1مقدمه

MEMS های پیزو الکتریکی که در دمای بالا کار می کنند، به طور فزاینده ای در کاربردهایی مورد نیاز هستند که در آن باید حسگر الکتریکی مستقیم یا اجرا در شرایط حرارتی شدید انجام شود.از جمله سیستم های تبدیل انرژیدر چنین محیط هایی، دمای دستگاه اغلب بیش از 700 درجه سانتیگراد است.یک رژیم که محدودیت های مادی فناوری های سنتی MEMS مبتنی بر سیلیکون را به چالش می کشد.

دمای عملیاتی MEMS های سنتی اغلب به دلیل تخریب مواد ساختاری، شکست فلزی،و فشار ناشی از عدم تطابق ضریب انبساط حرارتی (CTE) بین لایه های کاربردی و بستر پشتیبانیدر حالی که سیستم های فیبر های ترکیبی MEMS® عملکرد بیش از 1000 درجه سانتیگراد را نشان داده اند، پیچیدگی و عدم مقیاس پذیری آنها مناسب بودن آنها را برای سیستم عامل های سنسور فشرده و یکپارچه محدود می کند.

نیوبات لیتیوم (LN) مزایای متعددی را برای کاربردهای پیزو الکتریکی با دمای بالا ارائه می دهد، از جمله دمای بالای کیوری (~ 1200 °C) ، اتصال قوی پیزو الکتریکی،و خواص عالی الکترو اپتیک و آکوست اوپتیکبه طور خاص، نیوبات لیتیوم استیکیومتریک (SLN) در مقایسه با نیوبات لیتیوم مشابه (CLN) ثبات حرارتی برتر را نشان می دهد.که از خال های لیتیوم رنج می برد و تخریب ناشی از نقص بیش از حدود 300 °Cاگرچه دستگاه های موج صوتی سطحی مبتنی بر درجه حرارت بالا (SAW) بر روی زیربناهای عمده به طور گسترده ای مورد مطالعه قرار گرفته اند،قابلیت زنده ماندن حرارتی پلتفرم های LN لایه نازک معلق که موج صوتی عمده (BAW) و دستگاه های موج Lamb را امکان پذیر می کنند هنوز به اندازه کافی مورد بررسی قرار نگرفته است..

ساختارهای معلق MEMS، اتصال الکترومکانیکی و محاصره صوتی بهتری را ارائه می دهند، اما به طور ذاتی در برابر استرس ترمومکانیکی، شکستگی،و سقوط در شرایط شدیدبنابراین درک محدودیت های حرارتی آنها برای توسعه MEMS با دمای بالا ضروری است.

2طراحی و ساخت دستگاه

دستگاه هایی که در این کار مورد بررسی قرار می گیرند، رزوناتورهای آکوستیک LN دارای فیلم نازک معلق هستند که برای پشتیبانی از حالت های امواج لوغ متماثل طراحی شده اند.رزوناتورها بر روی یک استیک چند لایه ای ساخته شده اند که از مقاومت بالا تشکیل شده استزیربنای سیلیکونی، یک لایه سیلیکون بی شکل قربانی، و یک فیلم LN استیکیومتریک X-cut 600 nm ضخیم.X-cut LN به دلیل استفاده گسترده از آن در MEMS و سیستم های فوتونیک و خواص الکترومکانیکی مطلوب آن انتخاب شده است.

پلاتین به دلیل نقطه ذوب و ثبات شیمیایی در دمای بالا به عنوان ماده الکترود استفاده می شود.یک لایه چسبندگی تیتانیوم نازک بین LN و Pt برای بهبود چسبندگی و کاهش لایه برداری فلز در طول چرخه حرارتی وارد می شودهندسه های رزوناتور شامل تغییرات در زاویه چرخش در هواپیما، پیکربندی لنگر،و طرح الکترود بین رقمی به منظور جلوگیری از تحریف نتایج مقاومت حرارتی به سمت یک طراحی واحد.

علاوه بر رزوناتورهای کاربردی، مقاومت های فلزی مار نیز بر روی همان بستر با استفاده از فلز سازی یکسان ساخته می شوند.این سازه ها امکان نظارت مستقیم بر مقاومت فلز را به عنوان تابع دمای گرمایش فراهم می کنند، ارائه بینش در تخریب فلزات و تاثیر آن بر عملکرد دستگاه.

3روش آزمایشی

مقاومت حرارتی با استفاده از یک پروتکل گرم کردن و مشخص کردن مرحله ای ارزیابی می شود. گرم کردن در شرایط خلاء انجام می شود تا اکسیداسیون به حداقل برسد.با نرخ گرمایش و خنک سازی کنترل شده برای سرکوب اثرات آتش سوزی در LNدمای اولیه گرمایش به 250 °C تنظیم می شود، و سپس چرخه های متوالی با افزایش دمای 50 °C دنبال می شود. هر مرحله گرمایش در دمای هدف برای 10 ساعت نگه داشته می شود.به جز بالاترین دمای، جایی که محدودیت های کوره نیاز به زمان های کوتاه تر است.

بعد از هر چرخه گرم کردن، دستگاه ها با استفاده از میکروسکوپی نوری برای ارزیابی یکپارچگی ساختاری، اندازه گیری های چهار نقطه ای برای ارزیابی مقاومت فلز،اندازه گیری های الکتریکی فرکانس رادیویی (RF) برای استخراج فرکانس رزونانس و عامل کیفیت (Q)، و تابش اشعه ایکس (XRD) برای بررسی کیفیت بلوری و تکامل سویه.

