采用創(chuàng)新制造方案的聚合物壓電MEMS加速度計(jì)

MEMS加速度計(jì)通過(guò)微結(jié)構(gòu)內(nèi)發(fā)生的電容、電阻或電荷（壓電）變化來(lái)檢測(cè)機(jī)械加速度，現(xiàn)已成為僅次于壓力傳感器，應(yīng)用量排名第二的MEMS器件。MEMS加速度計(jì)一直以來(lái)常用于振動(dòng)監(jiān)測(cè)、汽車測(cè)試和慣性導(dǎo)航等應(yīng)用，最近的研究凸顯了MEMS加速度計(jì)在健康監(jiān)測(cè)和植入式助聽(tīng)器中的應(yīng)用潛力。早期的MEMS加速度計(jì)采用了硅中的壓阻耦合。硅微機(jī)械加工技術(shù)的進(jìn)步，實(shí)現(xiàn)了更加復(fù)雜的可動(dòng)微機(jī)械結(jié)構(gòu)的可靠制造，從而構(gòu)建了帶有梳齒狀驅(qū)動(dòng)器的電容式加速度計(jì)。近些年，壓電MEMS加速度計(jì)開(kāi)始變得流行起來(lái)。與壓阻和電容耦合加速度計(jì)相比，它們具有許多優(yōu)點(diǎn)，例如更高的溫度穩(wěn)定性、更高的魯棒性、更低的功耗、更好的線性特性、更寬的動(dòng)態(tài)范圍、增強(qiáng)的靈敏度以及無(wú)真空密封要求等。此外，當(dāng)用于植入式助聽(tīng)器時(shí)，壓電加速度計(jì)有望直接與神經(jīng)元連接，從而無(wú)需額外的讀出電路。

盡管壓電MEMS加速度計(jì)具有多種優(yōu)勢(shì)，但仍面臨環(huán)境暴露風(fēng)險(xiǎn)與性能之間的權(quán)衡。例如，鋯鈦酸鉛（PZT）等高性能壓電材料帶來(lái)了與重金屬相關(guān)的生態(tài)問(wèn)題。鈮酸鉀鈉（KNN）等無(wú)鉛高性能替代材料，在原材料開(kāi)采過(guò)程中存在可持續(xù)性問(wèn)題。盡管氮化鋁（AlN）和氧化鋅（ZnO）等更環(huán)保的材料可以用于壓電MEMS換能器，但由于它們較弱的壓電特性，還無(wú)法提供與PZT MEMS換能器相當(dāng)?shù)钠骷阅?。此外，所有這些無(wú)機(jī)材料，無(wú)論其壓電性能和環(huán)境影響如何，都基于類似的制造工藝。無(wú)論是自下而上的表面微加工工藝還是自上而下的體微加工工藝，這些微制造工藝都不可避免地重復(fù)材料沉積、掩模光刻和各向異性蝕刻的三步循環(huán)，導(dǎo)致幾乎相同的工藝復(fù)雜性。如果為了環(huán)境效益而選擇降低性能，那么至少應(yīng)該采用更簡(jiǎn)單的制造工藝使這種權(quán)衡變得有價(jià)值。

利用聚氟乙烯（PVDF）薄膜開(kāi)發(fā)聚合物壓電MEMS器件成為解決上述挑戰(zhàn)的可行方案之一。首先，PVDF具有比ZnO和AlN更高的壓電系數(shù)，為潛在的更高性能器件奠定了基礎(chǔ)。此外，PVDF薄膜可以通過(guò)激光微加工和增材制造等先進(jìn)方法直接成型微結(jié)構(gòu)，繞過(guò)傳統(tǒng)的三步循環(huán)工藝簡(jiǎn)化制造流程。

除了能夠?qū)崿F(xiàn)簡(jiǎn)單、環(huán)保的微制造和高靈敏度的器件，基于PVDF的聚合物壓電MEMS加速度計(jì)，還可以為MEMS慣性傳感器在新興的柔性電子領(lǐng)域奠定更堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，這為聚合物MEMS器件的研究賦予了額外的意義。半導(dǎo)體有機(jī)材料和有機(jī)場(chǎng)效應(yīng)晶體管應(yīng)用的持續(xù)進(jìn)步，使以聚合物傳感器和聚合物集成電路為特征的全聚合物電子系統(tǒng)的研究熱度不斷上升，推動(dòng)聚合物MEMS傳感器作為信息收集的重要前端，加快了相關(guān)領(lǐng)域的研究。

