壓電MEMS傳感器介紹及原理解析

一、壓電效應(yīng)及壓電材料

1、壓電效應(yīng)

壓電材料是指受到壓力作用在其兩端面會出現(xiàn)電荷的一大類單晶或多晶的固體材料，它是進行能量轉(zhuǎn)換和信號傳遞的重要載體。最早報道材料具有壓電特性的是法國物理學家居里兄弟，1880年他們發(fā)現(xiàn)把重物放在石英晶體上，晶體某些表面會產(chǎn)生電荷，電荷量與壓力成正比，并將其成為壓電效應(yīng)。壓電效應(yīng)可分為正壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)兩種。某些介電體在機械力作用下發(fā)生形變，使介電體內(nèi)正負電荷中心發(fā)生相對位移而極化，以致兩端表面出現(xiàn)符號相反的束縛電荷，其電荷密度與應(yīng)力成比例。這種由“壓力”產(chǎn)生“電”的現(xiàn)象稱為正壓電效應(yīng)。反之，如果將具有壓電效應(yīng)的介電體置于外電場中，電場使介質(zhì)內(nèi)部正負電荷位移，導致介質(zhì)產(chǎn)生形變。這種由“電”產(chǎn)生“機械變形”的現(xiàn)象稱為逆壓電效應(yīng)。

2、壓電材料

（1）壓電單晶

壓電單晶是指按晶體空間點陣長程有序生長而成的晶體。這種晶體結(jié)構(gòu)無對稱中心，因此具有壓電性。如石英晶體、鎵酸鋰、鍺酸鋰、鍺酸鈦以及鐵晶體管鈮酸鋰、鉭酸鋰等。壓電單晶材料的生長方法包括水熱法、提拉法、坩堝下降法和泡生法等。

（2）壓電陶瓷

壓電陶瓷則泛指壓電多晶體， 是指用必要成份的原料進行混合、成型、高溫燒結(jié)，由粉粒之間的固相反應(yīng)和燒結(jié)過程而獲得的微細晶粒無規(guī)則集合而成的多晶體， 具有壓電性的陶瓷稱壓電陶瓷。壓電陶瓷材料具有良好的耐潮濕、耐磨和耐高溫性能，硬度較高，物理和化學性能穩(wěn)定。壓電陶瓷材料包括鈦酸鋇BT、鋯鈦酸鉛PZT、改性鋯鈦酸鉛、偏鈮酸鉛、鈮酸鉛鋇鋰PBLN、改性鈦酸鉛PT等。

（3）壓電薄膜

壓電薄膜材料是原子或原子團經(jīng)過或濺射的方法沉積在襯底上而形成的，其結(jié)構(gòu)可以是費靜態(tài)、多晶甚至是單晶。壓電薄膜制備的器件不需要使用價格昂貴的壓電單晶，只要在襯底上沉積一層很薄的壓電材料，因而具有經(jīng)濟和省料的特點。而且制備薄膜過程中按照一定取向來沉積薄膜，不需要進行極化定向和切割等工藝。另外，利用壓電薄膜制備的器件應(yīng)用范圍廣泛、制作簡單、成本低廉，同時其能量轉(zhuǎn)換效率高，還能與半導體工藝集成，符合壓電器件微型化和集成化的趨勢。

