在各类谐振器中，压电谐振器以其对频率的精确控制而闻名。体声波（BAW）谐振器是一种基于MEMS制造的微型压电器件，在高精度谐振传感器领域具有显著的优势，包括更小的尺寸、与CMOS工艺兼容、更高的灵敏度、抗干扰能力以及较低的制造和测量成本等。BAW谐振器的高频和高品质因数特性极大地推动了其在传感技术中的应用。
据麦姆斯咨询报道，近期，武汉大学国世上教授、孙成亮教授团队以及武汉纺织大学刘炎博士联合开发出一种基于嵌入式微通道BAW谐振器的高灵敏度谐振式液体传感器。这项研究揭示了基于BAW谐振器的液体传感的内在机制，验证了AlN/Al₀.₈Sc₀.₂N复合薄膜BAW谐振器在液体传感应用中的潜力，为该领域的未来研究和发展提供了重要见解。相关研究成果以“Ultrasensitive liquid sensor based on an embedded microchannel bulk acoustic wave resonator”为题发表在Microsystems & Nanoengineering期刊上。
在这项研究工作中，研究人员展示了一种在AlN/AlScN BAW谐振器下方具有嵌入式微通道的高灵敏度液体传感器，其制造工艺与BAW谐振器相同，节约了制造成本。通过密度泛函理论（DFT）计算和有限元方法（FEM），研究人员揭示了压电薄膜变形影响BAW谐振器性能的内在机制。从理论上讲，由液体流动引起的向上凸起的压电薄膜可以增大BAW谐振器的谐振频率。
图1 本研究提出的微通道型液体传感器的工作机制
图2 AlN-BAW谐振器的理论性能变化
在制造过程中，该微通道型液体传感器采用AlN/Al₀.₈Sc₀.₂N复合薄膜来有效抑制AlScN薄膜中异常取向晶粒的生长，保证了该传感器所需的大机电耦合系数。通过不同浓度乙醇的实验结果表明，该传感器在2.225 GHz的高谐振频率下，能够实现221 ppm/%的卓越灵敏度，线性度高达0.995。谐振器的频率偏移趋势与理论预测一致。
图3 AlN/Al₀.₈Sc₀.₂N复合膜表征
图4 微通道型液体传感器的主要制造工艺和器件特性
图5 微通道型液体传感器的实验结果
图6 微通道型液体传感器的灵敏度
综上所述，这项研究工作开发出一种基于BAW谐振器结构的液体传感器，在BAW器件的有源区域下方具有嵌入式微通道，无需额外的加工步骤，节约了工艺成本。当液体流过微通道时，会对微通道的上壁（压电薄膜）施加压力，从而导致谐振频率发生偏移。这项研究工作揭示了基于BAW谐振器的力传感的内在机制，为该领域的未来研究和发展提供了重要见解。
论文信息：
https://doi.org/10.1038/s41378-024-00790-6
延伸阅读：
《MEMS热式气体质量流量传感器产品对比分析-2023版》
《射频（RF）声波滤波器专利全景分析-2024版》
