薄膜体声波谐振器(FBAR)力传感器作为一种新型的谐振式传感器, 力敏特性是其设计原理。以FBAR微加速度计为例研究了工作在纵波模式, 采用具有纤锌矿结构的AlN作为压电薄膜的FBAR, 施加应力载荷后, 其弹性常数改变导致FBAR谐振频率偏移的力敏特性。首先, 采用有限元(FEA)静力学仿真, 得到惯性力载荷作用下集成在硅微悬臂梁上的压电薄膜的应力分布;选取最大应力值作为载荷, 基于第一性原理计算纤锌矿AlN的弹性系数与应力的关系式, 预测惯性力载荷作用下AlN弹性系数的最大变化量。其次, 采用谐响应分析, 对比空载和不同惯性力载荷作用下FBAR微加速度计的谐振频率和偏移特性, 预测FBAR微加速度计的加速度-谐振频率偏移特性。最后仿真分析得到: 惯性力载荷作用下, FBAR微加速度计的谐振频率向高频偏移, 灵敏度约为数kHz/g;其加速度增量-谐振频率偏移特性曲线具有良好的线性度。

无源谐振腔的有效谐振频率(被测得谐振频率)偏移作为参考的基模谐振频率的效应是谐振腔中存在的高阶横模所引起的。由光探测器光接收孔径的有限性或表面的不均匀性而导致各阶横模的空间不正交性, 是引起谐振频率偏移效应的主要原因。对此作了详细研究, 并对计算结果进行了讨论, 总结出谐振频率偏移与谐振腔各参量的相互关系, 从而提出减小这种效应的有效措施。