摘要：對當前基于鋯鈦酸鉛壓電陶瓷（PZT）薄膜微系統(tǒng)器件的研究進展進行了綜述，對PZT傳感器、PZT能量收集器、PZT驅(qū)動器的研究進展以及采用不同工藝PZT薄膜的制備技術進行了闡述。對基于PZT薄膜微系統(tǒng)（MEMS）器件的發(fā)展趨勢進行了展望。

0引言

微機電系統(tǒng)（micro-electro-mechanicalsystem，MEMS）器件是各種功能器件的集合于一體的微型器件。在MEMS器件中，為實現(xiàn)不同功能，需選用不同的功能材料，壓電材料是MEMS器件的關鍵材料之一。隨著壓電材料在MEMS領域的不斷探索，目前主要應用領域有微型系統(tǒng)，鐵電存儲器和高頻電子器件。

鋯鈦酸鉛壓電陶瓷（Pb-basedlanthanum-doped zirconate titanates，PZT）化學式為Pb（Zr11xTix）O3的二元系壓電陶瓷，屬鈣鈦礦結(jié)構。PZT可以實現(xiàn)機械能（應力、形變）和電能（電荷、電壓、電流）之間的雙向能量轉(zhuǎn)換。由于其特有的雙向壓電效用，使其成為智能MEMS傳感器的理想材料。結(jié)合MEMS系統(tǒng)中傳感和驅(qū)動兩部分模塊，使壓電材料更適宜于MEMS領域?；趬弘娦腗EMS傳感器有加速度計、聲傳感器、超聲換能器和執(zhí)行器包括微型馬達、微型泵等。

1 PZT薄膜在微系統(tǒng)器件中應用

1.1 PZT傳感器

1993年日本京都大學的Lee C等人研究了PZT壓電薄膜力敏傳感器，該力敏傳感器采用溶膠—凝膠工藝制備PZT薄膜。PZT微懸臂梁通過外力產(chǎn)生形變，使懸臂梁發(fā)生振動，再利用外加電壓使懸臂梁發(fā)生縱向位移。該壓電懸臂梁尺寸為200 μm × 50 μm。經(jīng)過計算和實驗測試，該結(jié)構的彈簧常量為8.7 N/m，諧振頻率為72.5 kHz。

兩種不同結(jié)構的微型加速度計示意圖如圖1所示。圖1( a)四梁結(jié)構微型加速度計的敏感薄膜采用PZT薄膜材料，經(jīng)制作，該加速度計平行方向靈敏度為8 pC/g，垂直方向靈敏度為22 pC/g，首次實現(xiàn)單質(zhì)量塊3D加速度測量。圖1( b)是Trolier-McKinstryS小組研究設計的環(huán)形薄膜片結(jié)構，這種環(huán)形薄膜片制作工藝簡單，成品率高，傳感面積大，靈敏度高。靈敏度根據(jù)結(jié)構尺寸的不同可以達到（0.77 ~ 7.6） pC/g，諧振頻率35.3 ~ 3.7 kHz。

圖1 四梁結(jié)構和環(huán)形結(jié)構的壓電加速度計示意

敏感薄膜的厚度是影響薄膜材料電性能的關鍵因素，所以提出在制備多層結(jié)構疊加的PZT薄膜。2018年劉揚等人設計制作了一種柔性壓力傳感器，該柔性傳感器以聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）作為柔性襯底，在其表面生長一層氧化銦錫，將其圖形化成叉指電極結(jié)構；制備PZT納米纖維薄膜，并轉(zhuǎn)移到PET襯底上；最后在PZT薄膜上制備聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄膜。PZT納米纖維柔性壓力傳感器樣品如圖2所示。該柔性傳感器在20 ~ 60 kPa內(nèi)，傳感器的開路電壓隨壓強的增大而增大，最大約為10 V，其中靈敏度約為180 mV/kPa。

圖2 PZT納米纖維柔性壓力傳感器樣品

1.2 PZT能量收集器

Rajendra K S等人在2003年就在MEMS工藝的基礎上制備出了微型的壓電式能量收集器，可實現(xiàn)小型無線傳感器自供電功能，避免外接電源和斷電等問題發(fā)生。如圖3所示。

