近年來，隨著機(jī)器人、可穿戴設(shè)備和物聯(lián)網(wǎng)（IoT）等領(lǐng)域的快速發(fā)展，人們對基于柔性聚合物的壓電薄膜（特別是氧化鋅（ZnO）和氮化鋁（AlN））的研究興趣顯著增長。這些壓電薄膜層狀結(jié)構(gòu)應(yīng)用領(lǐng)域廣泛（例如能量收集、生物傳感、微流控、通信等）。其中，最有前景的平臺之一是基于低成本、可回收或一次性聚合物襯底的壓電聲學(xué)薄膜器件，由于其高可靠性、可重復(fù)性、一致性、小尺寸和無線控制能力，已成為開發(fā)用于物聯(lián)網(wǎng)和可穿戴設(shè)備的新型無線、全自動和數(shù)字化微系統(tǒng)的理想選擇。

據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，意大利薩倫托大學(xué)（University of Salento）研究人員針對基于聚合物的聲表面波（SAW）器件的研究進(jìn)展進(jìn)行了綜述分析，探討了材料（聚合物和壓電材料）及加工方面的挑戰(zhàn)與最新發(fā)展，分析了聚合物襯底和壓電薄膜的材料特性，介紹了柔性SAW器件在溫度、機(jī)械、光和生物傳感等領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)展，以及該領(lǐng)域未來的發(fā)展趨勢與潛在突破。該綜述研究以“Recent Progress in Polymeric Flexible Surface Acoustic Wave Devices: Materials, Processing, and Applications”為題發(fā)表在Advanced Materials Technologies期刊上。

圖1 聚合物基柔性SAW器件

用于聚合物基柔性SAW器件的材料

在聚合物襯底上開發(fā)薄膜SAW器件最常用的壓電材料是ZnO和AlN。雖然有研究人員利用聚偏氟乙烯（PVDF）開發(fā)出了全有機(jī)SAW器件，不過該材料的研發(fā)仍在進(jìn)行之中。

表1 用于聚合物基柔性SAW器件的壓電材料對比

表2 用于柔性SAW器件的常見聚合物襯底對比

用于聚合物基SAW器件的壓電材料加工

沉積ZnO和AlN薄膜的方法有多種，包括物理氣相沉積（PVD）、脈沖激光沉積（PLD）、分子束外延（MBE）、化學(xué)氣相沉積（CVD）等，不同的沉積工藝會導(dǎo)致不同的晶體質(zhì)量、溫度、成本和沉積速率。磁控濺射是物理氣相沉積的一種，其具有簡單、可重復(fù)性好、工作溫度高、與MEMS工藝兼容等優(yōu)點(diǎn)，是目前唯一用于在聚合物襯底上開發(fā)SAW器件的技術(shù)。

圖2 a）磁控濺射沉積工藝圖示；b、c）基于ZnO/PI和AlN/PEN的柔性SAW器件圖示；d）沉積在PI上的ZnO的表征；f）沉積在PEN上的AlN的表征；j）PVDF壓電薄膜的加工

聚合物基SAW器件的應(yīng)用

聚合物基柔性SAW器件的發(fā)展為物聯(lián)網(wǎng)和醫(yī)療保健領(lǐng)域帶來了重大機(jī)遇。由于出色的一致性、低功耗、遠(yuǎn)程控制能力和對各種環(huán)境條件的敏感性，聚合物基柔性SAW器件成為低功耗傳感和通信應(yīng)用的理想解決方案。

聲波速度的傳播取決于溫度，利用這種效應(yīng)可以開發(fā)溫度傳感器。柔性聚合物SAW器件的發(fā)展為基于SAW的可穿戴和無線溫度傳感器鋪平了道路。

圖3 聚合物基柔性SAW器件用于可穿戴和無線溫度傳感器的相關(guān)研究

聚合物柔性襯底的使用不僅是對基于剛性襯底的電子產(chǎn)品的補(bǔ)充，也是一個關(guān)鍵和創(chuàng)新的研究領(lǐng)域，為各種應(yīng)用打開了大門。特別是，聚合物基SAW器件的發(fā)展使得基于SAW的應(yīng)變/彎曲傳感器的開發(fā)成為可能，這是剛性襯底無法實(shí)現(xiàn)的。

圖4 聚合物基柔性SAW器件用于機(jī)械傳感器的相關(guān)研究

過度暴露于紫外線會導(dǎo)致癌癥和其他疾病。開發(fā)基于柔性聚合物、低成本和無線的器件用于監(jiān)測人員、材料和基礎(chǔ)設(shè)施的紫外線暴露，對于MEMS和SAW器件來說是一個巨大的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。

圖5 聚合物基柔性SAW器件用于紫外線探測器的相關(guān)研究

近年來，SAW傳感器也被開發(fā)用于檢測DNA以及DNA多態(tài)性。這些器件通常采用集成微流控系統(tǒng)，可以實(shí)時快速準(zhǔn)確地檢測各種分析物。SAW器件常用于檢測和驅(qū)動目的，包括混合、溫度控制和分類等。

圖6 聚合物基柔性SAW器件用于生物傳感器的相關(guān)研究

未來挑戰(zhàn)與發(fā)展趨勢

雖然聚合物基SAW器件在各種應(yīng)用中具有廣闊的潛力，但仍有一些發(fā)展難題需要解決。主要挑戰(zhàn)之一是在襯底上沉積高結(jié)晶層和壓電層，這對于實(shí)現(xiàn)高器件靈敏度和可靠性至關(guān)重要。此外，開發(fā)和研究新的聚合物材料對于提高聚合物SAW器件的性能和多功能性也至關(guān)重要。這些新材料需要與壓電材料具有更好的兼容性以及改進(jìn)的熱性能和機(jī)械性能，以提高器件的耐用性和靈敏度。

作為替代方案，鋁等薄金屬箔由于高熱阻、易于加工等特性，開始成為柔性SAW器件制造的可行選擇。不過，金屬箔存在一定的局限性，例如與聚合物相比，其成本高、阻抗低、不透明，此外金屬箔可能無法制備可拉伸設(shè)備或傳輸高頻L-SAW。盡管存在這些缺點(diǎn)，金屬箔仍然可以為某些應(yīng)用提供解決方案，研究人員也正在探索以克服其局限性。

關(guān)于PVDF，由于其低成本、易加工性以及出色的機(jī)械和電氣性能，非常有望成為開發(fā)全有機(jī)和柔性/可拉伸SAW器件的顛覆性方案選擇。除了PVDF，近期的研究還報道了纖維素和殼聚糖等生物聚合物的壓電特性，這些材料具有生物相容性、可再生性和可生物降解性等獨(dú)特性能，未來有望成為柔性和有機(jī)SAW器件的重要研究領(lǐng)域。雖然此類生物聚合物的壓電性能低于合成聚合物，但其已在某些應(yīng)用領(lǐng)域展現(xiàn)出前景，未來需要開展更多研究以充分挖掘其應(yīng)用于SAW器件的潛力。

審核編輯：彭菁