1. บทนำ

MEMS แบบ Piezoelectric ที่ทำงานที่อุณหภูมิสูงขึ้นเป็นที่ต้องการมากขึ้นในการใช้งานที่ต้องทำการตรวจจับหรือกระตุ้นด้วยไฟฟ้าโดยตรงภายใต้สภาวะความร้อนที่รุนแรง รวมถึงระบบการแปลงพลังงาน การแปรรูปน้ำมันและก๊าซ เครื่องยนต์รถยนต์ และการขับเคลื่อนอากาศยาน ในสภาพแวดล้อมดังกล่าว อุณหภูมิของอุปกรณ์มักจะเกิน 700 °C ซึ่งเป็นระบบที่ท้าทายขีดจำกัดของวัสดุของเทคโนโลยี MEMS ที่ใช้ซิลิคอนแบบดั้งเดิม

อุณหภูมิการทำงานของ MEMS แบบดั้งเดิมมักถูกจำกัดด้วยการเสื่อมสภาพของวัสดุโครงสร้าง ความล้มเหลวของโลหะ และความเครียดที่เกิดจากความไม่ตรงกันของค่าสัมประสิทธิ์การขยายตัวทางความร้อน (CTE) ระหว่างชั้นการทำงานและพื้นผิวรองรับ แม้ว่าระบบ MEMS–ไฟเบอร์แบบไฮบริดจะแสดงให้เห็นการทำงานที่สูงกว่า 1000 °C แต่ความซับซ้อนและการขาดความสามารถในการปรับขนาดทำให้ไม่เหมาะสมสำหรับแพลตฟอร์มเซ็นเซอร์แบบรวมขนาดกะทัดรัด

ลิเธียมไนโอเบต (LN) มีข้อดีหลายประการสำหรับการใช้งาน piezoelectric ที่อุณหภูมิสูง รวมถึงอุณหภูมิคูรีสูง (~1200 °C) การจับคู่ piezoelectric ที่แข็งแกร่ง และคุณสมบัติทางไฟฟ้า-ออปติกและอะคูสโต-ออปติกที่ดีเยี่ยม โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ลิเธียมไนโอเบตแบบสโตอิโอเมตริก (SLN) แสดงให้เห็นถึงความเสถียรทางความร้อนที่เหนือกว่าเมื่อเทียบกับลิเธียมไนโอเบตแบบคอนกรูเอนต์ (CLN) ซึ่งต้องทนทุกข์ทรมานจากช่องว่างของลิเธียมและการเสื่อมสภาพที่เกิดจากข้อบกพร่องที่สูงกว่าประมาณ 300 °C แม้ว่าอุปกรณ์คลื่นเสียงพื้นผิว (SAW) ที่ใช้ LN ที่อุณหภูมิสูงบนพื้นผิวจำนวนมากได้รับการศึกษาอย่างกว้างขวาง แต่การรอดชีวิตจากความร้อนของแพลตฟอร์ม LN ฟิล์มบางแบบแขวน—ซึ่งช่วยให้อุปกรณ์คลื่นเสียงจำนวนมาก (BAW) และคลื่น Lamb—ยังไม่ได้รับการสำรวจอย่างเพียงพอ

โครงสร้าง MEMS แบบแขวนให้การจับคู่ทางไฟฟ้าเชิงกลและการกักกันเสียงที่ดีขึ้น แต่มีความเสี่ยงต่อความเครียดทางความร้อนเชิงกล การแตกหัก และการยุบตัวภายใต้สภาวะที่รุนแรง การทำความเข้าใจขีดจำกัดทางความร้อนจึงเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการพัฒนา MEMS ที่มีอุณหภูมิสูงที่เชื่อถือได้

2. การออกแบบและการผลิตอุปกรณ์

อุปกรณ์ที่ตรวจสอบในการทำงานนี้คือตัวสะท้อนเสียง LN ฟิล์มบางแบบแขวนที่ออกแบบมาเพื่อรองรับโหมดคลื่น Lamb แบบสมมาตร ตัวสะท้อนเสียงถูกผลิตขึ้นบนสแต็กหลายชั้นที่ประกอบด้วย พื้นผิวซิลิคอน ที่มีความต้านทานสูง ชั้นซิลิคอนอสัณฐานแบบเสียสละ และฟิล์ม LN แบบสโตอิโอเมตริกแบบ X-cut หนา 600 นาโนเมตร X-cut LN ถูกเลือกเนื่องจากการใช้งานอย่างแพร่หลายในระบบ MEMS และโฟโตนิกส์ และคุณสมบัติทางไฟฟ้าเชิงกลที่ดี