圖3 壓電微能量收集器示意

該結(jié)構諧振頻率為13.7 kHz，當施加此頻率的外接激勵時，懸臂梁懸浮端可產(chǎn)生約為3 μm的縱向位移，此時輸出電能達1 μW，直流電壓達2.36 V，經(jīng)后續(xù)處理，產(chǎn)生的電能可存儲于電容中，用于為整個MEMS系統(tǒng)供電。

2010年日本的Morimoto K等人在（001）Pt /MgO襯底上外延生長了（001）晶向的PZT薄膜，所制備的能量收集器的機電轉(zhuǎn)換效率得到很大提升。圖4為該壓電能量收集器的仿真結(jié)構示意圖和樣品圖。

圖4 壓電能力收集器結(jié)構和實物照片

該能量收集器的懸臂梁采用不銹鋼材料作為襯底，可提高輸出功率，降低共振頻率。利用刻蝕及成膜技術，在該不銹鋼表面制備（001）晶向的PZT薄膜。該敏感結(jié)構的尺寸為20 mm × 5 mm × 50 μm，經(jīng)計算仿真，該結(jié)構的諧振頻率為126 Hz，約為工作環(huán)境的固有頻率。當外加激勵為5 m/s2時，并聯(lián)50 kΩ的輸出電阻，可實現(xiàn)機電轉(zhuǎn)換出5.3 μW功率的電能。

1.3 PZT驅(qū)動器

Muralt P研究小組制作的超聲微馬達示意圖如圖5所示。該結(jié)構采用濕法腐蝕、光刻、蒸發(fā)等MEMS工藝技術實現(xiàn)。PZT壓電敏感薄膜的上電極采用兩個環(huán)形結(jié)構。實現(xiàn)電荷傳導。當對壓電敏感膜施加外接電壓時，由于逆壓電效應，懸浮膜片發(fā)生振動，使轉(zhuǎn)子運動，微馬達運轉(zhuǎn)工作。采用此方法制備的超聲微馬達優(yōu)點是厚度薄，轉(zhuǎn)矩高，該結(jié)構的微型馬達能產(chǎn)生0.3 μNm/Vrms的轉(zhuǎn)矩，遠大于同尺寸的靜電微馬達。

圖5 壓電薄膜膜片式定子的超聲微馬達

2012年日本的Kanda K等人利用磁控濺射技術成功制備出了雙層PZT壓電薄膜微作動器。從圖6( a)中可以看出兩層PZT薄膜結(jié)構類型一致。從圖6( b)中可以看出，在外加激勵電壓相同時，雙層PZT薄膜結(jié)構的變形位移是單層PZT薄膜的2倍以上。因此得出結(jié)論，多層PZT薄膜疊加技術可實現(xiàn)MEMS器件的多層驅(qū)動。

圖6 雙層PZT膜特性

2018年王歡等人設計了懸臂梁式壓電微驅(qū)動器。為實現(xiàn)該微驅(qū)動器的制備，材料上選用壓電性能良好的PZT材料；采用鍵合工藝，利用0.9 μm厚的Au層，將PZT材料與硅襯底鍵合；采用減薄工藝將PZT材料減薄至30 μm，再通過濕法腐蝕工藝完成微驅(qū)動器結(jié)構的制作。最后利用準分子激光器實現(xiàn)預制溝槽PZT薄膜。所制備的懸臂梁式微壓電驅(qū)動器的大小尺寸為1450 μm × 300 μm× 69.8 μm。經(jīng)測試，該壓電微驅(qū)動器的諧振頻率為18.43 kHz。采用該方法制備的懸臂梁式壓電微驅(qū)動器成品低、尺寸小，可批量生產(chǎn)。

