AlN压电MEMS器件噪声行为的建模与测量研究
微机电系统（MEMS）作为一种将机械功能与电子信号处理集成于微观尺度的技术平台，近年来在多种应用中展现出广泛前景。其中，压电MEMS因具备高灵敏度和高能效等优势，成为研究和开发的热点。这一技术特别适用于精密传感、执行及信号转换领域，广泛应用于新兴技术中。然而，噪声对这类MEMS器件的性能构成了显著限制，尤其是在检测微弱信号时，噪声可能干扰测量精度。因此，深入探究压电MEMS结构中的本征噪声机制，对于提升其性能至关重要。
近日，来自维也纳工业大学与加州理工学院的研究团队联合发布了一项关于氮化铝（AlN）压电MEMS器件噪声行为的系统研究。该研究结合实验与建模方法，对噪声来源进行了详尽分解，包括来自压电层的热噪声、放大器输入电压与电流噪声，以及放大器偏置电阻的热噪声。研究团队在Hz至MHz频段范围内进行测量，观察到在低频区域存在显著的1/f噪声特征，此时放大器相关噪声占主导地位。提出的电噪声建模框架成功复现了实测数据，证明其在全频段噪声贡献识别方面的有效性。
实验还分析了温度对器件性能的影响。研究发现，当工作温度由300 K降至80 K时，AlN压电层的电容减少约3%，损耗角正切下降约75%，这一变化与热噪声的减少趋势一致。研究结果为压电MEMS在低温环境中的低噪声应用提供了理论与实验支持，并为下一代高灵敏度MEMS/NEMS传感器与执行器的设计提供了方向。
该研究成果以“Modeling and Measurement of Noise in Aluminium Nitride Piezoelectric MEMS”为题，发表于《Advanced Electronic Materials》期刊。
图1展示了该研究中压电MEMS器件的主要制备工艺流程。采用绝缘体上硅（SOI）晶圆作为衬底，埋氧层（BOX）厚度为500 nm，器件层为2 µm。压电层通过直流磁控溅射技术沉积，使用6英寸铝靶制备400 nm厚的AlN薄膜。最终形成的压电薄板结构如图1h所示。
图1 压电MEMS结构的制备工艺流程
该器件由两层电极和中间的压电薄膜组成，其电学行为类似于电容器。在噪声分析中，重点考察了电阻率（Rp）、电容（Cp）及介电损耗（tan δ）等关键参数。阻抗测量通过Keysight E4990A阻抗分析仪完成，其连接方式如图2a所示。
图2 噪声与阻抗测量的实验设置
由于该压电结构具有高阻抗与低输出信号的特点，实验中引入了低噪声放大器（Sierra Amps，SA-1）和数据采集单元。实验设置分为两个独立房间，一间用于放置常规测试设备，另一间为法拉第室，用以减少外部电磁干扰。
图3 压电MEMS结构噪声测量的实验设置
研究团队开发了一种等效噪声电路模型，将实验设置中的各类噪声源纳入其中，包括压电MEMS的热噪声、输入电压噪声、输入电流噪声以及偏置电阻的热噪声。通过构建等效电路模型，研究者能够系统分析各噪声贡献的相对影响，并计算出总噪声谱密度。
研究对象为尺寸为6 × 6 mm²的压电MEMS芯片，采用层叠结构，包括硅衬底、绝缘的SiNₓ/SiO₂层、Cr/Au电极以及夹在其中的AlN压电层。研究人员对芯片进行了电学、机械和结构表征，以支持后续噪声建模与测量。
在低温恒温器中，研究团队进行了温度相关测试。Pt-100传感器记录了温度变化，测量结果显示，在300 K和80 K条件下，器件的绝对阻抗与相位角呈现频率依赖性。图4c显示了不同温度下的电容与损耗角正切变化，80 K下电容下降3%，损耗角正切下降75%。
图4 压电MEMS结构在不同温度下的电学表征
噪声测量结果在室温和低温条件下分别呈现。图5a对比了各独立噪声源的噪声谱密度与总噪声谱的实测数据，显示出明显的1/f噪声特征。
图5 DUT在（a）室温和（b）低温下的实测与建模噪声谱密度对比
当DUT冷却至80 K而低噪声放大器仍处于室温时，噪声谱密度变化如图5b所示。结果显示，放大器相关的噪声贡献保持稳定，而DUT的热噪声因温度下降明显减少。
这项研究将实验测量与噪声建模有机结合，深入解析了AlN压电MEMS器件在不同温度条件下的噪声行为。低温环境下，器件热噪声显著降低，整体噪声水平得到改善，特别是在低频范围。所提出的建模方法能够准确识别各类噪声源，揭示了不同频段的主导机制。实测与建模结果的高度一致验证了模型的有效性，并突出了系统阻抗在噪声频率依赖性中的关键作用。
研究指出，通过进一步优化材料质量、封装寄生效应和放大器集成策略，有望实现更高的检测灵敏度。该成果为MEMS低温传感器的性能提升提供了实验依据与可行路径。
论文链接：https://doi.org/10.1002/aelm.202500476
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