4نتایج و بحث

4.1 تکامل ساختاری

بازرسی نوری حداقل تغییرات قابل مشاهده را در غشای معلق LN تا حدود 400 درجه سانتیگراد نشان می دهد. فراتر از 500 درجه سانتیگراد، ترک های ناشی از استرس در مناطق معلق ظاهر می شود.اگرچه اکثر دستگاه ها از نظر مکانیکی سالم و فعال باقی می مانند. تا 550 درجه سانتیگراد، ترک ها به طور کلی به لنگرها گسترش نمی یابند و باعث سقوط فاجعه بار نمی شوند.

تخریب ساختاری شدید بین 600 °C و 750 °C رخ می دهد. در این محدوده دمایی، افزایش ترک، انحراف غشا، لامیناسیون LN و شکستگی لنگر مشاهده می شود.در حدود 700 درجه سانتیگراد، ترک ها ترجیحاً در امتداد جهت های کریستالوگرافی مرتبط با CTE سطح بالا و انرژی شکاف پایین تشکیل می شوند.این رفتار به عدم تطابق بزرگ CTE بین LN و بستر سیلیکون نسبت داده می شود، همراه با آنیزوتروپی ذاتی X-cut LN.

در 800 درجه سانتیگراد، آسیب متالیزه گسترده و شکست لنگر باعث می شود که رزوناتورها غیرفعال باشند.

4.2 تخریب متالیزاسیون

اندازه گیری مقاومت فلز نشان می دهد که کاهش اولیه در مقاومت پس از اولین چرخه گرمایش، احتمالا به دلیل رشد دانه و گرمایش نقص در فیلم Pt است.در دمای بالاتر، مقاومت به طور قابل توجهی افزایش می یابد، ایجاد حفره ها، تپه ها و قطعیت در لایه فلزی را نشان می دهد.

بالاتر از ۶۵۰ درجه سانتیگراد، فیلم های Pt نشان دهنده تخریب شدید، از جمله تشکیل منافذ و از دست دادن جزئی پیوستگی الکتریکی هستند.این تخریب به طور مستقیم به افزایش تلفات الکتریکی و شکست دستگاه منجر می شود.، حتی وقتی که غشا LN تا حدی سالم باقی بماند.

4.3 عملکرد صوتی

اندازه گیری های RF نشان می دهد که فرکانس های رزونانس به تدریج با افزایش دمای گرم کردن کاهش می یابد، سازگار با آرامش استرس ناشی از حرارتی و تغییرات در ثابت های لاستیک موثر.جالب است بدانید که فاکتور کیفیت چندین حالت رزونانس پس از گرم کردن در دمای بالا، به ویژه بالاتر از 700 درجه سانتیگراد افزایش می یابد.این بهبود به توزیع مجدد استرس و کاهش نشت انرژی صوتی در سازه های به طور جزئی ترک خورده یا تخفیف استرس نسبت داده می شود..

علیرغم این پیشرفت های عملکردی محلی، عملکرد کلی دستگاه به دلیل شکست فلزی کردن و شکستن لنگر، بیش از ۷۵۰ درجه سانتیگراد به شدت کاهش می یابد.

5مکانیزم های شکست

مکانیسم های شکست غالب شناسایی شده در این مطالعه عبارتند از:

1. عدم تطابق گسترش حرارتیبین LN، الکترود های فلزی و بستر سیلیکون، منجر به تجمع استرس و ترک شدن می شود.

2. شکاف کریستالوگرافی LN، به ویژه در امتداد هواپیماهای با انرژی شکستگی کم تحت فشار حرارتی بالا.

3. عدم ثبات فلزی، از جمله خشکی دانه ها، تشکیل خلا و از دست دادن رسانایی در فیلم های Pt.

4. تخریب لنگر، که باعث تضعیف پشتیبانی مکانیکی و تداوم الکتریکی می شود.

این مکانیسم ها به صورت همبستگی عمل می کنند تا حد حرارتی نهایی فیلم نازک معلق LN MEMS را تعریف کنند.

6نتیجه گیری

این کار نشان می دهد که رزوناتورهای آکوستیک لیتیوم نیوبات با فیلم نازک معلق می توانند در دمای گرم کردن تا 750 درجه سانتیگراد مقاومت کنند.که یکی از بالاترین محدودیت های مقاومت حرارتی برای سیستم عامل های پیزو الکتریکی مبتنی بر MEMS استاگرچه تخریب قابل توجهی در دمای بالا رخ می دهد،بقای دستگاه و عملکرد جزئی در چنین شرایط افراطی، پایداری LN استیکیومتریک را برای برنامه های MEMS با دمای بالا برجسته می کند..

بینش های حاصل از این مطالعه، دستورالعمل های عملی برای انتخاب مواد، طراحی فلزاتاسیون،و بهینه سازی ساختاری با هدف گسترش محدوده دمای عملیاتی دستگاه های تعلیق شده LNاین یافته ها راه هایی را برای استفاده از MEMS مبتنی بر LN در محیط های خشن و برای پیشرفت سیستم های فوتونیک، الکترو-اپتیک و آکوست-اپتیک با دمای بالا باز می کنند.