ИССЛЕДОВАНИЯ СВЧ АКУСТИЧЕСКИХ СЕНСОРОВ НА ПОДЛОЖКАХ ИЗ СИНТЕТИЧЕСКОГО АЛМАЗА
Аннотация
Применяя магнетронное напыление тонких и ультратонких пленок Al, Sc и Mo, были исследованы сенсорные свойства СВЧ многообертонного резонатора, разработанного на основе пьезоэлектрической слоистой структуры “Al/AlN/Mo/(100) алмаз”, вплоть до частоты 8 ГГц. Благодаря повышенной добротности в СВЧ диапазоне, присущему данному типу резонаторов, удалось реализовать высокую чувствительность сенсорного элемента. Зависимости частотного сдвига данного обертона от толщины пленки могут качественно отличаться от линейно пропорциональных зависимостей в случаях напыления пленок различных металлов. Такие особенности объяснялись разницей акустического импеданса между пленками и алмазной подложкой. Точки перегиба кривых зависимостей частотного сдвига от толщины пленки могут быть использованы для определения фазовой скорости материала пленки. Экспериментальные результаты находятся в хорошем соответствии с модельными данными, полученными с помощью метода конечных элементов. Достигнутое значение реальной толщинной чувствительности сенсора около 5 нм фактически ограничено невозможностью более тонкой калибровки с применением современных средств измерения толщины. Опытные образцы сенсорных элементов имеют важные преимущества перед всеми другими типами акустоэлектронных сенсоров за счет применения операционных частот СВЧ диапазона, высокой химической и биологической инертности рабочей поверхности алмаза, стойкости к температурным нагрузкам, абразивной износостойкости, а также возможности многократного применения. Эффективная площадь сенсорного элемента может быть равна тысячам квадратных микрон или меньше, что делает его пригодным для локальных измерений. Исследуемая алмазная пятислойная пьезоэлектрическая структура должна рассматриваться как перспективная платформа для создания ряда сенсоров нового поколения.
Литература
Schedin F., Geim A.K., Hill E.W., Blake P., Novoselov K.S. Detection of individual gas molecules adsorbed on
graphene. Nat. Mater. 2007. V. 6. N 9. P. 652–655. DOI: 10.1038/nmat1967.
Johnson L., Gupta A. K., Ghafoor A., Akin D., Bashir R. Characterization of vaccinia virus particles using microscale silicon cantilever resonators and atomic force microscopy. Sensors Actuators B. Chem. 2006. V. 115. P. 189–197. DOI: 10.1016/j.snb.2005.08.047.
Ilic B., Czaplewski D., Craighead H.G., Neuzil P., Campagnolo C., Batt C. Mechanical resonant immunospecific
biological detector. Appl. Phys. Lett. 2000. V. 77. P. 450–452. DOI: 10.1063/1.127006.
Lavrik N.V., Datskos P.G. Femtogram mass detection using photothermally actuated nanomechanical resonators. Appl. Phys. Lett. 2003. V. 82. P. 2697–2699. DOI: 10.1063/1.1569050.
Dantham V.R., Holler S., Kolchenko V., Wan Z., Arnold S. Taking whispering gallery-mode single virus detection
and sizing to the limit. Appl. Phys. Lett. 2012. V. 101. P. 043704. DOI: 10.1063/1.4739473.
Ekinci K.L., Huang X.M.H., Roukes M.L. Ultrasensitive nanoelectromechanical mass detection. Appl. Phys. Lett.
V. 84. P. 4469–4471. DOI: 10.1063/1.1755417.
Sauerbrey G. Verwendung von Schwingquarzen zur Wägung dünner Schichten und zur Mikrowägung.
Zeitschrift für Physik. 1959. B. 155. Z. 206–222. DOI: 10.1007/BF01337937.
Lu C.S., Lewis O. Investigation of film-thickness determination by oscillating quartz resonators with large mass load. J. Appl. Phys. 1972. V. 43. N 11. P. 4385–4390. DOI: 10.1063/1.1660931.
Muratsugu M., Ohta F., Miya Y., Hosokawa T., Kurosawa S., Kamo N., Ikeda H. Quartz crystal microbalance for the detection of microgram quantities of human serum albumin: relationship between the frequency change and the mass of protein adsorbed. Anal. Chem. 1993. V. 65. N 20. P. 2933–2937. DOI: 10.1021/ac00068a036.
