聲表面波（SAW）器件是微機電系統（MEMS）的一個子類，其在受到電激勵時會產生聲波輻射。SAW器件還可以用作為探測器，將表面應變轉換為可讀的電信號。SAW的物理特性取決于材料，同時受到溫度等外部因素的影響。通過監測與溫度相關的散射參數，SAW器件可以作為溫度傳感器來測定襯底溫度。傳統的SAW傳感器制造通常采用人力和成本密集型的減材加工，并且會產生大量有害廢物。
氣溶膠噴射打印（AJP）作為一種新興的直接寫入技術，與噴墨打印（IJP）技術相比，可以提供更高的打印分辨率（可達10 μm）。得益于其高打印速度和靈活性，氣溶膠噴射打印已被證實可用于MEMS器件的快速成型制造。
據麥姆斯咨詢報道，近日，美國博伊西州立大學（Boise State University）、俄勒岡州立大學（Oregon State University）、愛達荷州國家實驗室（Idaho National Laboratory）、先進能源研究中心（CAES）的研究人員利用一種創新的氣溶膠噴射打印機，將一致的、高分辨率的銀梳狀電極直接寫入Y形切割的鈮酸鋰（LiNbO?）襯底上。這種印刷的雙端口20 MHz SAW傳感器可作為溫度傳感器，在25°C~200°C的溫度范圍內表現出優異的線性度和可重復性。在脈沖回波模式和脈沖接收模式下，該SAW溫度傳感器的靈敏度分別為-96.9×10?? °C?1和-92.0×10?? °C?1。相關研究成果已發表于Microsystems & Nanoengineering期刊。
在這項研究工作中，研究人員利用氣溶膠噴射打印技術，將銀叉指換能器（IDT）沉積在Y形切割的SAW級鈮酸鋰襯底上，成功制備了20 MHz SAW溫度傳感器。研究過程包括：通過對銀油墨進行全面研究，計算和監測其關鍵流變特性，并明確打印機參數設置；使用相對較低的打印速度，在保持可接受的線邊質量的同時實現單道覆蓋；基于雷諾數和現有的理論文獻，確定了打印機的適當工作距離，有效地減少了制造過程中產生的過噴量；隨時間推移，對打印進行監測，以勾勒出理想的工藝窗口，并評估系統內的儀器漂移；制作四點裝置來測試印刷薄膜的電學和結構特性；最終，利用氣溶膠噴射打印制備出了雙端口20 MHz SAW溫度傳感器樣品。
SAW溫度傳感器的氣溶膠噴射打印工藝示意圖
氣溶膠噴射打印6小時過程中的儀器漂移和打印質量評估
SAW溫度傳感器的設計和外形
研究人員通過測量25°C~200°C溫度范圍內的S??和S??參數變化，對SAW溫度傳感器進行了實驗驗證。該SAW溫度傳感器在脈沖回波模式和脈沖接收模式下的靈敏度分別為-96.9×10?? °C?1和-92.0×10?? °C?1。總體而言，脈沖回波模式下的測量重復性略好，因為聲學信號由接收器濾波，諧振峰值識別更準確。不過，脈沖接收器模式下的線性度更好，S??數據顯示出更高的信噪比。
基于氣溶膠噴射打印的SAW器件表征和溫度響應
總而言之，這項研究利用氣溶膠噴射打印技術，成功制備了雙端口20 MHz SAW溫度傳感器，該器件展現出優異的靈敏度和線性度。該研究結果揭示了利用增材制造實現緊湊式高頻SAW溫度傳感器的可重復路徑。
論文信息：
https://doi.org/10.1038/s41378-023-00492-5
延伸閱讀：
《聚合物增材制造（3D打印）技術及市場-2022版》
《3D打印和增材制造技術及市場-2022版》
《導電油墨技術及市場-2022版》
