上科大信息學(xué)院吳濤課題組致力于利用先進(jìn)傳感材料與微納工藝研發(fā)微納機(jī)電器件與系統(tǒng)（MEMS），主要包括多鐵態(tài)材料的耦合機(jī)理與傳感應(yīng)用，壓電聲學(xué)微納器件與IC接口電路，磁電傳感器等。近期，課題組基于AlN/AlScN（氮化鋁）壓電薄膜的射頻濾波器、聲學(xué)換能器（PMUT）與磁電傳感器的研究成果先后在《自然》子刊《微系統(tǒng)與納米工程》（Microsystems & Nanoengineering）和第34屆微機(jī)電系統(tǒng)國(guó)際會(huì)議（34th IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems） 發(fā)表。這些研究成果將傳感設(shè)計(jì)與微納制造結(jié)合，充分利用了基于微機(jī)電系統(tǒng)器件的小尺寸、高性能特點(diǎn)，在推動(dòng)器件微型化的應(yīng)用中具有良好的前景。

新型AlN MEMS濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)

5G通信為追求更快的通信速率而分配了更寬的頻段。射頻帶通濾波器用于選擇所需信號(hào)，過(guò)濾無(wú)關(guān)的信號(hào)，是通信前端的關(guān)鍵。MEMS濾波器以其緊湊的尺寸、低成本和出色的濾波性能脫穎而出。為了提高基于MEMS濾波器的帶寬，課題組提出了一種具有極高帶寬擴(kuò)展能力的AlN MEMS濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。研究主要在三個(gè)方向?qū)EMS濾波器進(jìn)行了廣泛的探索：實(shí)現(xiàn)高耦合的振動(dòng)模態(tài)、探索高壓電系數(shù)的材料（例如摻鈧氮化鋁AlScN和鈮酸鋰LiNbO₃）以及使用混合拓?fù)鋵?duì)聲學(xué)諧振器擴(kuò)展帶寬。

針對(duì)基于AlN壓電聲學(xué)諧振濾波器帶寬較小的問(wèn)題，課題組與合作者提出了一種具有極高帶寬擴(kuò)展能力的AlN MEMS濾波器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。在實(shí)驗(yàn)中將AlN蘭姆波諧振器與表面貼裝集總元件整合后進(jìn)行了驗(yàn)證，使得在僅使用一個(gè)諧振器的情況下，就可以將耦合系數(shù)僅有0.94%的諧振器拓展至5.6%的比例帶寬，是傳統(tǒng)拓?fù)涞募s12倍。這項(xiàng)技術(shù)有望作為5G N77/N79等高寬帶通信的解決方案。吳濤教授為本論文通訊作者。

新型洛倫茲力磁傳感器

課題組設(shè)計(jì)出一種基于橫向高階體聲諧振器（LOBAR）的垂直磁場(chǎng)檢測(cè)的洛倫茲力磁傳感器，該傳感器利用垂直磁場(chǎng)產(chǎn)生的洛倫茲力激勵(lì)氮化鋁（AlN）薄膜發(fā)生諧振，通過(guò)壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，建立起磁場(chǎng)強(qiáng)度與電壓幅值之間的關(guān)系。該設(shè)計(jì)沒(méi)有使用任何磁性材料，降低了成本也避免了磁性材料帶來(lái)滯后和飽和效應(yīng)。由于采用高階模式，該磁傳感器在大氣壓力下可以在261 MHz高諧振頻率下工作，獲得250 KHz的高帶寬。通過(guò)縮小傳感器的尺度,可以使器件工作在GHz的頻率。2020級(jí)博士研究生邵率為第一作者和通訊作者。上?？萍即髮W(xué)為該研究的第一完成單位，美國(guó)伊利諾伊大學(xué)香檳分校為合作單位。

新型氮化鋁電感耦合等離子體刻蝕技術(shù)

課題組提出了氮化鋁電感耦合等離子體刻蝕的機(jī)理，并通過(guò)多參數(shù)的綜合分析優(yōu)化獲得了優(yōu)良的刻蝕效果，刻蝕側(cè)壁的傾角是目前已報(bào)道的最好結(jié)果。電感耦合等離子體刻蝕技術(shù)在基于氮化鋁和鈧摻雜氮化鋁薄膜的微納器件制造中被廣泛使用，且刻蝕效果顯著影響器件的性能。與傳統(tǒng)的工作相比，該研究的優(yōu)化方法更系統(tǒng)和有效。2019級(jí)碩士研究生羅智方為第一作者和通訊作者，上海科技大學(xué)為第一完成單位。

超聲測(cè)距新方法

課題組研究了基于氮化鋁薄膜的超聲換能器的超聲測(cè)距的新方法。在本文的設(shè)計(jì)中，通過(guò)電路耦合，將PMUT的激勵(lì)信號(hào)疊加到輸出信號(hào)上，再通過(guò)兩個(gè)信號(hào)的相位信息確定待測(cè)距離與聲波波長(zhǎng)的關(guān)系。這種方法消除了傳統(tǒng)TOF測(cè)距方式的回波干擾問(wèn)題，能在短距離測(cè)距中提高精度。2020級(jí)碩士研究生蔡俊翔為該論文的第一作者，2020級(jí)博士研究生劉康福為第二作者，吳濤教授為通訊作者。上海科技大學(xué)為第一完成單位，上海微技術(shù)工業(yè)研究院為合作單位。

上述研究均得到了國(guó)家自然科學(xué)基金、上海自然科學(xué)基金、上?？萍即髮W(xué)啟動(dòng)經(jīng)費(fèi)，以及上海科技大學(xué)公共科研平臺(tái)（量子器件中心、軟納米平臺(tái)、分析測(cè)試平臺(tái)）的大力支持。

論文名稱及鏈接：

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

論文鏈接：https://doi.org/10.1038/s41378-020-00183-5

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

論文鏈接：https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/9375335/

3. Optimization of AlN and AlScN Film ICP Etching，

論文鏈接：https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/9375464

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

論文鏈接：https://ieeexplore.ieee.org/abstract/document/9375241/