第69期“见微知著”培训课程：微纳谐振器及应用

麦姆斯咨询　｜　2025-04-18至2025-04-20　｜　无锡新吴区

五、课程内容

课程一：纳机电（NEMS）谐振器及应用

老师：上海交通大学 教授 杨睿（点此查看老师简介）

实现和操纵微纳机械结构及机器人一直是人类梦想与科技探索的交汇点。机械结构小型化的科学成就和技术里程碑已通过半导体制造技术在硅晶圆中广泛实现。随着低维纳米材料（包括一维纳米线/纳米管和以石墨烯为代表的二维原子层状材料）的多学科领域蓬勃发展，同时借助于精密微纳加工技术，机械结构及器件也不断朝着小型化的极限而发展——并且已经达到了分子甚至原子尺度。研究人员利用一维/二维纳米材料天然的维度优势，成功开发了接近极限尺寸的纳机电（NEMS）谐振器，具有卓越的器件级属性，例如超低质量、超宽频率调谐范围、宽动态范围和超低功耗，从而为基础研究和工程应用都带来了巨大的发展前景。例如在传感方面，纳机电谐振器可用于实现高性能的压力传感器、惯性传感器、质量传感器、测辐射热计等。本课程全面阐述基于一维/二维纳米材料的纳机电谐振器的发展脉络、重要成果、器件设计与性能调控，深入讲解基于纳机电谐振器的传感和射频器件，最后对纳机电谐振器进行技术总结与机遇展望。

课程提纲：

1. 纳机电谐振器概述；

2. 一维/二维纳机电谐振器的设计与性能调控；

3. 基于纳机电谐振器的传感器件；

4. 基于纳机电谐振器的射频器件；

5. 纳机电谐振器总结与展望。

课程二：非线性MEMS谐振器与频率梳

老师：上海交通大学 副教授 邵磊（点此查看老师简介）

随着MEMS产品渗透到社会生活的各个领域，其工作的可靠性及稳定性日益受到人们的关注。MEMS谐振器动力学响应直接影响MEMS产品的工作效果，因而研究清楚MEMS谐振器的非线性动力学响应与表面效应、吸收分子质量与能量、机电耦合作用等物理和几何量的依赖关系，揭示MEMS谐振器的物理本质，是成功设计及应用MEMS产品的关键。由于MEMS谐振器在标称驱动功率水平下也能表现出强大的模态耦合，并且可通过电学、光学等多种方法进行表征，使其成为产生和研究声学频率梳的理想平台。MEMS声学频率梳的典型应用包括时间测量与频率合成、声学测距与成像、气体/湿度/温度传感等，频率梳设计方案可根据具体应用需求在“（1）直接利用内共振效应；（2）结合内共振效应与外部激励调控；（3）多谐振器联合构建”等方法中进行选择与权衡。本课程详细讲解MEMS谐振器结构非线性动力学响应机理，以及模态耦合与内共振效应，进而引出MEMS频率梳并阐述其设计方法、锁频技术与时钟应用。