壓電薄膜的主要制備方法

目前應(yīng)用較為廣泛的壓電薄膜材料主要有氮化鋁AlN)、氧化鋅(ZnO)和 PZT系列的壓電薄膜材料。性能比較如下表所示：

AlN是一種具有纖鋅礦結(jié)構(gòu)的重要III-V族氮化物，其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性高。與ZnO和PZT壓電薄膜相比較，AlN薄膜的壓電響應(yīng)較低，但是其優(yōu)點在于AlN薄膜的聲波速較高，這就使得AlN薄膜可以用來制備高頻下如GHz的濾波器件和高頻諧振器等。此外，AlN壓電薄膜是一種很好的高溫材料，因為AlN材料的壓電性在溫度為1200℃時依舊良好，所以AlN壓電薄膜器件能夠適應(yīng)高溫環(huán)境，該薄膜材料還具有很高的化學穩(wěn)定性，在腐蝕性工作環(huán)境下薄膜器件依舊能夠正常工作而不受影響。AlN材料還具有良好的熱傳導性能，在器件工作時會及時將產(chǎn)生的熱量傳導出去，不會因為產(chǎn)熱過多而減少器件的使用壽命。由于AlN薄膜材料的多方面性能優(yōu)點使其得到了相應(yīng)的應(yīng)用。例如基于AlN壓電薄膜的體聲波諧振器（FBAR），其諧振頻率可達GHz，在通訊領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。

ZnO與AlN一樣具有纖鋅礦結(jié)構(gòu)。高質(zhì)量高c軸擇優(yōu)取向的ZnO具有很好的壓電性能。ZnO晶格常數(shù)與硅襯底相差不多，所以晶格匹配度高。目前制備潔凈度高的ZnO薄膜技術(shù)已經(jīng)很成熟。然而，ZnO很大的缺陷在于難以用于惡劣的環(huán)境，由于其是兩性氧化物，所以抗腐蝕的能力很弱，這就影響了其在一些特定環(huán)境下的應(yīng)用。

鋯鈦酸鉛是由PbTiO3和PbZrO3組成的二元系固溶體，其化學式為Pb（Zr1-xTix）O3，簡寫為PZT。PbTiO3和PbZrO3均是ABO3型鈣鈦礦結(jié)構(gòu)，所以PZT也是鈣鈦礦結(jié)構(gòu)。此外，還可以在PZT中添加其它微量元素（如鈮、銻、錫、錳、鎢等）來改善性能。

PZT薄膜是目前應(yīng)用最為廣泛的壓電材料之一，就是高壓電特性的PZT材料已經(jīng)被大量應(yīng)用在了揚聲器、超聲成像探頭、超聲換能器、蜂鳴器和超聲電機等電子器件中。最早人們利用溶膠-凝膠法制備了PZT薄膜，并在MEMS器件中進行實際應(yīng)用，如驅(qū)動器、換能器和壓力傳感器。隨著薄膜制備技術(shù)的提高，開始涌現(xiàn)出多種制備手段，并且也利用多種技術(shù)制備了PZT壓電薄膜，如磁控濺射技術(shù)、脈沖激光沉積技術(shù)（PLD）、化學氣相沉積（CVD）和金屬化合物氣相沉積技術(shù)等。PZT壓電薄膜與非鐵電的ZnO材料相比較，最重要的優(yōu)點就是PZT材料具有鐵電性，在一定的外加電場和溫度條件下，PZT材料內(nèi)部電疇發(fā)生轉(zhuǎn)動，自發(fā)極化方向重新確定，這樣使得在多晶材料中原本隨機排列的極化軸通過電場的作用取向排列而產(chǎn)生了凈壓電響應(yīng)。所以PZT材料的壓電性能要高于ZnO材料，是ZnO的兩倍以上。在光電子學、微電子學、微機電系統(tǒng)和集成光學等領(lǐng)域，PZT薄膜已經(jīng)被廣泛應(yīng)用。

PZT薄膜材料具有高介電常數(shù)、低的聲波速度、高的耦合系數(shù)，橫向壓電系數(shù)和縱向壓電系數(shù)在三者之中最高，也被視為三者之中最為有前途的壓電薄膜材料，但是PZT薄膜制備過程復雜，與MEMS工藝兼容性較差，制備過程須嚴格控制各組分的比例，壓電特性受到晶向、成分配比、顆粒度等因素影響，重復制備高質(zhì)量的PZT薄膜存在較大困難。目前工業(yè)界最常采用的壓電材料仍以AlN為主流。

