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式 (1)，其中 l r 表示测量的径向长度，Z(x) 表示测量
0 引言
取样长度内的轮廓。
∫ l r
声表面波 (Surface acoustic wave, SAW) 气体 R a = 1 |Z (x)| dx. (1)
传感器经过数十年的发展，已在工业、军事等领域得 l r 0
到了非常广泛的应用 [1] 。相对于其他种类的气体传 z
感器，SAW气体传感器具有灵敏度高、体积小、成本 R a x
低、容易实现智能化等独特优势 [2−3] 。SAW气体传
l r
感器的基本原理是通过器件表面吸附待测的气体，
从而引起声表面波的传播速度发生变化，速度的变 图 1 表面粗糙度轮廓幅度参数算术平均偏差
化导致振荡器的振荡频率发生改变，通过测量这个 Fig. 1 The arithmetic mean deviation of the sur-
变化量实现对待测气体的测量 [4−5] 。对于直接吸附 face roughness
气体的声表面波传感器来说，声表面波检测器表面 影响表面粗糙度的因素有很多，本文主要针对
的电极粗糙度问题不可忽略，其将直接影响声表面 退火温度变化对金属铝表面粗糙度的影响进行了
波检测器的吸附效率，进而影响传感器的灵敏度。 实验研究。退火是指一种金属热处理工艺，方法是
电极表面的粗糙度对 SAW 器件主要产生两方 将金属缓慢加热到一定温度，保持一段时间，然后以
面的影响：一方面，表面粗糙度的存在会导致声表面 一定的速度冷却。在SAW器件制备工艺中，退火在
波在传播时发生散射。通常声表面波散射发生在薄 镀膜工艺后进行。通过退火可以使晶粒再次生长进
膜粗糙的表面、薄膜的晶界处、薄膜与衬底的交界 而改变薄膜的粗糙度。退火过程中，随着退火温度
处，其中，薄膜粗糙的表面对散射的贡献最大，而散 的升高，晶粒尺寸变大，粗糙度随之增加，但退火温
射会使得声表面波的能量减少，进而使得 SAW 器 度达到一定程度后，虽然晶粒尺寸仍在增大，但薄
件的插入损耗变大 [6−8] ；另一方面，当 SAW 器件用 膜表面原子获得足够的能量迁移，填补空位、位错、
作传感器时，其电极表面的粗糙度会影响传感器的 空洞等缺陷使得薄膜表面变得平滑。为了研究退火
吸附效率。这是因为粗糙度的增加相当于增加表面 温度与粗糙度之间的关系，分别对 SAW 器件进行
的孔隙度，即表面积与体积的比就会变大，这样金属 200 C 和300 C 的退火处理，然后测量其表面粗糙
◦
◦
表面与吸附气体接触的面积增加，从而影响吸附效 度，由此研究退火温度对电极表面粗糙度的影响。
率。所以表面粗糙度的不同将直接影响声表面波检
测器的吸附效率，而吸附效率的变化则可能导致灵 2 声表面波检测器制备
敏度发生变化 [9−12] 。本文正是从表面粗糙度的影
沉积法制备薄膜的晶粒尺寸是决定粗糙度的
响因素出发，实验研究了声表面波加工工艺中退火
主要因素，晶粒生长的尺寸与其获得的能量有关，晶
温度对电极表面粗糙度的影响。
粒获得的能量越高，颗粒越大 [15] 。针对 SAW 器件
1 基本理论及方法 电极加工工艺中常用的溅射镀膜和热蒸发镀膜两
种镀膜方式，分别制备了的 SAW器件，如图 2 所示。
在声表面波检测器制备的镀膜工艺中，无论采 制备完成后，对电极的膜厚用原子力显微镜进行测
用什么镀膜方法及参数，金属的表面都会呈现凹凸
不平，镀膜方法和参数影响的是凹凸不平的程度，
评价金属电极凹凸不平程度的即为表面粗糙度 [13] 。
目前多以原子力显微镜 (Atomic force microscope,
AFM) 测量表面粗糙度，采用原子力显微镜测量表
面粗糙度时，描述表面粗糙度的主要参数有轮廓偏
离平均线的算术平均 R a ；在取样长度内，轮廓偏 (a) ີ࠱᪔ᒛ (b) བྷᗢԧ᪔ᒛ
离平均线的均方根值 R q ；轮廓取样长度内的最大
图 2 两种镀膜方式制备的 SAW 器件
峰 - 谷高度 R z 。国际普遍公认的、最常用的粗糙度
Fig. 2 SAW resonators obtained by sputtering
[14] ，R a 的定义如图1所示，其计算公式如
参数为R a and by E-beam evaporation
