[Article] Électrodes en films minces en alliage NiAl pour des applications de mesure à haute température sur substrats de niobate de lithium

Sous titre
Mise en évidence de la pertinence des films minces d’alliage NiAl pour la réalisation d’électrodes de lignes à retard réflectives SAW pouvant fonctionner jusqu’à 500°C pendant au moins 10 jours

Résumé

La technologie des lignes à retard réflectives (LRR) à ondes élastiques de surface est très efficace pour réaliser des réseaux de capteurs permettant la mesure à distance de différents paramètres physiques en environnements hostiles. Cependant, cette technologie est limitée à 350°C environ, notamment pour les applications de longue durée, c’est-à-dire plusieurs jours ou semaines. Cette limitation est liée d’une part à la nature des électrodes utilisées jusqu’alors. Celles-ci sont réalisées en aluminium, métal particulièrement adapté de par sa faible densité pour la réalisation de capteurs fonctionnant dans la bande ISM à 2,45 GHz, dont la largeur est suffisante pour la réalisation de LRR. Une autre limitation est probablement liée au phénomène de ségrégation subi par les substrats de niobate de lithium (LiNbO3) congruent.

Dans cette étude, l’alliage NiAl, particulièrement innovant pour ce type d’applications, est envisagé comme une alternative à l’aluminium pour réaliser des LRR capables de supporter des températures élevées allant jusqu’à 500°C, à long terme. En effet, le NiAl rassemble, à l’état massif, toutes les propriétés nécessaires : une résistivité électrique (9,0 µΩ.cm) et une densité (5,9) faibles, une température de fusion élevée (1640°C) et une résistance à l’oxydation à haute température bien meilleure que celle de l’aluminium. Cependant, le comportement à haute température de films minces de NiAl, d’épaisseur de l’ordre de 100 nm, tels que ceux envisagés pour la réalisation des électrodes de LRR, n’est pas connu. L’étude s’attelle donc à étudier ce comportement, mais aussi à examiner l’extension du phénomène de ségrégation du niobate de lithium congruent pour déterminer son impact sur les performances des LRR NiAl/LiNbO3.

Les résultats obtenus sont très prometteurs. Les électrodes en NiAl s’auto-passivent pendant les 50 premières heures d’exposition à 500°C : deux couches d’Al2O3 de 20 nm d’épaisseur se forment à la surface des électrodes et à l’interface électrode-substrat, protégeant l’électrode de toute oxydation supplémentaire. Les images TEM réalisées à l’issue d’une exposition de plus de 10 jours à 500°C montrent par ailleurs que le phénomène de ségrégation est localisé à la surface du substrat, sur une épaisseur de l’ordre de 150-200 nm. Ces deux phénomènes n’ont pas d’impact significatif sur les performances des LRR NiAl/LiNbO3 opérant dans la bande ISM à 433 MHz. La caractérisation électrique in situ des dispositifs, réalisée continument tout au long des 10 jours à 500°C, montre un écart-type de déviation de la fréquence de fonctionnement du dispositif de seulement 1,04 ppm. De plus, la réponse temporelle du dispositive à l’issue des 10 jours à 500°C n’est pas du tout dégradée. On peut donc en conclure que les LRR NiAl/LiNbO3 fonctionnant dans la bande ISM à 433 MHz peuvent être opérées pendant au moins 10 jours à 500°C dans l’air, et probablement sur une période beaucoup plus longue.

 

Auteurs

Jordan Maufay, Baptiste Paulmier, Mélanie Emo, Ulrich Youbi, Esther Mbina, Thierry Aubert, Ninel Kokanyan, Sami Hage-Ali, Michel Vilasi and Omar Elmazria

Références

IEEE Sensors Journal, Vol. 23, No. 15, 1 August 2023, pp. 16691-16698

DOI

http://www.doi.org/10.1109/JSEN.2023.3289008