第十五届全国表面工程青年学术会议

针对传统压电单晶型声表面波（SAW）传感器存在的体积大、工艺兼容性差、高频性能受限等问题，面向微弱振动监测的高频化、微型化、集成化传感需求，本文以氮化铝（AlN）压电薄膜为核心，系统开展了薄膜型 SAW 加速度传感器的仿真优化设计、压电薄膜可控制备与表征及器件应用研究。
仿真环节基于有限元法建立了 AlN/Si 层状结构的 SAW 谐振器三维周期模型，系统探究了 AlN 薄膜厚度与器件波长比（h/λ）对谐振频率、有效机电耦合系数（kt²）的调控规律，明确了机电耦合系数随 h/λ 增大呈先升后降的变化趋势，其峰值出现在 h/λ=0.45 处；综合工艺可行性、制备成本与器件性能，最终确定在 Si 衬底上沉积 1μm 厚的 AlN 压电薄膜作为器件核心压电层，并完成了级联双谐振器敏感芯片的设计与频域仿真，实现了温度传感与加速度传感谐振单元的频段有效隔离，为器件制备奠定了坚实的理论基础。实验环节采用射频磁控溅射技术，通过优化溅射功率、衬底温度、反应气体流量等关键工艺参数，在 Si (100) 衬底上成功制备了高 c 轴取向的 AlN 压电薄膜；借助扫描电子显微镜（SEM）、掠入射 X 射线衍射（G-XRD）对薄膜进行系统表征，结果显示制备的 AlN 薄膜表面致密平整、晶粒呈柱状择优生长，具有高强度的（002）晶面衍射峰，具备优异的结晶质量与压电性能适配性。基于该 AlN 压电薄膜完成了叉指电极图形化刻蚀、悬臂梁切割与传感器装配，实现了 AlN 基薄膜型 SAW 加速度传感器的原型器件制备，并通过矢量网络分析仪完成了器件频域响应测试，验证了 AlN 基 SAW 器件较石英基器件具备更高的工作频率与更优的高频应用潜力，同时分析了器件基频模式损耗与高阶谐波响应的内在机制。本研究揭示了 AlN 薄膜结构与工艺参数对 SAW 器件性能的调控规律，完成了 AlN 基薄膜型 SAW 加速度传感器从仿真设计到制备应用的全流程探索，为高频、微型化、集成化薄膜型 SAW 传感器的研发与工程应用提供了理论支撑与技术路径。
 

SAW传感器,AlN薄膜,声表面波（SAW）