2018年史平安等人設計了一種基于PZT和Si的蟹爪型MEMS微驅(qū)動器，樣品如圖7所示。該驅(qū)動器結(jié)構簡單，響應速度快，輸出位移大。針對該結(jié)構使用壽命較低問題，提出采用數(shù)值模擬方法，研究對壓電層材料厚度等參數(shù)對為驅(qū)動器性能的影響。經(jīng)研究，壓電材料的性能直接影響微驅(qū)動器的性能。PZT-4作為壓電層時，微驅(qū)動器的穩(wěn)定性增強但驅(qū)動響應降低; 而當選PZT-5和PZT-5H作為壓電層時，微驅(qū)動器的驅(qū)動效應增強但穩(wěn)定性降低。綜合以上因素，確定蟹爪梁結(jié)構為最優(yōu)組合。

圖7 微驅(qū)動器樣品

國內(nèi)現(xiàn)有的PZT傳感器研究仍然以溶膠—凝膠法為主，少數(shù)采用經(jīng)典紡絲技術及外延技術，但是隨著磁控濺射技術的不斷發(fā)展，已經(jīng)有不少學校開展了PZT磁控濺射技術方面的研究。

1.4 PZT磁控濺射技術

日本京都大學的Wasa K等人采用粉末靶材通過磁控濺射技術在（001）MgO制備了單c電疇的結(jié)構壓電薄膜。所制備的壓電薄膜壓電耦合系數(shù)可達70 %。且該薄膜具有硬性鐵電性，機械品質(zhì)因子為185，與AlN相似。暗示了PZT薄膜有很大的應用前景。

隨后，Wasa K教授在（001）MgO基片上生長出面內(nèi)無缺陷的PMnN-PZT壓電鈣鈦礦結(jié)構薄膜，制備過程中選用100 nm的Pt和SrRuO3作為緩沖層。降溫過程不變。通過工藝的改變，制備的薄膜剩余極化強度達到100 μC/cm2，相對介電常數(shù)約100 ~ 450，其居里溫度達到了600 ℃，該溫度使所制備的PZT薄膜能夠適用于更多環(huán)境中。橫向壓電系數(shù)為-12.0 C/m2，與壓電晶體材料相似。這種無應力的外延薄膜與塊體材料性能相近，使其在MEMS應用中具有更高的潛力。

2015年愛發(fā)科開發(fā)出不超過500 ℃的低溫PZT壓電薄膜濺射工藝。多腔濺射臺可以包含用于加速晶化的快速熱退火。愛發(fā)科使用低溫濺射工藝，在硅襯底上形成黏附層、下電極層、緩沖層（專有工藝）、壓電層和上電極層五層疊加的PZT壓電薄膜MEMS工藝技術。

壓電MEMS技術的應用越來越廣泛，如用于陀螺儀、濾波器、噴墨打印機、MEMS揚聲器和麥克風、自動對焦執(zhí)行器，以及超聲波換能器和指紋識別傳感器等MEMS產(chǎn)品中。一些代工廠也開發(fā)了壓電薄膜制造技術，如Globalfoundries公司為Vesper公司代工量產(chǎn)MEMS麥克風，研究AlN壓電MEMS技術；意法半導體（STmicroelectronics）公司為Usound公司代工量產(chǎn)MEMS揚聲器，研究PZT壓電MEMS技術；博世公司在MEMS代工服務中采用愛發(fā)科的濺射設備沉積PZT、采用SPTS的Sigma PVD設備沉積AlN。

PZT壓電薄膜式未來傳感器和微系統(tǒng)發(fā)展的一個熱點，在麥克風、微鏡、噴墨頭等領域已經(jīng)有商業(yè)化的產(chǎn)品，在軍用電子元器件的低功耗、微型化、集成化方面有很強的發(fā)展?jié)摿Α?/p>

2結(jié)束語

本文介紹了基于PZT材料的傳感器的研究進展。雖然該領域近年來已經(jīng)取得了很大的進步，但仍然有很多關鍵技術需要更加深入的研究探索，如國內(nèi)現(xiàn)有的PZT傳感器研究仍然以溶膠—凝膠法為主，但是隨著磁控濺射技術的不斷發(fā)展，已經(jīng)有不少學校開展了PZT磁控濺射工藝方面的研究。通過對關鍵性技術的進一步研究探索和相關工藝的逐漸成熟以及傳感器領域的進一步擴大，基于PZT材料的敏感器件將在傳感器及微系統(tǒng)領域發(fā)揮更大的作用。