真空封装的30%掺杂ScAlN谐振器，配备AlN吸收器，用于红外光谱分析

《Journal of Microelectromechanical Systems》：Vacuum-Packaged 30%-Doped ScAlN Resonators With AlN Absorbers for IR Spectroscopy

基于ScAlN横向振动谐振器与等离子体吸收器的红外气体传感器，在4.5 μm处实现高选择性吸收，Q值达2000，响应时间6 ms，NEP 320 pW/Hz，采用AlN/SiO2材料组合优化热隔离与温度系数匹配，支持多气体传感芯片无掩模集成。

　　

摘要：

本文介绍了一种基于氮化钪铝（ScAlN）横向振动谐振器的高性能红外传感器，该谐振器集成了等离子体吸收器以实现光谱选择性的红外吸收。所提出的技术能够实现快速、紧凑且高分辨率的红外检测，非常适合用于在大范围内进行长时间的环境监测的移动气体光谱系统。该传感器被设计为在4.5 μm波长处具有高红外吸收率，这与N2O的吸收峰相匹配。实验结果表明，该谐振器的机械品质因数（Qm）高达2000，机电耦合系数（kt）为2.7%，响应频率为0.9 Hz/nW，响应时间为6 ms，噪声等效功率（NEP）为320 pW/Hz。虽然本系统主要关注4.5 μm波长，但吸收波长可以通过光刻技术进行调节，从而无需使用额外掩模即可在同一芯片上制造多种气体传感器。与以往的谐振红外探测器相比，本工作的关键创新在于采用了新型材料堆栈：在金属-绝缘体-金属（Metal-Insulator-Metal）等离子体吸收器中使用氮化铝（AlN）作为电介质，并在声学谐振腔中使用了掺杂30%的氮化钪铝（ScAlN）。这种组合通过利用ScAlN较高的热阻以及AlN相比二氧化硅（SiO2）更高的温度系数（TCF）来提升传感器性能。传统上，由于SiO2的光学特性，它被用于红外吸收；然而，SiO2的正温度系数会降低谐振器的热响应。在本研究中，通过数百个实验装置详细探讨了几何参数对传感器性能的影响，包括束缚配置和锚点宽高比对传感器品质因数、热隔离性能、响应时间和温度系数的影响。经过优化后，获得了最佳性能...

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