相沉積(PVD)、脈沖激光沉積(PLD)、分子束外延(MBE)、化學(xué)氣相沉積(CVD)等,不同的沉積工藝會(huì)導(dǎo)致不同的晶體質(zhì)量、溫度、成本和沉積速率。磁控濺射是物理氣相沉積的一種,其具有簡單、可重復(fù)性好、工作溫度高、與MEMS工藝兼容等優(yōu)點(diǎn),是目前唯一用于在聚合物襯底上開發(fā)SAW器件的技術(shù)。


圖2 a)磁控濺射沉積工藝圖示;b、c)基于ZnO/PI和AlN/PEN的柔性SAW器件圖示;d)沉積在PI上的ZnO的表征;f)沉積在PEN上的AlN的表征;j)PVDF壓電薄膜的加工

聚合物基SAW器件的應(yīng)用

聚合物基柔性SAW器件的發(fā)展為物聯(lián)網(wǎng)和醫(yī)療保健領(lǐng)域帶來了重大機(jī)遇。由于出色的一致性、低功耗、遠(yuǎn)程控制能力和對(duì)各種環(huán)境條件的敏感性,聚合物基柔性SAW器件成為低功耗傳感和通信應(yīng)用的理想解決方案。

聲波速度的傳播取決于溫度,利用這種效應(yīng)可以開發(fā)溫度傳感器。柔性聚合物SAW器件的發(fā)展為基于SAW的可穿戴和無線溫度傳感器鋪平了道路。

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圖3 聚合物基柔性SAW器件用于可穿戴和無線溫度傳感器的相關(guān)研究

聚合物柔性襯底的使用不僅是對(duì)基于剛性襯底的電子產(chǎn)品的補(bǔ)充,也是一個(gè)關(guān)鍵和創(chuàng)新的研究領(lǐng)域,為各種應(yīng)用打開了大門。特別是,聚合物基SAW器件的發(fā)展使得基于SAW的應(yīng)變/彎曲傳感器的開發(fā)成為可能,這是剛性襯底無法實(shí)現(xiàn)的。

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圖4 聚合物基柔性SAW器件用于機(jī)械傳感器的相關(guān)研究

過度暴露于紫外線會(huì)導(dǎo)致癌癥和其他疾病。開發(fā)基于柔性聚合物、低成本和無線的器件用于監(jiān)測(cè)人員、材料和基礎(chǔ)設(shè)施的紫外線暴露,對(duì)于MEMS和SAW器件來說是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。

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圖5 聚合物基柔性SAW器件用于紫外線探測(cè)器的相關(guān)研究

近年來,SAW傳感器也被開發(fā)用于檢測(cè)DNA以及DNA多態(tài)性。這些器件通常采用集成微流控系統(tǒng),可以實(shí)時(shí)快速準(zhǔn)確地檢測(cè)各種分析物。SAW器件常用于檢測(cè)和驅(qū)動(dòng)目的,包括混合、溫度控制和分類等。

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圖6 聚合物基柔性SAW器件用于生物傳感器的相關(guān)研究

未來挑戰(zhàn)與發(fā)展趨勢(shì)

雖然聚合物基SAW器件在各種應(yīng)用中具有廣闊的潛力,但仍有一些發(fā)展難題需要解決。主要挑戰(zhàn)之一是在襯底上沉積高結(jié)晶層和壓電層,這對(duì)于實(shí)現(xiàn)高器件靈敏度和可靠性至關(guān)重要。此外,開發(fā)和研究新的聚合物材料對(duì)于提高聚合物SAW器件的性能和多功能性也至關(guān)重要。這些新材料需要與壓電材料具有更好的兼容性以及改進(jìn)的熱性能和機(jī)械性能,以提高器件的耐用性和靈敏度。

作為替代方案,鋁等薄金屬箔由于高熱阻、易于加工等特性,開始成為柔性SAW器件制造的可行選擇。不過,金屬箔存在一定的局限性,例如與聚合物相比,其成本高、阻抗低、不透明,此外金屬箔可能無法制備可拉伸設(shè)備或傳輸高頻L-SAW。盡管存在這些缺點(diǎn),金屬箔仍然可以為某些應(yīng)用提供解決方案,研究人員也正在探索以克服其局限性。

關(guān)于PVDF,由于其低成本、易加工性以及出色的機(jī)械和電氣性能,非常有望成為開發(fā)全有機(jī)和柔性/可拉伸SAW器件的顛覆性方案選擇。除了PVDF,近期的研究還報(bào)道了纖維素和殼聚糖等生物聚合物的壓電特性,這些材料具有生物相容性、可再生性和可生物降解性等獨(dú)特性能,未來有望成為柔性和有機(jī)SAW器件的重要研究領(lǐng)域。雖然此類生物聚合物的壓電性能低于合成聚合物,但其已在某些應(yīng)用領(lǐng)域展現(xiàn)出前景,未來需要開展更多研究以充分挖掘其應(yīng)用于SAW器件的潛力。

審核編輯:彭菁

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原文標(biāo)題:綜述:聚合物基柔性SAW器件的材料、加工與應(yīng)用研究進(jìn)展

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