课程提纲：

1. MEMS谐振器非线性动力学原理及种类；

2. MEMS谐振器模态耦合与内共振；

3. MEMS频率梳概念及设计方法；

4. MEMS频率梳非线性动力学行为；

5. MEMS频率梳锁频技术与超精准时钟应用。

课程三：压电MEMS谐振器与振荡器

老师：武汉大学 教授 吴国强（点此查看老师简介）

时钟器件犹如电子设备的“心脏”，提供时间参考和频率基准。近些年，MEMS时钟器件（例如MEMS振荡器）是MEMS细分市场增速领先的产品。相比传统的石英晶体振荡器，压电MEMS振荡器具有小尺寸、高可靠性、低功耗和可编程等优势，在可穿戴设备、物联网、智能手机、汽车、人工智能（AI）等领域具有广阔的应用前景。以汽车应用为例，石英晶体振荡器容易受到振动、冲击以及极端温度的影响，并随着时间的推移出现性能退化——这使得传统的时钟器件成为当今复杂汽车电子系统中最薄弱的环节之一，而车规级MEMS振荡器则可以应对这一安全性和可靠性挑战。在新产品方面，全球MEMS振荡器领先厂商SiTime近期推出了面向人工智能数据中心应用的Chorus™系列MEMS时钟发生器，可以为人工智能训练和推理节省大量能源并降低成本。目前，英伟达（Nvidia）面向人工智能的以太网平台Spectrum-X交换机已经采用了该系列MEMS时钟发生器。近些年，武汉大学吴国强教授团队围绕MEMS谐振器能量损耗抑制机理和频率-温度特性调控两大技术难题，提出了机械耦合结构设计和超重掺杂/晶向调节两类被动式温度补偿方案，研制出具有高频率稳定性的MEMS谐振器，并制造出温度补偿MEMS振荡器和微腔恒温MEMS振荡器样品。本课程介绍MEMS谐振器与振荡器基础知识，重点讲授压电MEMS谐振器设计理论和关键技术，深入剖析“温度补偿”和“微腔恒温”两类时钟器件。

课程提纲：

1. MEMS谐振器、振荡器及时钟概念、原理及分类；

2. MEMS时钟器件产业情况及主要厂商；

3. 压电MEMS谐振器设计理论；

4. 压电MEMS谐振器关键技术；

5. 温度补偿压电MEMS谐振器与振荡器；

6. 微腔恒温压电MEMS谐振器与振荡器。

课程四：宽禁带MEMS/NEMS谐振器及应用

老师：南京邮电大学 教授 郑旭骞（点此查看老师简介）

宽禁带MEMS/NEMS谐振器是指利用MEMS/NEMS技术加工宽禁带半导体材料（例如氮化镓、氧化镓、氮化铝）制成的微纳谐振器。相比硅材料，宽禁带材料具有更高的热稳定性、更强的电流承载能力、更快的频率响应、更高的功率效率等优点，这使得宽禁带器件在高温、高频、高功率等极端环境下的应用表现出更好的性能和可靠性。MEMS/NEMS谐振器因其具有超高的谐振频率、品质因数（Q值）和灵敏度等优越特性，在物理传感、生化检测、射频通信、能量收集等方面表现出了卓越的性能而备受关注。MEMS/NEMS谐振器常见的结构设计包括悬臂梁、双端固支梁、圆形鼓面、圆环等，这些结构可以根据具体应用的需求和谐振器的工作原理进行选择和优化。此外，能量耗散是影响谐振器性能提升和应用发展的关键之一，如何有效减少能量耗散成为设计高性能谐振器的核心挑战。本课程深入讲解宽禁带MEMS/NEMS谐振器原理与技术（从设计与制备到性能调控），以及在传感与射频领域的应用案例。

课程提纲：

1. 宽禁带MEMS/NEMS谐振器概述；

2. 宽禁带MEMS/NEMS谐振器的设计与制备；

3. 宽禁带MEMS/NEMS谐振器的驱动与测量；

4. 宽禁带MEMS/NEMS谐振器基础性能及其调控；

5. 基于宽禁带MEMS/NEMS谐振器的传感器件；

6. 基于宽禁带MEMS/NEMS谐振器的射频器件；

7. 宽禁带MEMS/NEMS谐振器的总结与展望。

课程五：SAW和BAW谐振器与滤波器

老师：西南科技大学 研究员 高杨（点此查看老师简介）

随着智能手机支持的射频频带数量急剧增加，用于射频频带相互隔离的滤波器市场需求旺盛。压电声学谐振器是当前移动通信领域射频滤波器的核心组件，产品主要涉及两大类：声表面波（SAW）和体声波（BAW），其中SAW谐振器包括Normal SAW、TC-SAW、TF-SAW等类型；BAW谐振器包括SMR、FBAR、XBAR等类型。此外，随着单晶压电薄膜制备工艺的不断发展，以兰姆波为代表的声板波（PAW）谐振器也引起了广泛关注，其具有较高的品质因数、适当的机电耦合系数、低损耗及小体积等特点。在压电材料方面，氮化铝（AlN）平台发展已较成熟，提高掺杂材料（例如Sc）的成熟度是AlN平台面临的主要挑战。同时，探寻基于AlN材料的新型谐振模式以实现工作在X波段至Ka波段的芯片级滤波器是声学谐振器未来的发展方向之一。铌酸锂（LiNbO₃）薄膜平台在智能剥离（Smart Cut™）技术的助力下快速发展，有望成为一个实现高性能声学谐振器的通用材料平台。本课程综述SAW和BAW谐振器研究进展，深入讲解SAW和BAW滤波器技术演进并剖析代表案例，此外还介绍基于SAW和BAW谐振器的传感器。

