壓電材料的正壓電效應和逆壓電效應

壓電（Piezoelectricity），已經(jīng)成為近幾年并將繼續(xù)成為未來多年MEMS產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關鍵詞！2019年，在MEMS與傳感器執(zhí)行大會（MEMS & Sensors Executive Congress）上，MEMS設計與研發(fā)公司AMFitzgerald創(chuàng)始人Alissa Fitzgerald就基于世界頂級學術研究成果（650多篇論文）提出了對“商業(yè)上可行，能夠解決問題，可以引起技術變革”的MEMS技術預測，“壓電技術”則是其中重要一項！（相關新聞鏈接：《未來MEMS產(chǎn)業(yè)關鍵詞：壓電、事件驅(qū)動、自供電、柔性、微型代工廠》）

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，從此便開啟了壓電學的歷史。隨后，1881年居里兄弟又通過實驗驗證了逆壓電效應，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（可用于傳感器）和逆壓電效應（可用于執(zhí)行器）

按照應用形態(tài)，壓電材料主要分為塊體型和薄膜型兩大類。前者通常指具有一定三維結構形式的石英晶體或陶瓷材料，問世時間相對較早，已經(jīng)廣泛地應用于各種電子產(chǎn)品。近些年，隨著先進材料和MEMS技術的不斷發(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越成熟。薄膜型壓電器件可利用MEMS代工廠，開發(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、價格貴”的形象，對消費類應用領域來講極具吸引力！

醫(yī)學超聲波成像技術：塊體型壓電陶瓷 vs. MEMS（包括PMUT和CMUT）
（來源：飛利浦）

如今，壓電和MEMS技術的融合發(fā)展，正在為全球MEMS產(chǎn)業(yè)帶來一場革命。壓電MEMS技術越來越多地應用于射頻（RF）濾波器、超聲波換能器、慣性傳感器、MEMS揚聲器和麥克風、噴墨打印頭、自動對焦執(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用也將變得越來越重要，不僅僅是滿足在智能手機發(fā)短信、撥打電話或下載電影等需求，展望未來，射頻濾波器還將被安裝于電動汽車和自動駕駛汽車。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和傳感器市場規(guī)模約70%的份額。

不同類型的射頻濾波器工作頻率及應用領域

（來源：Akoustis）

目前，超聲波傳感器主要由塊體型壓電換能器技術主導。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，已經(jīng)成為指紋識別、醫(yī)療成像、工業(yè)測距和3D成像等應用的新寵，將以驚人的速度成長——未來五年的市場規(guī)模復合年增長率（CAGR）高達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)麥姆斯咨詢觀察，醫(yī)療類、工業(yè)類和消費類廠商巨頭都在布局PUMT。例如，TDK子公司Chirp在2019年就推出了全球首款基于PMUT的超聲波飛行時間（ToF）傳感器，實現(xiàn)超寬視場角和超低功耗，提供毫米級測距精度，可以集成于緊湊的消費類產(chǎn)品（如智能手機和可穿戴設備）。

基于PMUT的傳感器示例

為了助力中國MEMS和傳感器從業(yè)人員積極擁抱“壓電”黃金時代，麥姆斯咨詢從2019年起每年都甄選市場熱點與技術重點，精心打造以“壓電MEMS和傳感器”為主題的培訓課程。2021年，麥姆斯咨詢將從壓電材料特性及性能表征、當前熱門壓電器件、未來的高潛力壓電器件等多個角度，為廣大學員帶來一期豐富的培訓課程。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、壓電陶瓷和無鉛壓電陶瓷等；（2）壓電MEMS超聲波換能器（PMUT）：面向醫(yī)療類、消費類和工業(yè)類應用；（3）壓電聲波器件、SAW傳感器和SAW微流控；（4）壓電加速度計；（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設計仿真；（8）壓電薄膜制備工藝。

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