近年來，隨著機器人、可穿戴設備和物聯網（IoT）等領域的快速發展，人們對基于柔性聚合物的壓電薄膜（特別是氧化鋅（ZnO）和氮化鋁（AlN））的研究興趣顯著增長。這些壓電薄膜層狀結構應用領域廣泛（例如能量收集、生物傳感、微流控、通信等）。其中，最有前景的平臺之一是基于低成本、可回收或一次性聚合物襯底的壓電聲學薄膜器件，由于其高可靠性、可重復性、一致性、小尺寸和無線控制能力，已成為開發用于物聯網和可穿戴設備的新型無線、全自動和數字化微系統的理想選擇。

據麥姆斯咨詢報道，近日，意大利薩倫托大學（University of Salento）研究人員針對基于聚合物的聲表面波（SAW）器件的研究進展進行了綜述分析，探討了材料（聚合物和壓電材料）及加工方面的挑戰與最新發展，分析了聚合物襯底和壓電薄膜的材料特性，介紹了柔性SAW器件在溫度、機械、光和生物傳感等領域的應用進展，以及該領域未來的發展趨勢與潛在突破。該綜述研究以“Recent Progress in Polymeric Flexible Surface Acoustic Wave Devices: Materials, Processing, and Applications”為題發表在Advanced Materials Technologies期刊上。

圖1 聚合物基柔性SAW器件

用于聚合物基柔性SAW器件的材料

在聚合物襯底上開發薄膜SAW器件最常用的壓電材料是ZnO和AlN。雖然有研究人員利用聚偏氟乙烯（PVDF）開發出了全有機SAW器件，不過該材料的研發仍在進行之中。

表1 用于聚合物基柔性SAW器件的壓電材料對比

表2 用于柔性SAW器件的常見聚合物襯底對比

用于聚合物基SAW器件的壓電材料加工

沉積ZnO和AlN薄膜的方法有多種，包括物理氣相沉積（PVD）、脈沖激光沉積（PLD）、分子束外延（MBE）、化學氣相沉積（CVD）等，不同的沉積工藝會導致不同的晶體質量、溫度、成本和沉積速率。磁控濺射是物理氣相沉積的一種，其具有簡單、可重復性好、工作溫度高、與MEMS工藝兼容等優點，是目前唯一用于在聚合物襯底上開發SAW器件的技術。

圖2 a）磁控濺射沉積工藝圖示；b、c）基于ZnO/PI和AlN/PEN的柔性SAW器件圖示；d）沉積在PI上的ZnO的表征；f）沉積在PEN上的AlN的表征；j）PVDF壓電薄膜的加工

聚合物基SAW器件的應用

聚合物基柔性SAW器件的發展為物聯網和醫療保健領域帶來了重大機遇。由于出色的一致性、低功耗、遠程控制能力和對各種環境條件的敏感性，聚合物基柔性SAW器件成為低功耗傳感和通信應用的理想解決方案。

聲波速度的傳播取決于溫度，利用這種效應可以開發溫度傳感器。柔性聚合物SAW器件的發展為基于SAW的可穿戴和無線溫度傳感器鋪平了道路。

圖3 聚合物基柔性SAW器件用于可穿戴和無線溫度傳感器的相關研究

聚合物柔性襯底的使用不僅是對基于剛性襯底的電子產品的補充，也是一個關鍵和創新的研究領域，為各種應用打開了大門。特別是，聚合物基SAW器件的發展使得基于SAW的應變/彎曲傳感器的開發成為可能，這是剛性襯底無法實現的。

圖4 聚合物基柔性SAW器件用于機械傳感器的相關研究

過度暴露于紫外線會導致癌癥和其他疾病。開發基于柔性聚合物、低成本和無線的器件用于監測人員、材料和基礎設施的紫外線暴露，對于MEMS和SAW器件來說是一個巨大的挑戰和機遇。

圖5 聚合物基柔性SAW器件用于紫外線探測器的相關研究

近年來，SAW傳感器也被開發用于檢測DNA以及DNA多態性。這些器件通常采用集成微流控系統，可以實時快速準確地檢測各種分析物。SAW器件常用于檢測和驅動目的，包括混合、溫度控制和分類等。

圖6 聚合物基柔性SAW器件用于生物傳感器的相關研究

未來挑戰與發展趨勢

雖然聚合物基SAW器件在各種應用中具有廣闊的潛力，但仍有一些發展難題需要解決。主要挑戰之一是在襯底上沉積高結晶層和壓電層，這對于實現高器件靈敏度和可靠性至關重要。此外，開發和研究新的聚合物材料對于提高聚合物SAW器件的性能和多功能性也至關重要。這些新材料需要與壓電材料具有更好的兼容性以及改進的熱性能和機械性能，以提高器件的耐用性和靈敏度。

作為替代方案，鋁等薄金屬箔由于高熱阻、易于加工等特性，開始成為柔性SAW器件制造的可行選擇。不過，金屬箔存在一定的局限性，例如與聚合物相比，其成本高、阻抗低、不透明，此外金屬箔可能無法制備可拉伸設備或傳輸高頻L-SAW。盡管存在這些缺點，金屬箔仍然可以為某些應用提供解決方案，研究人員也正在探索以克服其局限性。

關于PVDF，由于其低成本、易加工性以及出色的機械和電氣性能，非常有望成為開發全有機和柔性/可拉伸SAW器件的顛覆性方案選擇。除了PVDF，近期的研究還報道了纖維素和殼聚糖等生物聚合物的壓電特性，這些材料具有生物相容性、可再生性和可生物降解性等獨特性能，未來有望成為柔性和有機SAW器件的重要研究領域。雖然此類生物聚合物的壓電性能低于合成聚合物，但其已在某些應用領域展現出前景，未來需要開展更多研究以充分挖掘其應用于SAW器件的潛力。

審核編輯：彭菁