课程提纲：

1. SAW和BAW谐振器概述；

2. SAW和BAW谐振器研究进展分析；

3. SAW和BAW滤波器技术演进及代表案例；

4. 基于SAW和BAW谐振器的传感器；

5. SAW和BAW谐振器总结与展望。

课程六：基于铌酸锂压电薄膜的MEMS谐振器与滤波器

老师：上海科技大学 研究员 吴涛（点此查看老师简介）

随着5G通信技术在全球快速商业化，市场对5G频段的射频滤波器需求急剧增长。日益拥挤的Sub-6 GHz通信频带，对射频系统提出了更严苛的要求。低插损、高带宽、高滚降系数和低温漂的滤波器成为了通信行业的迫切需求。基于微纳制造技术的压电声学谐振器作为实现高性能射频滤波器的有效解决方案之一，具有高性能、低成本、器件尺寸小的优点，因此备受关注。Normal SAW和TC-SAW器件的频率通常小于2.5 GHz，TF-SAW器件使用高声速层/衬底部分弥补了这一缺点，但也仅能达到3.5 GHz。FBAR和SMR BAW器件则可以工作在约1 ~ 7 GHz。而XBAR器件则可以工作在约3 ~ 20 GHz的区间内，在高频和高带宽应用上都有很大的优势。本课程根据常见压电材料的材料性质，分析氮化铝（AlN）和铌酸锂（LiNbO₃）薄膜在声学滤波技术中备受关注的原因；介绍不同声学谐振器原理、结构和关键参数，以及构成滤波器的拓扑结构；解析有望应用于5G频段的基于铌酸锂薄膜谐振器/滤波器的核心技术，着重讲授横向激发体声波谐振器（XBAR）的原理、设计及其在5G Sub-6 GHz乃至毫米波频段滤波器中的应用。

课程提纲：

1. 压电谐振器/滤波器基本原理；

2. 压电谐振器等效模型；

3. 压电LiNbO₃薄膜切向选型；

4. 基于LiNbO₃薄膜的XBAR谐振器与滤波器；

5. 基于LiNbO₃薄膜的MEMS谐振器与滤波器技术展望。

课程七：柔性和超高频SAW谐振器及传感应用

老师：湖南大学 教授 周剑（点此查看老师简介）

SAW器件的声波传播能量主要集中在固体表面，当固体表面受到外界的刺激时，声波的速度发生变化，导致谐振频率变化，通过探测频率偏移，可实现对外界参量（例如压力、温度、湿度、气体浓度、生化物质、曲度）的探测。基于质量负载效应（即吸附质量导致频率偏移）的SAW传感器灵敏度与其工作频率正相关，因此提高SAW谐振器工作频率对于微量/痕量检测应用显得非常重要。湖南大学周剑教授等人在LiNbO₃/SiO₂/SiC异质结构衬底材料上制作了波长为160 nm、线宽为35 nm的叉指换能器，实现了最高工作频率约为44 GHz的超高频SAW谐振器。另外，在柔性SAW器件方面，相较于传统的硬质SAW器件，它能够贴附在曲面上进行弯曲曲面监测，在可穿戴传感、智能蒙皮等领域具有广泛的应用前景。本课程综述柔性和超高频SAW谐振器的基本原理、设计、制造和传感应用方面的进展，重点讲授高性能柔性SAW谐振器在材料选择（包括柔性衬底和压电薄膜）和结构设计方面的挑战，系统地总结柔性和超高频SAW谐振器的制造策略、波模式理论，以及传感应用的工作机理、弯曲应变行为、性能/评估方面的最新进展。

