声表面波（SAW）器件是微机电系统（MEMS）的一个子类，其在受到电激励时会产生声波辐射。SAW器件还可以用作为探测器，将表面应变转换为可读的电信号。SAW的物理特性取决于材料，同时受到温度等外部因素的影响。通过监测与温度相关的散射参数，SAW器件可以作为温度传感器来测定衬底温度。传统的SAW传感器制造通常采用人力和成本密集型的减材加工，并且会产生大量有害废物。
气溶胶喷射打印（AJP）作为一种新兴的直接写入技术，与喷墨打印（IJP）技术相比，可以提供更高的打印分辨率（可达10 μm）。得益于其高打印速度和灵活性，气溶胶喷射打印已被证实可用于MEMS器件的快速成型制造。
据麦姆斯咨询报道，近日，美国博伊西州立大学（Boise State University）、俄勒冈州立大学（Oregon State University）、爱达荷州国家实验室（Idaho National Laboratory）、先进能源研究中心（CAES）的研究人员利用一种创新的气溶胶喷射打印机，将一致的、高分辨率的银梳状电极直接写入Y形切割的铌酸锂（LiNbO₃）衬底上。这种印刷的双端口20 MHz SAW传感器可作为温度传感器，在25°C~200°C的温度范围内表现出优异的线性度和可重复性。在脉冲回波模式和脉冲接收模式下，该SAW温度传感器的灵敏度分别为-96.9×10⁻⁶ °C⁻¹和-92.0×10⁻⁶ °C⁻¹。相关研究成果已发表于Microsystems & Nanoengineering期刊。
在这项研究工作中，研究人员利用气溶胶喷射打印技术，将银叉指换能器（IDT）沉积在Y形切割的SAW级铌酸锂衬底上，成功制备了20 MHz SAW温度传感器。研究过程包括：通过对银油墨进行全面研究，计算和监测其关键流变特性，并明确打印机参数设置；使用相对较低的打印速度，在保持可接受的线边质量的同时实现单道覆盖；基于雷诺数和现有的理论文献，确定了打印机的适当工作距离，有效地减少了制造过程中产生的过喷量；随时间推移，对打印进行监测，以勾勒出理想的工艺窗口，并评估系统内的仪器漂移；制作四点装置来测试印刷薄膜的电学和结构特性；最终，利用气溶胶喷射打印制备出了双端口20 MHz SAW温度传感器样品。
SAW温度传感器的气溶胶喷射打印工艺示意图
气溶胶喷射打印6小时过程中的仪器漂移和打印质量评估
SAW温度传感器的设计和外形
研究人员通过测量25°C~200°C温度范围内的S₁₁和S₂₁参数变化，对SAW温度传感器进行了实验验证。该SAW温度传感器在脉冲回波模式和脉冲接收模式下的灵敏度分别为-96.9×10⁻⁶ °C⁻¹和-92.0×10⁻⁶ °C⁻¹。总体而言，脉冲回波模式下的测量重复性略好，因为声学信号由接收器滤波，谐振峰值识别更准确。不过，脉冲接收器模式下的线性度更好，S₂₁数据显示出更高的信噪比。
基于气溶胶喷射打印的SAW器件表征和温度响应
总而言之，这项研究利用气溶胶喷射打印技术，成功制备了双端口20 MHz SAW温度传感器，该器件展现出优异的灵敏度和线性度。该研究结果揭示了利用增材制造实现紧凑式高频SAW温度传感器的可重复路径。
论文信息：
https://doi.org/10.1038/s41378-023-00492-5
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