ZnO/UNCD-SAW器件在微流体应用中的高效性

压电材料表面传播的表面声波（SAW）由于其大量的潜在应用，特别是在生物传感和微流体（包括微滴传输、混合和喷射）中受到了广泛关注，这是实验室芯片系统的两个主要组成部分。与其他技术相比，基于SAW的泵和搅拌机具有一些显著的优势，例如设备结构简单（无移动部件）、制造成本低、频率响应可调，以及具有在平面上以高精度操作液体的能力。ZnO是组装SAW的常用压电材料之一，它可以生长于包括硅在内的各种基板上，使这些材料有望与电子电路和许多其他微流体及生物传感技术集成，特别是用于一次性使用、低成本、全自动及大批量生产的装置。提高ZnO薄膜的质量和防止声波能量显著耗散到基板中，是成功制造用于微流体和实验室芯片应用的ZnO基表面声波的两大挑战。

表面声波的传播速度在很大程度上取决于压电薄膜内的声速，但也取决于支撑压电材料的基底。通过选择具有高声速的基板，可以提高表面声波的速度，从而产生更高频率的操作装置。金刚石由于弹性模量高，在所有材料中具有最高的声速，而且它具有优良的机械性能，可以提高压电层的声速，因此它是制造ZnO薄膜SAW的一种有吸引力的替代品。工作经验和理论分析均表明，具有优良力学性能的金刚石层有助于抑制表面声波向基体的耗散，从而部分限制了波在压电层中的传播，提高了波速。金刚石化学气相沉积（CVD）技术的最新进展使人们有可能开发出超光滑的纳米晶直径（UNCD）薄膜，这种薄膜可以直接在光滑的UNCD薄膜上生长压电薄膜，而不会牺牲活性薄膜的压电性能。这将显著改善声表面波器件的高频特性，并增大其机电耦合系数。近年来，由于传统的多晶金刚石薄膜表面光滑度差，在光滑纳米晶金刚石薄膜上沉积ZnO制备表面声波器件的研究工作越来越多。这些研究工作大多集中于ZnO/金刚石表面声波的特性描述或高达吉赫兹频率范围的传感改进。然而，对于微流体，例如液体混合或泵送应用，不需要具有高达吉赫兹水平的极高频率的SAW，这可能会导致液体内部产生显著的加热效应。到目前为止，使用ZnO或ZnO/金刚石SAW装置来探索稳定的和高效的液滴喷射或喷射的报告还很少，而且还没有证实具有几微米薄膜的ZnO基SAW装置是否能够达到散装材料对应物（如LiNbO3）的性能。本研究表明，ZnO/UNCD-SAW器件可以成功地用于高效的微流体应用，特别是液体喷射，频率在几十兆赫兹范围内。

ZnO薄膜的雾化如图152.3所示，使用热丝化学气相沉积（HF-CVD）系统（SP3 Diamond Technologies Inc.，型号为650）在Si（100）晶圆上沉积1.2μm厚的UNCD涂层。将水平排列的钨丝（直径为0.12 mm）固定在基板固定器区域上，并在真空室中通过焦耳加热至2000℃。以甲烷（CH4）为碳源，氢气驱动CVD反应。基板表面和钨丝之间的距离保持在20 mm。基板被钨丝直接加热到600℃。

图152.3　ZnO薄膜的雾化图(www.xing528.com)

采用一种被称为高目标利用率溅射（HiTUS）的新工艺，在室温下以50 nm/min的速率在金刚石薄膜表面溅射沉积6μm厚的ZnO薄膜。HiTUS溅射基于一种远程产生的高密度等离子体（1012～1013 ions/cm3，与传统磁控管等离子体1010 ions/cm3相比），这种等离子体是在一个由臂连接到主真空沉积室的侧腔中产生的。氩等离子体由射频电场（13.56 MHz，最大功率2.5 kW）产生，然后通过射频电场与电磁铁的相互作用发射到主沉积室（金属溅射靶和衬底支架位于其中）。然后通过第二电磁铁将等离子体引导到目标上。利用这种磁网布局，衬底不与氩等离子体直接接触，因此通过增加溅射离子的通量和能量，有效地提高了沉积速率，而不会在样品上引起不希望的离子轰击。因此，材料以高速率沉积，且具有非常低的应力、缺陷密度，并获得了光滑表面和优异的结晶取向。用扫描电子显微镜（SEM）对沉积的ZnO/金刚石薄膜的横截面形貌进行了表征。用X射线衍射（XRD）研究了薄膜的结晶度和取向。拉曼光谱用于表征未烧结层。

使用标准光刻工艺在ZnO/金刚石层上制造厚度为7/50nm的Cr/Au插指换能器（IDT）。双向IDT由30对指状物组成，孔径为5 mm，空间周期为64 μm。然后在SAW器件上涂覆CYTOP（Asahi Glass Co.）疏水层。HP8752A射频（RF）网络分析仪用于测量SAW器件的谐振频率和幅度。来自信号发生器的RF信号在被馈送到IDT之前由功率放大器放大，并且使用RF功率表测量施加到IDT的RF功率。用微量移液管获得不同尺寸的水滴。使用标准摄像机从顶部和水平视图测量液滴运动。

在ZnO/UNCD双层上制造64μm波长的表面声波器件。使用热丝CVD沉积的UNCD膜的相对光滑的表面允许生长具有优异的c轴取向和低表面粗糙度的ZnO膜，适用于SAW制造。使用网络分析仪表征制造的装置的频率响应，并在65 MHz观察到瑞利模式。该模式用于证明ZnO/UNCD SAW装置可以成功地用于微流体应用。在应用于IDT的不同功率下实现不同尺寸的微滴的流动、泵送和喷射。