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氮化铝薄膜在微纳传感器件领域的新研究成果

发表时间:2021-09-08 15:31作者:化合积电网址:http://www.csmc-semi.com

上科大信息学院吴涛课题组致力于利用先进传感材料与微纳工艺研发微纳机电器件与系统(MEMS),主要包括多铁态材料的耦合机理与传感应用,压电声学微纳器件与IC接口电路,磁电传感器等。近期,课题组基于AlN/AlScN(氮化铝)压电薄膜的射频滤波器、声学换能器(PMUT)与磁电传感器的研究成果先后在《自然》子刊《微系统与纳米工程》(Microsystems & Nanoengineering)和第34届微机电系统国际会议(34th IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems) 发表。这些研究成果将传感设计与微纳制造结合,充分利用了基于微机电系统器件的小尺寸、高性能特点,在推动器件微型化的应用中具有良好的前景。


新型AlN MEMS滤波器拓扑结构


5G通信为追求更快的通信速率而分配了更宽的频段。射频带通滤波器用于选择所需信号,过滤无关的信号,是通信前端的关键。MEMS滤波器以其紧凑的尺寸、低成本和出色的滤波性能脱颖而出。为了提高基于MEMS滤波器的带宽,课题组提出了一种具有极高带宽扩展能力的AlN MEMS滤波器拓扑结构。研究主要在三个方向对MEMS滤波器进行了广泛的探索:实现高耦合的振动模态、探索高压电系数的材料(例如掺钪氮化铝AlScN和铌酸锂LiNbO3)以及使用混合拓扑对声学谐振器扩展带宽。


针对基于AlN压电声学谐振滤波器带宽较小的问题,课题组与合作者提出了一种具有极高带宽扩展能力的AlN MEMS滤波器拓扑结构。在实验中将AlN兰姆波谐振器与表面贴装集总元件整合后进行了验证,使得在仅使用一个谐振器的情况下,就可以将耦合系数仅有0.94%的谐振器拓展至5.6%的比例带宽,是传统拓扑的约12倍。这项技术有望作为5G N77/N79等高宽带通信的解决方案。吴涛教授为本论文通讯作者。


图1. AlN谐振器与新型滤波器拓扑示意图


新型洛伦兹力磁传感器


课题组设计出一种基于横向高阶体声谐振器(LOBAR)的垂直磁场检测的洛伦兹力磁传感器,该传感器利用垂直磁场产生的洛伦兹力激励氮化铝薄膜发生谐振,通过压电效应转换为电信号,建立起磁场强度与电压幅值之间的关系。该设计没有使用任何磁性材料,降低了成本也避免了磁性材料带来滞后和饱和效应。由于采用高阶模式,该磁传感器在大气压力下可以在261 MHz高谐振频率下工作,获得250 KHz的高带宽。通过缩小传感器的尺度,可以使器件工作在GHz的频率。


新型氮化铝电感耦合等离子体刻蚀技术


课题组提出了氮化铝电感耦合等离子体刻蚀的机理,并通过多参数的综合分析优化获得了优良的刻蚀效果,刻蚀侧壁的倾角是目前已报道的最好结果。电感耦合等离子体刻蚀技术在基于氮化铝和钪掺杂氮化铝薄膜的微纳器件制造中被广泛使用,且刻蚀效果显著影响器件的性能。与传统的工作相比,该研究的优化方法更系统和有效。


超声测距新方法


课题组研究了基于氮化铝薄膜的超声换能器的超声测距的新方法。在本文的设计中,通过电路耦合,将PMUT的激励信号叠加到输出信号上,再通过两个信号的相位信息确定待测距离与声波波长的关系。这种方法消除了传统TOF测距方式的回波干扰问题,能在短距离测距中提高精度。


图2. IEEE MEMS 2021发表三篇文章亮点示意图


上述研究均得到了国家自然科学基金、上海自然科学基金、上海科技大学启动经费,以及上海科技大学公共科研平台(量子器件中心、软纳米平台、分析测试平台)的大力支持。


论文名称及链接:

1. AlN MEMS filters with extremely high bandwidth widening capability,

论文链接:https://doi.org/10.1038/s41378-020-00183-5

2. Wide Bandwidth Lorenz-Force Magnetometer Based on Lateral Overtone Bulk Acoustic Resonator,

论文链接:https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/9375335/

3. Optimization of AlN and AlScN Film ICP Etching,

论文链接:https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/9375464

4. Increasing Ranging Accuracy of Aluminum Nitride PMUTs by Circuit Coupling,

论文链接:https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/9375241/


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