课程提纲：

1. 基于SAW谐振器的传感原理；

2. 柔性SAW谐振器设计与制造；

3. 基于柔性SAW谐振器的传感应用

4. 超高频SAW谐振器设计与制造；

5. 基于超高频SAW谐振器的传感应用；

6. 无线无源SAW传感器。

课程八：压电MEMS谐振器及传感器

老师：合肥工业大学 副教授 钱金贵（点此查看老师简介）

压电MEMS谐振器利用压电材料的正/逆压电效应实现高精度振动和信号控制，具有高稳定性、高品质因数、低成本等优势，可应用于MEMS时钟、滤波器和传感器。常用的压电材料包括氮化铝（AlN）、掺钪氮化铝（ScAlN）、铌酸锂（LiNbO₃）、钽酸锂（LiTaO₃）等。目前，谐振器的小/微型化是业内的关注点之一，小/微型化有助于产率提高及成本降低。而如何在小尺寸/小空间下进行谐振器的优化设计是影响MEMS谐振器性能的关键要素。基于压电MEMS谐振器的传感器通过检测由外部刺激产生的谐振频率变化从而实现对各种物理量的测量，相比传统的压阻式或电容式MEMS传感器，其具有高灵敏度、高精度、高频响应、宽动态范围等特点，在惯性传感、压力感测、质量检测、微粒探测、生物检测等方面发展前景广阔。本课程从产业现状出发，深入讲授压电MEMS谐振器核心技术，涵盖设计理论、制造技术，以及各种传感应用。

课程提纲：

1. MEMS谐振器基本概念与原理；

2. MEMS谐振器产业概况；

3. 压电MEMS谐振器设计理论；

4. 压电MEMS谐振器制造技术；

5. 压电MEMS谐振器传感应用；

6. 压电MEMS谐振器总结与展望。

课程九：硅微谐振式压力传感器

老师：西安交通大学 教授 方续东（点此查看老师简介）

硅微谐振式压力传感器通过检测硅微机械结构（MEMS谐振器）的谐振频率变化而实现压力信号的测量，其工作方式包括静电激励/压阻检测、静电激励/电容检测、电磁激励/电磁检测、压电激励与压电检测、电热激励/压阻检测。温漂和时漂是决定硅微谐振式压力传感器精度的主要难题：因为温度应力、封装/组装应力、残余应力等均会转化为传感器频率漂移，所以如何减小和抑制各种应力是解题的关键。硅微谐振式压力传感器作为目前精度最高、稳定性最好的MEMS压力传感器之一，已被应用于航空探测、气象观测、海洋监测、计量校准、光刻机等高端领域。全球硅微谐振式压力传感器主要供应商包括英国德鲁克（Druck）、日本横河电机（Yokogawa Electric）、法国泰雷兹（Thales）、美国霍尼韦尔（Honeywell），以及中国中科思尔、中国芯动联科等。本课程全面介绍谐振式MEMS压力传感器知识和经验，从工作原理到设计与制造、封装与测试，最后阐述技术发展趋势。

课程提纲：

1. 硅谐振式压力传感器概述；

2. 硅微谐振器发展历程、原理、分类；

3. 硅微谐振式压力传感器设计；

4. 硅微谐振式压力传感器制造；

5. 硅微谐振式压力传感器测试；

6. 硅微谐振式压力传感器技术发展趋势及应用展望。

课程十：⾼性能谐振式硅基MEMS加速度计

老师：东南大学 副教授 丁徐锴（点此查看老师简介）

谐振式硅基MEMS加速度计是一种基于硅微机械谐振器（例如梁、桥、膜、环、叉指等结构）测量加速度的传感器，其工作原理是通过检测惯性力导致谐振器的谐振频率变化，从而实现加速度信号的测量。对于常用的微梁结构，谐振式硅基MEMS加速度计主要有悬臂梁式和双音叉式两种：（1）悬臂梁式的优点是结构简单、易于制造，但存在交叉干扰，而且难以抑制共模信号及温度影响，因此适合中等精度工业监测；（2）双音叉式的优点是稳定性高、抗温漂能力强，但结构复杂、制造难度高，适合高精度惯性导航及重力测量。近些年，国内科研机构对于谐振式硅基MEMS加速度计的研究进展迅速，目前正在向产业化阶段迈进，主要有清华大学、南京理工大学、东南大学、华中科技大学、浙江大学、中国科学院等。本课程全面阐述谐振式硅基MEMS加速度计关键技术及研究现状。此外，在提升传感器性能和可靠性方面，本课程还深入讲解针对振动与冲击的优化方法、静电刚度调谐方法、静电负刚度增敏方法。

