壓電MEMS與傳感器

壓電（Piezoelectricity），已經(jīng)成為近幾年并將繼續(xù)成為未來(lái)多年MEMS產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵詞！2019年，在MEMS與傳感器執(zhí)行大會(huì)（MEMS & Sensors Executive Congress）上，MEMS設(shè)計(jì)與研發(fā)公司AMFitzgerald創(chuàng)始人Alissa Fitzgerald就基于世界頂級(jí)學(xué)術(shù)研究成果（650多篇論文）提出了對(duì)“商業(yè)上可行，能夠解決問(wèn)題，可以引起技術(shù)變革”的MEMS技術(shù)預(yù)測(cè)，“壓電技術(shù)”則是其中重要一項(xiàng)！

1880年，居里兄弟發(fā)現(xiàn)在石英晶體的特定方向上施加壓力或拉力會(huì)使石英晶體表面出現(xiàn)電荷，電荷密度與施加的外力大小成比例，這就是壓電材料的正壓電效應(yīng)，從此便開(kāi)啟了壓電學(xué)的歷史。隨后，1881年居里兄弟又通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了逆壓電效應(yīng)，并且獲得了石英晶體的正逆壓電系數(shù)。

壓電材料的正壓電效應(yīng)（可用于傳感器）和逆壓電效應(yīng)（可用于執(zhí)行器）

按照應(yīng)用形態(tài)，壓電材料主要分為塊體型和薄膜型兩大類(lèi)。前者通常指具有一定三維結(jié)構(gòu)形式的石英晶體或陶瓷材料，問(wèn)世時(shí)間相對(duì)較早，已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于各種電子產(chǎn)品。近些年，隨著先進(jìn)材料和MEMS技術(shù)的不斷發(fā)展，以鋯鈦酸鉛（PZT）和氮化鋁（AlN）為代表的薄膜型壓電材料的制備越來(lái)越成熟。薄膜型壓電器件可利用MEMS代工廠，開(kāi)發(fā)與CMOS兼容的量產(chǎn)工藝，從而改變傳統(tǒng)壓電器件“體積大、功耗高、批量生產(chǎn)能力低、價(jià)格貴”的形象，對(duì)消費(fèi)類(lèi)應(yīng)用領(lǐng)域來(lái)講極具吸引力！

醫(yī)學(xué)超聲波成像技術(shù)：塊體型壓電陶瓷 vs. MEMS（包括PMUT和CMUT）
（來(lái)源：飛利浦）

如今，壓電和MEMS技術(shù)的融合發(fā)展，正在為全球MEMS產(chǎn)業(yè)帶來(lái)一場(chǎng)革命。壓電MEMS技術(shù)越來(lái)越多地應(yīng)用于射頻（RF）濾波器、超聲波換能器、慣性傳感器、MEMS揚(yáng)聲器和麥克風(fēng)、噴墨打印頭、自動(dòng)對(duì)焦執(zhí)行器、微鏡和變形鏡、能量收集器、微流控等MEMS產(chǎn)品。

受益于5G通信的迅速發(fā)展，射頻濾波器在日常生活中的應(yīng)用也將變得越來(lái)越重要，不僅僅是滿(mǎn)足在智能手機(jī)發(fā)短信、撥打電話(huà)或下載電影等需求，展望未來(lái)，射頻濾波器還將被安裝于電動(dòng)汽車(chē)和自動(dòng)駕駛汽車(chē)。在如今的壓電MEMS和傳感器“全家?！闭掌希漕l濾波器穩(wěn)居“C位”，瓜分壓電MEMS和傳感器市場(chǎng)規(guī)模約70%的份額。

不同類(lèi)型的射頻濾波器工作頻率及應(yīng)用領(lǐng)域

（來(lái)源：Akoustis）

目前，超聲波傳感器主要由塊體型壓電換能器技術(shù)主導(dǎo)。而基于硅芯片的壓電MEMS超聲波換能器（PMUT）具有小型化、低成本和高集成度等優(yōu)勢(shì)，已經(jīng)成為指紋識(shí)別、醫(yī)療成像、工業(yè)測(cè)距和3D成像等應(yīng)用的新寵，將以驚人的速度成長(zhǎng)——未來(lái)五年的市場(chǎng)規(guī)模復(fù)合年增長(zhǎng)率（CAGR）高達(dá)280%，在所有壓電薄膜器件中有望成為繼射頻濾波器之后的第二霸主。據(jù)麥姆斯咨詢(xún)觀察，醫(yī)療類(lèi)、工業(yè)類(lèi)和消費(fèi)類(lèi)廠商巨頭都在布局PUMT。例如，TDK子公司Chirp在2019年就推出了全球首款基于PMUT的超聲波飛行時(shí)間（ToF）傳感器，實(shí)現(xiàn)超寬視場(chǎng)角和超低功耗，提供毫米級(jí)測(cè)距精度，可以集成于緊湊的消費(fèi)類(lèi)產(chǎn)品（如智能手機(jī)和可穿戴設(shè)備）。

基于PMUT的傳感器示例

為了助力中國(guó)MEMS和傳感器從業(yè)人員積極擁抱“壓電”黃金時(shí)代，麥姆斯咨詢(xún)從2019年起每年都甄選市場(chǎng)熱點(diǎn)與技術(shù)重點(diǎn)，精心打造以“壓電MEMS和傳感器”為主題的培訓(xùn)課程。2021年，麥姆斯咨詢(xún)將從壓電材料特性及性能表征、當(dāng)前熱門(mén)壓電器件、未來(lái)的高潛力壓電器件等多個(gè)角度，為廣大學(xué)員帶來(lái)一期豐富的培訓(xùn)課程。該課程涵蓋以下內(nèi)容：

（1）壓電材料綜述，包括石英晶體、氮化鋁、壓電陶瓷和無(wú)鉛壓電陶瓷等；
（2）壓電MEMS超聲波換能器（PMUT）：面向醫(yī)療類(lèi)、消費(fèi)類(lèi)和工業(yè)類(lèi)應(yīng)用；
（3）壓電聲波器件、SAW傳感器和SAW微流控；
（4）壓電加速度計(jì)；
（5）壓電噴墨打印頭；
（6）壓電MEMS微鏡和壓電MEMS變形鏡；
（7）壓電MEMS設(shè)計(jì)仿真；
（8）壓電薄膜制備工藝。

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