Page 275 - 《应用声学》2025年第2期

第 44 卷 第 2 期 崔容等： 面向冶金流程智造的高温电磁微声识别芯片的研究与应用 535

芯片样品经过退火和升温阶段后，Ti/Al 双层 506 C 时，Ti/Al双层电极器件仍有信号，但是损耗
◦
电极反射栅的损耗变化过程如图7(a)所示。经过退 大幅增加。574 C时，其反射回波极低，频域几乎无
◦
火阶段，微声芯片的损耗有所降低，栅 5 回波的幅 响应，但时域信号在近处可识别。Ti/Al多层电极在
度相对于栅 1 的幅度降低，主要物理机制是温度升 550 C 时信号的反射回波就已经消失，时域信号难
◦
高导致铌酸锂基片的瑞利波传播损耗增大。回波 以辨认，根据频域的测量结果，可判断是 EMMA 芯
幅度在退火升温阶段有所增强，这主要是反射栅表 片的 IDT 断路。由此，Ti/Al 双层结构具有更高的
面的 Al 电极高温氧化成 Al 2 O 3 ，导致电极更重的质 器件耐受温度，且可在更高的环境温度下持续正常
量加载，增大了反射栅的反射率。升温阶段，回波 工作，其经历了两次退火，表面 Al 电极在首次退火
的整体损耗呈现逐渐增大的趋势，442 C 以下，损 中形成致密的 Al 2 O 3 薄膜，保护下层电极不受高温
◦
耗增大并不显著。直到 506 C 温度段，损耗明显增 环境影响。后续将对 Ti/Al 多层结构进行表面金属
◦
大，506 C 下持续 1 h，微声芯片的插入损耗增大约 老化研究，以实现耐高温性能的进一步提升。
◦
4 dB。569 C下，损耗急剧升高，1 h内器件损坏。损 -20 600
◦
耗大幅增加直至完全没有微声芯片的反射回波，时
域和频域均无响应。根据频域的测量结果，可判断 -30 500
是微声芯片的 IDT 断路。上述测量结果说明制备
-40 400
的微声标识芯片样品在 550 C 温度段可较长时间
◦
工作，超过569 C，器件仅能短时间工作。 ૯Ᏺ/dB -50 300 ພए/Ć
◦
对于Ti/Al多层电极，随着温度的升高，反射栅
之间的损耗差减小，如图7(b)所示，5 组栅在退火过 -60 200
ಕ1
程中的回波幅度基本一致。350 C 时，标识器进入 ಕ2
◦
ಕ3
老化阶段，雷达信号先略微增强后减弱，这是氧化 -70 ಕ4 100
ಕ5
阻抗变化导致阻抗不匹配的损耗增大，然后氧化层 ພए
加重，使反射率提高。500 C后，器件损耗增大但仍 -80 0 100 200 300 400 500 600 700 0
◦
可正常工作，直到芯片表面温度达到 500 C一个小 ᝮै൓஝
◦
(a) Ti/Alԥࡏႃౝ
时，器件损耗逐渐增加，直至损坏。值得注意的是，
-20 500
温度达到 500 C 时，峰的一致性仍较好，栅与栅之
◦
450
间的相对损耗差小于 1 dB，该反射栅设计有利于高 ಕ1
-30 ಕ2
温下的 EMMA 标识器远距离读取，证明其可以实 ಕ3 400
ಕ4
现 500 C 的耐受温度及工作温度。Ti/Al 多层电极 -40 ಕ5 350
◦
ພए
在退火升温的初始阶段中，Ti 金属会发生扩散与氧 300
化，从而形成 Ti/Al 合金 [17] ，但由于金属合金化进 ૯Ᏺ/dB -50 250 ພए/Ć
程并不稳定，因此难以在流程化生产中保持稳定的 200
-60
耐高温性能。 150
将上述两种结构的器件放入烘箱，测试其在 100
-70
不同工作温度下的响应，温度实际测量值为 25 C、 50
◦
350 C、506 C、550 C 和 574 C，利用上述系统 -80 0
◦
◦
◦
◦
0 100 200 300 400 500 600
测量的 EMMA 芯片的频域响应如图 8 所示。随着 ᝮै൓஝
温度的升高，频域响应 S11 的中心频率降低，每 (b) Ti/Alܳࡏႃౝ
个反射峰的时延增加，与铌酸锂的负频率温度系
图 7 退火和升温阶段微声芯片反射峰的损耗变化
数相匹配。同时，随着温度的升高，器件的时域 Fig. 7 Loss changes of reflection peaks during an-
反射峰的幅度降低，说明器件的插入损耗增大。 nealing and heating stages