聲表面波（SAW）無(wú)源無(wú)線溫度傳感器具有在封閉空間、受限空間和高速運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)等復(fù)雜場(chǎng)景監(jiān)測(cè)溫度的能力，同時(shí)具有可大規(guī)模布網(wǎng)、信息采集方便、免維護(hù)等優(yōu)勢(shì)，廣泛應(yīng)用于電力、鋼鐵、水泥化工等工業(yè)設(shè)備的在線溫度監(jiān)測(cè)。

SAW諧振器是SAW無(wú)源無(wú)線溫度傳感器的溫度敏感單元。GaN憑借優(yōu)異的壓電特性高溫穩(wěn)定性，在高溫傳感器領(lǐng)域獲得關(guān)注。

GaN SAW諧振器一般采用GaN薄膜制備，受薄膜與襯底間聲學(xué)損耗以及薄膜晶體品質(zhì)的限制，Q值通常低于2000，插入損耗高于5 dB。

GaN SAW諧振器的低Q值和高插損，導(dǎo)致難以基于其實(shí)現(xiàn)無(wú)源無(wú)線傳感，已報(bào)道的GaN SAW溫度傳感器均需導(dǎo)線連接諧振器與測(cè)試設(shè)備。

近日，中科院半導(dǎo)體研究所張韻研究員課題組采用GaN單晶代替GaN薄膜研發(fā)高Q值SAW諧振器，在聲電協(xié)同全波仿真的基礎(chǔ)上，對(duì)諧振器的晶向、長(zhǎng)寬比等器件參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，研制出性能可與傳統(tǒng)石英SAW諧振器相媲美的GaN SAW諧振器，諧振點(diǎn)（fr）處Q值4829、反諧振點(diǎn)（fa）處Q值6775，插入損耗1.03 dB。其fr、fa處Q值均為已報(bào)道的GaN單晶襯底基SAW諧振器的高值。此外，展示了基于GaN SAW諧振器的無(wú)源無(wú)線溫度傳感器，溫度范圍為21.6-120 °C，fr的溫度依賴系數(shù)（TCF）為-24.3 ppm/°C。

該工作直接驗(yàn)證了基于GaN SAW諧振器研發(fā)無(wú)源無(wú)線溫度傳感器的技術(shù)可行性。對(duì)后續(xù)通過(guò)進(jìn)一步提高基板、阻抗匹配元件的高溫耐受性，開(kāi)發(fā)諧振器高溫下Q值加固技術(shù)，從而研發(fā)更高溫度的SAW無(wú)源無(wú)線傳感器產(chǎn)品提供重要參考。

該文章以題為“Bulk GaN-based SAW resonators with high quality factors for wireless temperature sensor”發(fā)表在Journal of Semiconductors上。

圖1. GaN SAW諧振器 (a) S11、(b) S21曲線及導(dǎo)納的 (c) 幅度、(d) 相位曲線。

文章信息：

Bulk GaN-based SAW resonators with high quality factors for wireless temperature sensor

Hongrui Lv, Xianglong Shi, Yujie Ai, Zhe Liu, Defeng Lin, Lifang Jia, Zhe Cheng, Jie Yang, Yun Zhang

J. Semicond. 2022, 43(11): 114101 doi: 10.1088/1674-4926/43/11/114101

Full Text: http://www.jos.ac.cn/en/article/doi/10.1088/1674-4926/43/11/114101