综述：聚合物基柔性SAW器件的材料、加工与应用研究进展
2023-08-21 06:55:29 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
研究人员针对基于聚合物的声表面波（SAW）器件的研究进展进行了综述分析，探讨了材料（聚合物和压电材料）及加工方面的挑战与最新发展，分析了聚合物衬底和压电薄膜的材料特性，介绍了柔性SAW器件在温度、机械、光和生物传感等领域的应用进展。
近年来，随着机器人、可穿戴设备和物联网（IoT）等领域的快速发展，人们对基于柔性聚合物的压电薄膜（特别是氧化锌（ZnO）和氮化铝（AlN））的研究兴趣显著增长。这些压电薄膜层状结构应用领域广泛（例如能量收集、生物传感、微流控、通信等）。其中，最有前景的平台之一是基于低成本、可回收或一次性聚合物衬底的压电声学薄膜器件，由于其高可靠性、可重复性、一致性、小尺寸和无线控制能力，已成为开发用于物联网和可穿戴设备的新型无线、全自动和数字化微系统的理想选择。
据麦姆斯咨询报道，近日，意大利萨伦托大学（University of Salento）研究人员针对基于聚合物的声表面波（SAW）器件的研究进展进行了综述分析，探讨了材料（聚合物和压电材料）及加工方面的挑战与最新发展，分析了聚合物衬底和压电薄膜的材料特性，介绍了柔性SAW器件在温度、机械、光和生物传感等领域的应用进展，以及该领域未来的发展趋势与潜在突破。该综述研究以“Recent Progress in Polymeric Flexible Surface Acoustic Wave Devices: Materials, Processing, and Applications”为题发表在Advanced Materials Technologies期刊上。
图1 聚合物基柔性SAW器件
用于聚合物基柔性SAW器件的材料
在聚合物衬底上开发薄膜SAW器件最常用的压电材料是ZnO和AlN。虽然有研究人员利用聚偏氟乙烯（PVDF）开发出了全有机SAW器件，不过该材料的研发仍在进行之中。
表1 用于聚合物基柔性SAW器件的压电材料对比
表2 用于柔性SAW器件的常见聚合物衬底对比
用于聚合物基SAW器件的压电材料加工
沉积ZnO和AlN薄膜的方法有多种，包括物理气相沉积（PVD）、脉冲激光沉积（PLD）、分子束外延（MBE）、化学气相沉积（CVD）等，不同的沉积工艺会导致不同的晶体质量、温度、成本和沉积速率。磁控溅射是物理气相沉积的一种，其具有简单、可重复性好、工作温度高、与MEMS工艺兼容等优点，是目前唯一用于在聚合物衬底上开发SAW器件的技术。
图2 a）磁控溅射沉积工艺图示；b、c）基于ZnO/PI和AlN/PEN的柔性SAW器件图示；d）沉积在PI上的ZnO的表征；f）沉积在PEN上的AlN的表征；j）PVDF压电薄膜的加工
聚合物基SAW器件的应用
聚合物基柔性SAW器件的发展为物联网和医疗保健领域带来了重大机遇。由于出色的一致性、低功耗、远程控制能力和对各种环境条件的敏感性，聚合物基柔性SAW器件成为低功耗传感和通信应用的理想解决方案。
声波速度的传播取决于温度，利用这种效应可以开发温度传感器。柔性聚合物SAW器件的发展为基于SAW的可穿戴和无线温度传感器铺平了道路。
图3 聚合物基柔性SAW器件用于可穿戴和无线温度传感器的相关研究
聚合物柔性衬底的使用不仅是对基于刚性衬底的电子产品的补充，也是一个关键和创新的研究领域，为各种应用打开了大门。特别是，聚合物基SAW器件的发展使得基于SAW的应变/弯曲传感器的开发成为可能，这是刚性衬底无法实现的。
图4 聚合物基柔性SAW器件用于机械传感器的相关研究
过度暴露于紫外线会导致癌症和其他疾病。开发基于柔性聚合物、低成本和无线的器件用于监测人员、材料和基础设施的紫外线暴露，对于MEMS和SAW器件来说是一个巨大的挑战和机遇。
图5 聚合物基柔性SAW器件用于紫外线探测器的相关研究
近年来，SAW传感器也被开发用于检测DNA以及DNA多态性。这些器件通常采用集成微流控系统，可以实时快速准确地检测各种分析物。SAW器件常用于检测和驱动目的，包括混合、温度控制和分类等。
图6 聚合物基柔性SAW器件用于生物传感器的相关研究
未来挑战与发展趋势
虽然聚合物基SAW器件在各种应用中具有广阔的潜力，但仍有一些发展难题需要解决。主要挑战之一是在衬底上沉积高结晶层和压电层，这对于实现高器件灵敏度和可靠性至关重要。此外，开发和研究新的聚合物材料对于提高聚合物SAW器件的性能和多功能性也至关重要。这些新材料需要与压电材料具有更好的兼容性以及改进的热性能和机械性能，以提高器件的耐用性和灵敏度。
作为替代方案，铝等薄金属箔由于高热阻、易于加工等特性，开始成为柔性SAW器件制造的可行选择。不过，金属箔存在一定的局限性，例如与聚合物相比，其成本高、阻抗低、不透明，此外金属箔可能无法制备可拉伸设备或传输高频L-SAW。尽管存在这些缺点，金属箔仍然可以为某些应用提供解决方案，研究人员也正在探索以克服其局限性。
关于PVDF，由于其低成本、易加工性以及出色的机械和电气性能，非常有望成为开发全有机和柔性/可拉伸SAW器件的颠覆性方案选择。除了PVDF，近期的研究还报道了纤维素和壳聚糖等生物聚合物的压电特性，这些材料具有生物相容性、可再生性和可生物降解性等独特性能，未来有望成为柔性和有机SAW器件的重要研究领域。虽然此类生物聚合物的压电性能低于合成聚合物，但其已在某些应用领域展现出前景，未来需要开展更多研究以充分挖掘其应用于SAW器件的潜力。
论文信息：https://doi.org/10.1002/admt.202300362
延伸阅读：