แพลตินัมถูกนำมาใช้เป็นวัสดุอิเล็กโทรดเนื่องจากมีจุดหลอมเหลวสูงและความเสถียรทางเคมีที่อุณหภูมิสูง ชั้นยึดเกาะไทเทเนียมบางๆ ถูกนำมาใช้ระหว่าง LN และ Pt เพื่อปรับปรุงการยึดเกาะและลดการหลุดลอกของโลหะในระหว่างการหมุนเวียนความร้อน รูปทรงเรโซเนเตอร์ประกอบด้วยรูปแบบต่างๆ ในมุมการหมุนในระนาบ การกำหนดค่าจุดยึด และรูปแบบอิเล็กโทรดแบบอินเตอร์ดิจิตอล เพื่อหลีกเลี่ยงการเอนเอียงผลลัพธ์ความทนทานต่อความร้อนไปสู่การออกแบบเดียว

นอกเหนือจากตัวสะท้อนเสียงที่ใช้งานได้แล้ว ตัวต้านทานโลหะแบบงูยังถูกผลิตขึ้นบนพื้นผิวเดียวกันโดยใช้โลหะแบบเดียวกัน โครงสร้างเหล่านี้ช่วยให้สามารถตรวจสอบความต้านทานของโลหะได้โดยตรงตามฟังก์ชันของอุณหภูมิการอบ ซึ่งให้ข้อมูลเชิงลึกเกี่ยวกับการเสื่อมสภาพของโลหะและการส่งผลกระทบต่อประสิทธิภาพของอุปกรณ์

3. ระเบียบวิธีทดลอง

ความทนทานต่อความร้อนถูกประเมินโดยใช้โปรโตคอลการอบและการจำแนกคุณสมบัติแบบเป็นขั้นตอน การอบจะดำเนินการภายใต้สภาวะสุญญากาศเพื่อลดการเกิดออกซิเดชัน โดยมีอัตราการให้ความร้อนและการทำความเย็นที่ควบคุมเพื่อระงับผลกระทบจากไพโรอิเล็กทริกใน LN อุณหภูมิการอบเริ่มต้นถูกตั้งไว้ที่ 250 °C ตามด้วยรอบต่อเนื่องโดยมีอุณหภูมิเพิ่มขึ้น 50 °C แต่ละขั้นตอนการอบจะถูกเก็บไว้ที่อุณหภูมิเป้าหมายเป็นเวลา 10 ชั่วโมง ยกเว้นอุณหภูมิที่สูงที่สุด ซึ่งข้อจำกัดของเตาหลอมต้องใช้เวลาพักที่สั้นกว่า

หลังจากแต่ละรอบการอบ อุปกรณ์จะถูกจำแนกคุณสมบัติโดยใช้กล้องจุลทรรศน์แบบออปติคัลเพื่อประเมินความสมบูรณ์ของโครงสร้าง การวัดโพรบสี่จุดเพื่อประเมินความต้านทานของโลหะ การวัดทางไฟฟ้าความถี่วิทยุ (RF) เพื่อดึงความถี่เรโซแนนซ์และค่าคุณภาพ (Q) และการเลี้ยวเบนของรังสีเอกซ์ (XRD) เพื่อตรวจสอบคุณภาพของคริสตัลและการวิวัฒนาการของความเครียด

4. ผลลัพธ์และการอภิปราย

4.1 วิวัฒนาการโครงสร้าง

การตรวจสอบด้วยสายตาเผยให้เห็นการเปลี่ยนแปลงที่มองเห็นได้น้อยที่สุดในเมมเบรน LN แบบแขวนจนถึงประมาณ 400 °C เกิน 500 °C รอยแตกที่เกิดจากความเครียดเริ่มปรากฏขึ้นภายในบริเวณที่ถูกระงับ แม้ว่าอุปกรณ์ส่วนใหญ่ยังคงสภาพสมบูรณ์ทางกลไกและใช้งานได้ จนถึง 550 °C รอยแตกโดยทั่วไปจะไม่แพร่กระจายไปยังจุดยึดหรือทำให้เกิดการล่มสลายอย่างหายนะ

การเสื่อมสภาพของโครงสร้างอย่างรุนแรงเกิดขึ้นระหว่าง 600 °C และ 750 °C ในช่วงอุณหภูมินี้ พบรอยแตกที่เพิ่มขึ้น การบิดเบือนของเมมเบรน การหลุดลอกของ LN และการแตกหักของจุดยึด ที่ประมาณ 700 °C รอยแตกจะก่อตัวตามทิศทางผลึกที่เกี่ยวข้องกับ CTE ในระนาบสูงและพลังงานการแตกตัวต่ำ พฤติกรรมนี้เกิดจากความไม่ตรงกันของ CTE ขนาดใหญ่ระหว่าง LN และพื้นผิวซิลิคอน รวมกับความไม่สมมาตรโดยธรรมชาติของ X-cut LN

ที่ 800 °C ความเสียหายของโลหะอย่างกว้างขวางและความล้มเหลวของจุดยึดทำให้อุปกรณ์สะท้อนเสียงไม่ทำงาน

