Desenvolvimento de um dispositivo SAW à base de niobato de potássio

Abstract

Um dispositivo de ondas acústicas de superfície (SAW) é constituído basicamente, por uma superfície piezoelétrica que converte energia elétrica numa deformação com forma de onda acústica, através de pares de transdutores interdigitados (IDT) que permitem a entrada e a saída do sinal elétrico no dispositivo. Atualmente estes dispositivos são produzidos à base de materiais ricos em chumbo, niobato de lítio, quartzo entre outros materiais piezoelétricos, e a sua principal limitação é a operação a elevadas temperaturas, os métodos de comunicação entre o emissor-sensor e o sensor-recetor, devido às baixas frequências de emissão destes dispositivos. Este trabalho tem em vista o fabrico de um dispositivo de ondas acústicas de superfície, no qual a superfície piezoelétrica será de Niobato de Potássio (KNbO3), para aplicação como sensor de temperatura. Estes dispositivos foram obtidos pela deposição de filmes finos de KNbO3 obtidos pelo método sol-gel, depositados por spin-coating e tratados por tratamentos térmicos convencionais e por rapid termal annealing (RTA). O tratamento térmico mais promissor consistiu na pirólise a 300 °C durante 15 min, aplicado a camada após camada e seguido de um aquecimento a 700°C durante 30 min, com taxa de aquecimento de 5°C/min. As espessuras dos filmes, depositados em substratos de PT/TiO2/SiO2/Si com 1 cm2, estão compreendidas entre os 200 e os 500 nm, os filmes obtidos foram caracterizados do ponto de vista estrutural, microestrutura e elétrico. Sobre alguns destes filmes foram depositados os IDT’s por fotolitografia, na Universidade Nova de Lisboa. Seguiu-se o passo de caraterização elétrica ao dispositivo para a determinação dos parâmetros S11 e S12, que nos permite calcular o K2 e a velocidade de propagação de onda no dispositivo. O projeto foi realizado no Departamento de Engenharia de Materiais e Cerâmica (DEMAC) da Universidade de Aveiro, em parceria com o Instituto de Telecomunicações também da Universidade de Aveiro (IT/UA).

A SAW device basically consists on a piezoelectric surface that converts electrical energy into an acoustic waveform deformation through pairs of IDT’s that allow the input and output of the electrical signal on the device. Currently these devices are produced from materials rich in lead, lithium niobate, quartz and other piezoelectric materials, and their main limitation is working at high temperatures, the methods of communication between the emitter sensor and the sensor receiver, due to the low emission frequencies of these devices. This work aims to manufacture a surface acoustic wave device, in which the piezoelectric surface will be Potassium Niobate (KNbO3), for application as a temperature sensor. These devices were obtained by the deposition of thin potassium niobate films prepared by spin-coating of solgel and treated by conventional heat treatment and rapid annealing (RTA). The most promising heat treatment was pyrolysis at 300 °C for 15 min, layer after layer and then heating at 700 °C for 30 min, with a heating rate of 5 ° C / min. The films were characterized to ensure a potassium niobate perovskite structure and a morphologically homogeneous surface with minimal roughness. The thicknesses of the obtained films deposited on 1 cm2 Pt / TiO2 / SiO2 / Si substrates are comprised between 200 and 500 nm. The obtained films were characterized from the structural, microstructural and electrical point of view. On the surface of some of the KNbO3 films the IDT’s were deposited by photolithography at the Universidade Nova de Lisboa. The next step was the electronic device tests for the determination of parameters S11 and S12, which allow us to calculate the K2 and the wave propagation velocity in the device. Ultimately these films will be aimed the manufacture of a surface acoustic wave device, in which the piezoelectric surface will be potassium niobate (KNbO3), for application as a pressure sensor. The project was carried out in the Department of Materials and Ceramics Engineering (DEMAC) in partnership with the Institute of Telecommunications of the University of Aveiro (IT / UA).