相比之下，聚合物MEMS慣性傳感器的研究還不太成熟。此外，現(xiàn)有關(guān)于高性能聚合物壓電MEMS加速度計(jì)的少數(shù)研究?jī)A向于將能量收集器作為加速度計(jì)。MEMS能量收集器經(jīng)過(guò)調(diào)諧在其機(jī)械諧振頻率區(qū)間工作，并利用其最顯著的機(jī)械響應(yīng)。不過(guò)，與傳統(tǒng)MEMS加速度計(jì)相比，由MEMS能量收集器轉(zhuǎn)換而來(lái)的替代品具有有限的帶寬，限制了其應(yīng)用潛力。為了解決這一長(zhǎng)期存在的局限性，有必要對(duì)聚合物壓電MEMS加速度計(jì)進(jìn)行深入研究。

據(jù)麥姆斯咨詢介紹，加拿大不列顛哥倫比亞大學(xué)（University of British Columbia）電氣與計(jì)算機(jī)工程系的研究人員提出了一種PVDF壓電MEMS加速度計(jì)的新設(shè)計(jì)，并利用簡(jiǎn)化的聚合物微制造技術(shù)制造了三顆樣品。這些樣品展示了其機(jī)械諧振特性、頻率響應(yīng)、對(duì)輸入加速度的平帶靈敏度和器件級(jí)噪聲特性。研究人員對(duì)比了實(shí)驗(yàn)測(cè)量值和基準(zhǔn)值，展示了性能潛力。該研究成果已經(jīng)以“A polymeric piezoelectric MEMS accelerometer with high sensitivity, low noise density, and an innovative manufacturing approach”為題發(fā)表于Microsystems & Nanoengineering期刊。

PVDF壓電MEMS加速度計(jì)的設(shè)計(jì)和仿真

三顆PVDF壓電MEMS加速度計(jì)樣品的照片

三顆PVDF壓電MEMS加速度計(jì)樣品的表征結(jié)果

總結(jié)來(lái)說(shuō)，這項(xiàng)研究提出了一種聚合物壓電MEMS加速度計(jì)新設(shè)計(jì)。研究人員稱，這是首款基于PVDF的聚合物傳統(tǒng)壓電MEMS加速度計(jì)設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)在靈敏度和噪聲密度方面可以媲美最先進(jìn)的基于超厚PZT膜的壓電MEMS加速度計(jì)，超過(guò)了多款商用電容式MEMS加速度計(jì)。與最先進(jìn)的有機(jī)MEMS加速度計(jì)相比，新設(shè)計(jì)PVDF加速度計(jì)的平帶大了四倍。此外，這項(xiàng)研究所制作的加速度計(jì)尺寸縮小了十倍。除了具有競(jìng)爭(zhēng)力的性能外，新設(shè)計(jì)的聚合物MEMS加速度計(jì)具有簡(jiǎn)單、靈活、可重復(fù)且可預(yù)測(cè)的微制造工藝，且不使用含有重金屬的壓電材料。因此，該設(shè)計(jì)有望作為傳統(tǒng)PZT高性能壓電MEMS加速度計(jì)更環(huán)保的替代品，展示了在許多領(lǐng)域的應(yīng)用潛力。

更重要的是，概念驗(yàn)證表明，利用PVDF薄膜可以使傳統(tǒng)壓電MEMS加速度計(jì)直接實(shí)現(xiàn)高性能，而無(wú)需將PVDF能量收集器轉(zhuǎn)換為加速度計(jì)的間接解決方案?？紤]到MEMS加速度計(jì)是僅次于壓力傳感器的第二大MEMS產(chǎn)品類別，這項(xiàng)研究成果填補(bǔ)了聚合物MEMS領(lǐng)域的一項(xiàng)長(zhǎng)期空白，為未來(lái)進(jìn)一步的研究開(kāi)辟了道路，例如，包含聚合物MEMS加速度計(jì)和有機(jī)集成電路的全聚合物慣性傳感系統(tǒng)。

審核編輯：劉清