4.2 การเสื่อมสภาพของโลหะ

การวัดความต้านทานของโลหะบ่งชี้ว่าความต้านทานลดลงในตอนแรกหลังจากรอบการอบครั้งแรก ซึ่งน่าจะเกิดจากการเติบโตของเกรนและการอบข้อบกพร่องในฟิล์ม Pt อย่างไรก็ตาม ที่อุณหภูมิสูงขึ้น ความต้านทานจะเพิ่มขึ้นอย่างมาก ซึ่งส่งสัญญาณถึงการก่อตัวของช่องว่าง เนินเขา และความไม่ต่อเนื่องในชั้นโลหะ

เหนือ 650 °C ฟิล์ม Pt แสดงให้เห็นถึงการเสื่อมสภาพที่เด่นชัด รวมถึงการก่อตัวของรูพรุนและการสูญเสียความต่อเนื่องทางไฟฟ้าบางส่วน การเสื่อมสภาพนี้มีส่วนช่วยโดยตรงในการเพิ่มการสูญเสียทางไฟฟ้าและความล้มเหลวของอุปกรณ์ในที่สุด แม้ว่าเมมเบรน LN จะยังคงสภาพสมบูรณ์บางส่วน

4.3 ประสิทธิภาพอะคูสติก

การวัด RF แสดงให้เห็นว่าความถี่เรโซแนนซ์ลดลงอย่างค่อยเป็นค่อยไปเมื่ออุณหภูมิการอบเพิ่มขึ้น ซึ่งสอดคล้องกับการคลายความเครียดที่เกิดจากความร้อนและการเปลี่ยนแปลงค่าคงที่ยืดหยุ่นที่มีประสิทธิภาพ ที่น่าสนใจคือ ค่าคุณภาพของโหมดเรโซแนนซ์หลายโหมดเพิ่มขึ้นหลังจากอบที่อุณหภูมิสูง โดยเฉพาะอย่างยิ่งเหนือ 700 °C การปรับปรุงนี้เกิดจากการกระจายความเครียดใหม่และการรั่วไหลของพลังงานเสียงที่ลดลงในโครงสร้างที่แตกหรือคลายความเครียดบางส่วน

แม้จะมีการปรับปรุงประสิทธิภาพในท้องถิ่นเหล่านี้ แต่การทำงานของอุปกรณ์โดยรวมลดลงอย่างรวดเร็วเกิน 750 °C เนื่องจากการล้มเหลวของโลหะและการแตกหักของจุดยึด

5. กลไกความล้มเหลว

กลไกความล้มเหลวที่โดดเด่นที่ระบุในการศึกษานี้ ได้แก่:

1. ความไม่ตรงกันของการขยายตัวทางความร้อน ระหว่าง LN, อิเล็กโทรดโลหะ และพื้นผิวซิลิคอน ซึ่งนำไปสู่การสะสมความเครียดและการแตกร้าว

2. การแตกตัวของผลึกของ LN โดยเฉพาะอย่างยิ่งตามระนาบที่มีพลังงานการแตกหักต่ำภายใต้ความเครียดจากความร้อนสูง

3. ความไม่เสถียรของโลหะ รวมถึงการหยาบของเกรน การก่อตัวของช่องว่าง และการสูญเสียการนำไฟฟ้าในฟิล์ม Pt

4. การเสื่อมสภาพของจุดยึด ซึ่งประนีประนอมการรองรับทางกลไกและความต่อเนื่องทางไฟฟ้า

กลไกเหล่านี้ทำงานร่วมกันเพื่อกำหนดขีดจำกัดความร้อนสูงสุดของ MEMS LN ฟิล์มบางแบบแขวน

6. บทสรุป

งานนี้แสดงให้เห็นว่าตัวสะท้อนเสียงลิเธียมไนโอเบตฟิล์มบางแบบแขวนสามารถทนต่ออุณหภูมิการอบได้สูงถึง 750 °C ซึ่งเป็นหนึ่งในขีดจำกัดความทนทานต่อความร้อนที่ได้รับการยืนยันสูงสุดสำหรับแพลตฟอร์ม piezoelectric ที่ใช้ MEMS เท่านั้น แม้ว่าการเสื่อมสภาพอย่างมีนัยสำคัญจะเกิดขึ้นที่อุณหภูมิสูง แต่การรอดชีวิตของอุปกรณ์และการทำงานบางส่วนในสภาวะที่รุนแรงดังกล่าวเน้นย้ำถึงความแข็งแกร่งของ LN แบบสโตอิโอเมตริกสำหรับการใช้งาน MEMS ที่มีอุณหภูมิสูง

ข้อมูลเชิงลึกที่ได้รับจากการศึกษานี้ให้แนวทางปฏิบัติสำหรับการเลือกวัสดุ การออกแบบโลหะ และการเพิ่มประสิทธิภาพโครงสร้าง โดยมีเป้าหมายเพื่อขยายช่วงอุณหภูมิการทำงานของอุปกรณ์ LN แบบแขวน ผลการวิจัยเหล่านี้เปิดช่องทางสำหรับการปรับใช้ MEMS ที่ใช้ LN ในสภาพแวดล้อมที่รุนแรง และสำหรับการพัฒนา photonic, electro-optic และ acousto-optic systems ที่มีอุณหภูมิสูง