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(jìn)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(xué)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(jī)械力作用下發(fā)生形變，使介電體內(nèi)正負(fù)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(fù)電荷位移，導(dǎo)致介質(zhì)產(chǎn)生形變。這種由“電”產(chǎn)生“機(jī)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(jìn)行混合、成型、高溫?zé)Y(jié)，由粉粒之間的固相反應(yīng)和燒結(jié)過程而獲得的微細(xì)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(xué)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(tuán)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(jì)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(jìn)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(dǎo)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(xué)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(dǎo)性能，在器件工作時會及時將產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)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(dá)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(xué)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(jī)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(jìn)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(xué)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(jī)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(xué)、微電子學(xué)、微機(jī)電系統(tǒng)和集成光學(xué)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(fù)雜，與MEMS工藝兼容性較差，制備過程須嚴(yán)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(fù)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(jì)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(jī)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(jìn)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(jī)提供動力。而基于壓電MEMS技術(shù)的自動對焦鏡頭已進(jìn)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(dǎo)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(jī)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(jī)自動重新對焦的功能也有相當(dāng)?shù)倪M(jìn)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(tuán)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(xué)設(shè)計的波狀A(yù)lN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(jī)技術(shù)進(jìn)行供電。

在MicroGen公司BOLT Power Cell的內(nèi)部是一個小型半導(dǎo)體MEMS芯片，其采用類似于計算機(jī)芯片行業(yè)的工藝進(jìn)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(dāng)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(dá)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(fēng)

與電容式MEMS麥克風(fēng)不同，壓電式麥克風(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)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(fēng)原理圖

壓電式麥克風(fēng)原理圖

壓電MEMS麥克風(fēng)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(fēng)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(fēng)陣列的可靠性將會是主要問題。此外，電容式麥克風(fēng)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(fēng)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(fēng)處于“永久監(jiān)聽”（always listening）模式時，它們的工作循環(huán)周期非?？?，能夠降低90%的系統(tǒng)能耗。

壓電聲學(xué)傳感器代表廠商為美國Vesper公司，Vesper是來自密歇根大學(xué)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(tuán)隊并在代工廠投放了產(chǎn)品。

Vesper壓電MEMS麥克風(fēng)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(fēng)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(jìn)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(lán)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(jī)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(jī)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(jī)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(jìn)一步構(gòu)建3D模型，對手勢進(jìn)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(xué)諧振實現(xiàn)電學(xué)選頻的器件。

薄膜體聲波諧振器結(jié)構(gòu)原理圖

當(dāng)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(dāng)聲信號行進(jìn)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(yán)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(xué)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(xué)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(xué)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(xué)阻抗層，因為W和SiO2之間的聲學(xué)阻抗值相差較大，而且這兩種材料都是標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝常用的材料。它的最大優(yōu)點是機(jī)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