二、壓電MEMS傳感器

1、壓電MEMS噴墨打印頭

噴墨打印為個人文檔打印提供了靈活、經(jīng)濟的解決方案，目前仍在家庭和小型辦公環(huán)境中大量應(yīng)用。同時，CAD和圖形藝術(shù)應(yīng)用的大型寬幅打印將噴墨打印作為單次打印和小批量打印的技術(shù)選擇。MEMS技術(shù)為之帶來了“誘人”的解決方案：每個噴墨打印頭擁有更高的噴嘴密度，以及通過大批量生產(chǎn)實現(xiàn)可接受的制造成本。

打印頭主要有兩種技術(shù)方案：熱發(fā)泡打印和壓電打印。大多數(shù)壓電噴墨打印頭使用PZT壓電陶瓷材料，采用薄膜沉積PZT壓電陶瓷代替整塊PZT壓電陶瓷具有巨大的應(yīng)用前景。薄膜沉積PZT壓電陶瓷的優(yōu)勢包括：更好的控制墨滴尺寸以調(diào)節(jié)灰度值和降低功耗。

2007年，愛普生推出了薄膜壓電(TFP)打印頭，廣泛應(yīng)用于愛普生大幅面打印機的范圍內(nèi)。2013年9月，愛普生公司宣布其新一代噴墨打印技術(shù)：

PrecisionCore，第一次推出采用PZT薄膜技術(shù)制造的MEMS噴墨打印頭，進一步提供超高打印速度和極佳的圖像品質(zhì)。

愛普生PrecisionCore打印頭

打印頭所使用壓電材料為PZT厚膜壓電材料。

2、MEMS自動對焦執(zhí)行器

目前的自動對焦功能還主要依賴于體積巨大、耗電量高且成本昂貴的音圈電機提供動力。而基于壓電MEMS技術(shù)的自動對焦鏡頭已進入商用階段。通過在一塊薄玻璃上粘上幾個壓電電極，它們可以使玻璃彎曲，從而改變聚合物塊的表面，使其變成透鏡。致動量確定曲率并因此確定焦點。

壓電MEMS自動對焦執(zhí)行器原理圖

MEMS及VCM性能對比

代表企業(yè)為poLight，采用意法半導體的薄膜壓電式技術(shù)，其創(chuàng)新的可調(diào)鏡頭（TLens， Tuneable Lens）通過壓電執(zhí)行器改變聚合膜的形狀，模擬人眼的對焦功能。這項應(yīng)用被視為相機自動對焦的最佳解決方案。TLens鏡頭可瞬間完成對焦，調(diào)焦速度是傳統(tǒng)解決方案的十倍，而電池耗電量只有傳統(tǒng)方案的二十分之一。同時，拍照后相機自動重新對焦的功能也有相當?shù)倪M步，可為攝像任務(wù)提供連續(xù)穩(wěn)定的自動對焦服務(wù)。

自動對焦執(zhí)行器所使用壓電材料為PZT厚膜壓電材料。

3、壓電式MEMS能量收集器

自1969年Wen.H.Ko在專利（US Patent 3 456 134）中提出一種采集心跳活動能量的小型壓電懸臂梁式能量采集器以來，世界上許多研究團體已經(jīng)開展了一系列關(guān)于壓電式能量采集器的研究。利用MEMS技術(shù)制作壓電能量采集器，可將器件微型化、批量化，使其與已經(jīng)逐步微型化的無線傳感器節(jié)點等其它電子器件更好的集成在一起，最終實現(xiàn)自供能的無線傳感器節(jié)點等微器件系統(tǒng)。目前，MEMS壓電供能系統(tǒng)多采用懸臂梁結(jié)構(gòu)。

美國UC Berkeley大學設(shè)計的波狀AlN壓電能量采集器

MicroGen Systems公司推出振動能量收集BOLT Power Cell，實現(xiàn)了一款實時無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，MicroGen的壓電式MEMS振動能量收集器或微功率發(fā)電機技術(shù)進行供電。