课程提纲：

1. 谐振式硅基MEMS加速度计基本原理；

2. 谐振式硅基MEMS加速度计研究现状；

3. 振动与冲击优化的谐振式硅基MEMS加速度计；

4. 基于静电刚度调谐的谐振式硅基MEMS加速度计；

5. 基于静电负刚度增敏的谐振式硅基MEMS加速度计；

6. 谐振式硅基MEMS加速度计中的测频分析。

课程十一：MEMS谐振式微悬臂梁及应用

老师：中国科学院上海微系统与信息技术研究所 研究员/厦门海恩迈科技有限公司 总经理 于海涛（点此查看老师简介）

MEMS谐振式微悬臂梁是一种以悬臂梁为结构单元，采用MEMS制造工艺在硅晶圆上制作的微型谐振器。这种谐振器具有与IC兼容、可批量制造、低成本、小体积、易集成等特点，在生化传感、气体检测、热重分析、材料测试等应用领域具有巨大的市场潜力。厦门海恩迈科技有限公司（简称：海恩迈科技）自主研发了两大类MEMS谐振式微悬臂梁传感芯片：Libra和Phoenix，它们利用谐振式微悬臂梁的谐振频率变化与质量变化之间的定量关系来测量微小质量，通过与不同敏感材料搭配，可制备多种多样高灵敏的质量型气敏传感器，同时也可用于热力学/动力学参数的测量。海恩迈科技以MEMS谐振式微悬臂梁传感芯片为核心，还开发了多种分析仪器，包括微悬臂梁气敏测试系统、界面热力学/动力学参数分析仪、芯片式热重分析仪等。本课程详解MEMS谐振式微悬臂梁芯片设计与制造，并介绍生化传感应用及分析仪器技术，最后对MEMS谐振式微悬臂梁技术进行总结与展望。

课程提纲：

1. MEMS谐振式微悬臂梁概述；

2. MEMS谐振式微悬臂梁芯片设计与制造；

3. MEMS谐振式微悬臂梁的生化传感应用；

4. 基于MEMS谐振式微悬臂梁的分析仪器技术；

5. MEMS谐振式微悬臂梁技术总结与展望。

课程十二：谐振型光声光谱气体传感器

老师：西安电子科技大学 副教授 刘丽娴（点此查看老师简介）

谐振型光声光谱气体传感器是一种基于光声效应的高灵敏度、高选择性气体检测器件，其利用气体分子对特定波长光的吸收，产生周期性热膨胀，从而激发声波信号，并通过高品质因数的光声谐振腔放大信号，从而实现对ppb级甚至ppt级气体的痕量检测，同时也可满足复杂环境下多组分气体检测的要求，典型应用领域包括环境监测、工业安全、医疗诊断、安防与国防等。如今，对多组分气体进行同时检测并结合人工智能算法已经成为气体传感领域的发展趋势，例如对空气中多组分气体同时监测有助于形成更好的环境评价体系；实时监测流程工业过程中的多种关键气体能够保障生产的可靠运行和作业人员的生命安全；检测人体呼出的多种气体（生物标志物）可以提高疾病诊断的准确性。在过去的几十年里，半导体激光器和高灵敏度MEMS麦克风的发展对光声光谱气体传感器的科学研究和产业应用起到了关键的助推作用。此外，利用光声谐振腔将微弱的光声信号通过共振的方式放大，也对提高光声光谱气体检测技术的灵敏度具有重要意义。本课程首先概述光声光谱气体传感器基础知识及发展历程，然后讲解光声谐振腔技术原理，重点剖析谐振型光声光谱气体传感器关键技术，从设计与优化到制造与测试，最后进行技术总结与展望。

课程提纲：

1. 光声光谱气体传感器概述；

2. 光声谐振腔技术原理；

3. 谐振型光声光谱气体传感器设计与优化；

4. 谐振型光声光谱气体传感器制造与测试；

5. 谐振型光声光谱气体传感器总结与展望。