利于氣溶膠噴射打印技術(shù)制備高頻SAW溫度傳感器

聲表面波（SAW）器件是微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）的一個(gè)子類，其在受到電激勵(lì)時(shí)會(huì)產(chǎn)生聲波輻射。SAW器件還可以用作為探測(cè)器，將表面應(yīng)變轉(zhuǎn)換為可讀的電信號(hào)。SAW的物理特性取決于材料，同時(shí)受到溫度等外部因素的影響。通過(guò)監(jiān)測(cè)與溫度相關(guān)的散射參數(shù)，SAW器件可以作為溫度傳感器來(lái)測(cè)定襯底溫度。傳統(tǒng)的SAW傳感器制造通常采用人力和成本密集型的減材加工，并且會(huì)產(chǎn)生大量有害廢物。

氣溶膠噴射打印（AJP）作為一種新興的直接寫入技術(shù)，與噴墨打印（IJP）技術(shù)相比，可以提供更高的打印分辨率（可達(dá)10 μm）。得益于其高打印速度和靈活性，氣溶膠噴射打印已被證實(shí)可用于MEMS器件的快速成型制造。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，美國(guó)博伊西州立大學(xué)（Boise State University）、俄勒岡州立大學(xué)（Oregon State University）、愛(ài)達(dá)荷州國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（Idaho National Laboratory）、先進(jìn)能源研究中心（CAES）的研究人員利用一種創(chuàng)新的氣溶膠噴射打印機(jī)，將一致的、高分辨率的銀梳狀電極直接寫入Y形切割的鈮酸鋰（LiNbO?）襯底上。這種印刷的雙端口20 MHz SAW傳感器可作為溫度傳感器，在25°C~200°C的溫度范圍內(nèi)表現(xiàn)出優(yōu)異的線性度和可重復(fù)性。在脈沖回波模式和脈沖接收模式下，該SAW溫度傳感器的靈敏度分別為-96.9×10?? °C?1和-92.0×10?? °C?1。相關(guān)研究成果已發(fā)表于Microsystems & Nanoengineering期刊。

在這項(xiàng)研究工作中，研究人員利用氣溶膠噴射打印技術(shù)，將銀叉指換能器（IDT）沉積在Y形切割的SAW級(jí)鈮酸鋰襯底上，成功制備了20 MHz SAW溫度傳感器。研究過(guò)程包括：通過(guò)對(duì)銀油墨進(jìn)行全面研究，計(jì)算和監(jiān)測(cè)其關(guān)鍵流變特性，并明確打印機(jī)參數(shù)設(shè)置；使用相對(duì)較低的打印速度，在保持可接受的線邊質(zhì)量的同時(shí)實(shí)現(xiàn)單道覆蓋；基于雷諾數(shù)和現(xiàn)有的理論文獻(xiàn)，確定了打印機(jī)的適當(dāng)工作距離，有效地減少了制造過(guò)程中產(chǎn)生的過(guò)噴量；隨時(shí)間推移，對(duì)打印進(jìn)行監(jiān)測(cè)，以勾勒出理想的工藝窗口，并評(píng)估系統(tǒng)內(nèi)的儀器漂移；制作四點(diǎn)裝置來(lái)測(cè)試印刷薄膜的電學(xué)和結(jié)構(gòu)特性；最終，利用氣溶膠噴射打印制備出了雙端口20 MHz SAW溫度傳感器樣品。

SAW溫度傳感器的氣溶膠噴射打印工藝示意圖

氣溶膠噴射打印6小時(shí)過(guò)程中的儀器漂移和打印質(zhì)量評(píng)估

SAW溫度傳感器的設(shè)計(jì)和外形

研究人員通過(guò)測(cè)量25°C~200°C溫度范圍內(nèi)的S??和S??參數(shù)變化，對(duì)SAW溫度傳感器進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。該SAW溫度傳感器在脈沖回波模式和脈沖接收模式下的靈敏度分別為-96.9×10?? °C?1和-92.0×10?? °C?1。總體而言，脈沖回波模式下的測(cè)量重復(fù)性略好，因?yàn)槁晫W(xué)信號(hào)由接收器濾波，諧振峰值識(shí)別更準(zhǔn)確。不過(guò)，脈沖接收器模式下的線性度更好，S??數(shù)據(jù)顯示出更高的信噪比。

基于氣溶膠噴射打印的SAW器件表征和溫度響應(yīng)

總而言之，這項(xiàng)研究利用氣溶膠噴射打印技術(shù)，成功制備了雙端口20 MHz SAW溫度傳感器，該器件展現(xiàn)出優(yōu)異的靈敏度和線性度。該研究結(jié)果揭示了利用增材制造實(shí)現(xiàn)緊湊式高頻SAW溫度傳感器的可重復(fù)路徑。

審核編輯：劉清