在MicroGen公司BOLT Power Cell的內(nèi)部是一個小型半導體MEMS芯片，其采用類似于計算機芯片行業(yè)的工藝進行制造。該芯片是一個面積約為1.0cm2的壓電式MEMS MPG，其包括一個含有壓電式薄膜的末端質(zhì)量加載微懸臂。當MPG的懸臂由于外部振動力的原因而上下彎曲時，將產(chǎn)生交流電。在諧振時AC功率輸出達到最大，此時其大約為100μW (在 120Hz 和 ≥ 0.1g) 和 900μW (在 600Hz 和 ≥0.5g)。在采集了能量之后，將其暫時存儲在一個300μF的電容器中。

能量收集器中所使用壓電材料一般為AlN及PZT薄膜壓電材料。

4、壓電MEMS麥克風

與電容式MEMS麥克風不同，壓電式麥克風的結(jié)構(gòu)相對簡單，它是一個伴隨聲音變化而變化的懸臂膜，通過壓電效應(yīng)直接產(chǎn)生放大的電壓。由于器件原理的不同，這種壓電麥克風的專用放大電路的設(shè)計相比電容式而言簡單許多——因為壓電式麥克風不需要高的偏壓或增益微調(diào)，因此不再需要電荷泵和增益微調(diào)電路塊，從而使得后續(xù)處理電路的結(jié)構(gòu)簡單，尺寸也較??；另外，無電荷泵也使得麥克風的啟動幾乎是瞬時的并且提高了電源抑制比（PSRR）。

電容式MEMS麥克風原理圖

壓電式麥克風原理圖

壓電MEMS麥克風可用于室內(nèi)、戶外、煙霧繚繞的廚房等所有環(huán)境， 這對于大型語音控制及監(jiān)控MEMS麥克風陣列來說是非常關(guān)鍵的特性，因為在這樣的環(huán)境中，MEMS麥克風陣列的可靠性將會是主要問題。此外，電容式麥克風系統(tǒng)需要持續(xù)的監(jiān)聽類似“Alexa”或“Siri”等關(guān)鍵詞，而壓電式麥克風則沒有電荷泵，具有非常短的啟動時間。因此，在壓電式MEMS麥克風處于“永久監(jiān)聽”（always listening）模式時，它們的工作循環(huán)周期非常快，能夠降低90%的系統(tǒng)能耗。

壓電聲學傳感器代表廠商為美國Vesper公司，Vesper是來自密歇根大學的Bobby Littrell和Karl Grosh于200年創(chuàng)立，總部位于美國馬塞諸塞州波士頓，是一家私人持有的MEMS初創(chuàng)公司。Vesper產(chǎn)品采用的是壓電式技術(shù)。在潛心解決了氮化鋁（AlN）薄膜淀積技術(shù)和一系列其它關(guān)鍵技術(shù)難題后，Vesper公司于2014年組建了工程團隊并在代工廠投放了產(chǎn)品。

Vesper壓電MEMS麥克風所使用壓電材料為AlN，另有一家初創(chuàng)公司GMEMS推出的壓電MEMS麥克風使用的壓電材料為PZT。

5、超聲波指紋傳感器

目前已經(jīng)商業(yè)化的指紋傳感器多是基于電容式原理，需要指紋直接接觸傳感器。而超聲波傳感器避免指紋感光原件與手指的直接接觸，避免了汗水油污等對接觸式指紋識別成功率的影響，可以在顯示屏下方對指紋進行識別。

超聲波指紋傳感器利用壓電材料，超聲波的脈沖回波成像可以穿透手指的表皮，收集指紋表面特征的圖像。

單芯片超聲波傳感器

高通公司在2015年發(fā)布Snapdragon Sense ID超聲波指紋識別技術(shù)，可以內(nèi)建3D立體指紋模型，也可避免指紋感光原件與手指的直接接觸，避免了汗水油污等對接觸式指紋識別成功率的影響，并且可用于塑料/玻璃/藍寶石等外屏下方。

