過去二十年間，壓電材料引起了人們的廣泛關注，很多技術都利用了壓電材料的關鍵特性。氮化鋁（AlN）由于具有極化c軸和壓電特性的非中心對稱晶體結構，并且其制造工藝與互補金屬氧化物半導體（CMOS）技術相兼容，因此使得人們對其研究和應用的興趣迅速增加。

據麥姆斯咨詢報道，近期，韓國機械材料研究所的研究人員綜述分析了基于AlN的壓電器件的最新進展，相關研究內容以“A Review of the Recent Applications of Aluminum Nitride-Based Piezoelectric Devices”為題發(fā)表在IEEE Access期刊上。該文章對比了AlN與摻鈧氮化鋁（AlScN）晶體結構及壓電性能的差異，并分析了基于AlN的壓電器件在消費、通信、工業(yè)和醫(yī)療領域的應用進展及未來發(fā)展趨勢。

AlN晶體結構

AlN屬于III-V族化合物材料，具有六邊形排列的纖鋅礦結構。AlN的固有Q因數及其與CMOS制造工藝的兼容性，是制備實現體聲波（BAW）諧振器和濾波器的關鍵特性。壓電器件設計中最關鍵的因素是晶體質量，晶體質量受到壓電層厚度的影響。研究表明，隨著壓電層厚度的增加，壓電應變系數d33性能提升，介電損耗降低。當壓電層厚度增加到1 μm時，厚度的繼續(xù)變化對AlN薄膜的晶體質量影響就很小了。

為了提升AlN的壓電性能，可以通過摻雜各種金屬，例如鈧（Sc）、釩（V）、鈦（Ti）、鉭（Ta）、鎂（Mg）等。在這些金屬中，Sc脫穎而出，研究表明在40% Sc摻雜率的情況下，其壓電性能最多可增加五倍。此外，在與集成光子學相關的其他研究領域，這種材料在光學和熱釋電性能方面均表現出優(yōu)異的性能。

基于AlN的壓電器件應用于消費領域

目前，量產的消費類電子產品不僅依賴于超大規(guī)模集成電路（VLSI）器件，而且還需要集成可適用于各種應用的壓電器件，例如壓電式微機械超聲換能器（PMUT）、MEMS麥克風、MEMS揚聲器和MEMS能量收集器等。

近些年，研究者們已經開發(fā)出了110 × 56的PMUT陣列，能夠對皮膚表皮和皮下進行成像。在MEMS麥克風研究方面，已實現了19 mV/Pa的峰值靈敏度。在基于AlN的MEMS揚聲器研究方面，已實現了峰值聲壓級高達100 dB，靈敏度為105 dB/mW。此外，研究者們還研制出峰值輸出功率為854.55 μW/cm3/g2的MEMS能量收集器。

圖1 各種基于AIN的PMUT器件示意圖

圖2 各種基于AIN的MEMS麥克風示意圖

圖3 各種基于AIN的MEMS揚聲器示意圖

圖4 各種基于AIN的MEMS能量收集器示意圖

基于AlN的壓電器件應用于通信領域

對于通信設備而言，Q因數是最重要的特性，在射頻信號中產生高Q因數往往會引起非線性效應。目前，最主流的射頻濾波器是聲表面波（SAW）濾波器和BAW濾波器。與SAW濾波器相比，BAW濾波器因其高工作頻率、高功率容量和高Q因數等優(yōu)點而受到認可，適用于更陡峭的濾波器設計。此外，與CMOS的高隔離性和AlN兼容性，使BAW濾波器成為射頻通信的主導器件之一。

基于MEMS的諧振器也可以集成到監(jiān)測壓力、加速度和溫度變化的系統(tǒng)中，并為射頻收發(fā)器過濾特定頻段。目前，低頻應用的SAW濾波器主要使用鉭酸鋰（LiTaO?）和鈮酸鋰（LiNbO?）兩大類材料。根據已有研究顯示，基于AIN的器件主導了高頻段應用。此外，通過Sc摻雜，AlScN薄膜的壓電應變系數d??可以顯著增加，因此，AlScN壓電薄膜在新興的薄膜腔聲諧振器（FBAR）領域表現出更大的優(yōu)勢。

圖5 用于通信設備的各種基于AIN的MEMS器件示意圖

基于AlN的壓電器件應用于工業(yè)領域

目前，各種MEMS壓力傳感器已被用于管理和監(jiān)測航空航天、汽車、生物醫(yī)學和海洋學研究等領域的壓力相關變量。與其它類型的壓力傳感器相比，MEMS壓力傳感器占用空間更小、靈敏度更高、成本更低，且可以將多個設備集成在單個平臺上。AlN由于具有非中心對稱的晶體結構，可以通過在基于極化c軸的施加外部應力下產生電位差來識別壓力變化，因此可以用作于傳感器來識別壓力變化。

圖6 各種基于AlN的MEMS壓力傳感器示意圖

基于AlN的壓電器件應用于醫(yī)療領域

MEMS壓力傳感器具有多方面優(yōu)勢，利用它可以輕松檢測到對物體施加的微小力，例如可用于醫(yī)學診斷所需的精確讀數。此外，隨著微加工技術的最新發(fā)展，高深寬比器件得以實現，基于這些MEMS器件的醫(yī)療設備可用于研究冠心病和高血壓等問題，以直接檢測血壓和血管的波動、變化和異常。

近些年，基于AlN的MEMS器件在醫(yī)療診斷領域展現出巨大潛力，研究者們針對基于AlN的血壓測量器件，開展了大量研究。然而，在器件的壓電輸出性能方面，目前仍有改進的空間。就未來的應用而言，需要進一步研究能夠評估血壓波形以及對人體器官可進行聲學成像的器件。

圖7 各種基于AIN的MEMS血壓監(jiān)測器件示意圖

審核編輯：劉清