Qiao X., Zhang X., Tian Yu, Meng Y. Progresses on the theory and application of quartz crystal microbalance. Appl. Phys. Rev. 2016. V. 3. P. 031106. DOI: 10.1063/1.4963312.
Wen W., Shitang H., Shunzhou L., Minghua L., Yong P. Enhanced sensitivity of SAW gas sensor coated molecularly imprinted polymer incorporating high frequency stability oscillator. Sensors&Actuators B. Chem. 2007. V. 125. N 2. P. 422–427. DOI: 10.1016/j.snb.2007.02.037.
Zhang H., Kim E.S. Micromachined acoustic resonant mass sensor. J. Microelectromech. Systems. 2005. V. 14. P. 699–706. DOI: 10.1109/JMEMS.2005.845405.
Lin Re-Ching, Chen Ying-Chung, Chang Wei-Tsai, Cheng Chien-Chuan, Kao Kuo-Sheng. Highly sensitive mass sensor using film bulk acoustic resonator. Sensors Actuators A: Physical. 2008. V. 147. P. 425–429. DOI: 10.1016/j.sna.2008.05.011.
Rey-Mermet S., Lanz R., Muralt P. Bulk acoustic wave resonator operating at 8 GHz for gravimetric sensing of organic films. Sensors Actuators B. 2006. V. 114. P. 681–686. DOI: 10.1016/j.snb.2005.04.047.
Wingqvist G., Bjurström J., Liljeholm L., Yantchev V., Katardjiev I. Shear mode AlN thin film electro-acoustic
resonant sensor operation in viscous media. Sensors Actuators B. 2007. V. 123. P. 466–473. DOI: 10.1016/j.snb.
09.028.
Mansfeld G.D., Alekseev S.G., Kotelyansky I.M. Acoustic HBAR spectroscopy of metal (W, Ti, Mo, Al) thin films. Proc. of the IEEE Ultrasonics Symp. Atlanta, USA. 2001. P. 415-418. DOI: 10.1109/ULTSYM.2001.991652.
Rabus D., Friedt J.M., Ballandras S., Baron T., Lebrasseur É., Carry É. High-overtone bulk-acoustic resonator
gravimetric sensitivity: Towards wideband acoustic spectroscopy. J. Appl. Phys. 2015. V. 118. P. 114505. DOI:
1063/1.4930032.
Sorokin B.P., Kvashnin G.M., Novoselov A.S., Bormashov V.S., Golovanov A.V., Burkov S.I., Blank V.D.
Excitation of hypersonic acoustic waves in diamond-based piezoelectric layered structure on the microwave frequencies up to 20 GHz. Ultrasonics. 2017. V. 78. P. 162–165. DOI: 10.1016/j.ultras.2017.01.014.
Sorokin B.P., Telichko A.V., Kvashnin G.M., Bormashov V.S., Blank V.D. Investigations of microwave acoustic
damping in a multifrequency resonator using bulk acoustic waves based on a synthetic diamond single crystal. Akust. Zhurn. 2015. V. 61. N 6. P. 705-717 (in Russian) DOI: 10.7868/S0320791915050160.
Smirnov A.V., Asafiev N.O., Sorokin B.P., Ziangirova M.Yu., Golishkin A.V., Krasnopol’skaya L.M., Kuznetsova I.E. Investigation of the effect of sensor films prepared from the mycelium of basidial fungi on the characteristics of the Me1/AlN/Me2/diamond microwave resonator. Radiotekh. Elektron. 2020. V. 65. N 11. P. 1137–1144 (in Russian). DOI: 10.31857/S0033849420110169.
Sorokin B.P., Kvashnin G.M., Bormashov V.S., Volkov A.P., Telichko A.V., Gordeev G.I., Golovanov A.V.
Technology of manufacturing piezoelectric thin film transducer on substrate of synthetic diamond single crystal. Izv. Vyssh. Uchebn. Zaved. Khim. Khim. Tekhnol. 2014. V. 57. N 5. P. 17–21 (in Russian).
Sorokin B.P., Kvashnin G.M., Telichko A.V., Burkov S.I., Blank V.D. Piezoelectric layered structure based on
the synthetic diamond. In: Piezoelectric Materials. Ed. by T. Ogawa. Intech, Rijeka. 2016. P. 161–199. DOI:
5772/62630.
Shvyd’ko Yu., Stoupin S., Blank V., Terentyev S. Near100% Bragg reflectivity of X-rays. Nature Photonics. 2011.
V. 5. P. 539–542. DOI: 10.1038/NPHOTON.2011.197.