高通3D超聲波指紋傳感器芯片（PMUT）

2016年9推出的小米5s就是首款采用此方案的智能手機產(chǎn)品，這也是超聲波指紋識別技術(shù)首次被成功運用于智能手機上。但是從用戶的反饋來看，其識別率還是存在一些問題。而且超聲波指紋識別模組的成本也比較高。隨后的小米旗艦機也沒有繼續(xù)采用高通的超聲波指紋識別技術(shù)。

超聲波指紋傳感器中使用的壓電材料為AlN。

6、超聲波手勢識別傳感器

基于光和攝像頭的系統(tǒng)識別工作量大且功耗高，但借助超聲波的手勢識別，功耗可以降至幾十微瓦，可以實現(xiàn)超聲波傳感器在消費電子中的應(yīng)用。

超聲波手勢識別傳感器的原理是通過壓電微加工超聲換能器(PMUT)陣列發(fā)出聲波脈沖，聲波從物體反彈至芯片。通過計算，芯片能夠確定物體相對于設(shè)備的位置，并可進一步構(gòu)建3D模型，對手勢進行識別。

代表企業(yè)為加州伯克利的新創(chuàng)企業(yè)Chirp Microsystems，成立于2013年，是目前唯一一家將 PMUT 商業(yè)化并用于空氣耦合式超聲的公司。Chirp 在 2016 年 CES 技術(shù)展上舉行了第一次超聲手勢感應(yīng)的公開展示。

超聲波手勢識別傳感器中使用的壓電材料為AlN和PZT材料。

7、體聲波濾波器

薄膜體聲波諧振器是一種基于體聲波理論，利用聲學諧振實現(xiàn)電學選頻的器件。

薄膜體聲波諧振器結(jié)構(gòu)原理圖

當電信號加載到薄膜體聲波諧振器的電極上后，通過逆壓電效應(yīng)，壓電薄膜材料將電信號轉(zhuǎn)化為聲信號，并由中心向兩個電極方向傳播。當聲信號行進到頂電極的上端和底電極低端時，由于聲阻抗的巨大差異（空氣的聲阻抗只有電極材料和支撐層材料聲阻抗的1/30000-1/70000），阻抗的嚴重失陪造成聲波的全反射，聲能量因此就集中從支撐層下端面到頂電極上端面厚度為T的區(qū)域里。這個厚度為T的區(qū)域形成了一個頻率f=v/（2T）的聲學信號諧振腔，在工作狀態(tài)下，在壓電材料壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)的共同作用下，聲學的諧振就表現(xiàn)為對頻率為f的電信號的諧振。v為體聲波的波速，取決于傳播的介質(zhì)材料。

FBAR的壓電薄膜厚度在微米量級，從而使其工作頻率可提高到GHz。另外，由于壓電薄膜太薄，因此FBAR須有支撐層，加工時先將金屬電極蒸發(fā)或濺射到支撐層上，然后再再電極上制備壓電薄膜，最后再在壓電薄膜上形成金屬上電極。

固態(tài)裝配型（SMR）BAW濾波器，它借用光學中的布拉格層技術(shù)，在諧振器底電極下方制備高、低交替的聲阻抗層，從而將聲波限制在壓電堆之內(nèi)。布拉格反射層一般采用W和SiO2作為高低聲學阻抗層，因為W和SiO2之間的聲學阻抗值相差較大，而且這兩種材料都是標準CMOS工藝常用的材料。它的最大優(yōu)點是機械穩(wěn)定性高、集成性好，而且不使用MEMS工藝。但缺點是需要制備多層膜，工藝成本相較于空腔型FBAR高，而且布拉格反射層的聲波反射效果不如空氣，故而SMR型FBAR的Q值相對低一些。

基于布拉格反射層的BAW濾波器示意圖