“壓電”一詞已經(jīng)成為MEMS和傳感器圈內(nèi)的熱門詞語：受益于5G通信的迅速發(fā)展，射頻（RF）濾波器的市場規(guī)模正在經(jīng)歷著巨量增長的時期；而壓電MEMS超聲波換能器（PMUT）也成為指紋識別、醫(yī)療成像、工業(yè)測距和3D成像等應(yīng)用的新寵，未來五年的市場規(guī)模將以280%的復(fù)合年增長率（CAGR）迅速成長……從2019年起，麥姆斯咨詢每年都會甄選市場熱點與技術(shù)重點，精心打造以“壓電MEMS與傳感器”為主題的培訓(xùn)課程。2021年3月26日~28日，為期三天的《第31期“見微知著”培訓(xùn)課程：壓電MEMS與傳感器》在無錫市新吳區(qū)圓滿舉辦！

《第31期“見微知著”培訓(xùn)課程：壓電MEMS與傳感器》學(xué)員合影留念

壓電材料特性，壓電器件的“靈魂”

壓電材料特性，簡單來講是“電能與機械能的相互轉(zhuǎn)換”。深究起來，其中的學(xué)問非常深奧：材料形態(tài)（塊型、薄膜型）、材料種類、摻雜類型、制備工藝、集成方法……從業(yè)人員深刻理解壓電材料的“秉性”，才具備成功開發(fā)壓電器件的先決條件。

寧波大學(xué)教授王驥老師從壓電材料發(fā)展歷程及代表應(yīng)用開始講起，為學(xué)員梳理了壓電材料特性被人類逐步認(rèn)識并開始進行商業(yè)化產(chǎn)品開發(fā)的發(fā)展歷程。王驥老師表示“壓電聲波器件的功能是依靠機械變形和電場激勵之間的轉(zhuǎn)換來實現(xiàn)的。分析器件結(jié)構(gòu)在電場激勵下的響應(yīng)，估計結(jié)構(gòu)以及環(huán)境參數(shù)的影響，是器件設(shè)計的基本要求。而器件結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析的基本理論是壓電效應(yīng)和彈性波理論?！苯又?，他重點講解了在石英晶體諧振器、陶瓷諧振器、表面波諧振器和薄膜體波諧振器的結(jié)構(gòu)響應(yīng)分析方面積累的經(jīng)驗并推薦相關(guān)文獻，分享了其團隊開展導(dǎo)電高分子材料電極的研究進展和實際測試結(jié)果。最后，王驥老師闡述了自己對諧振器技術(shù)開發(fā)的重點思路，比如建立基于計算機分析的產(chǎn)品數(shù)字設(shè)計流程、通過加強研究來提升技術(shù)能力等。

來自清華大學(xué)的教授李敬鋒老師向?qū)W員分享了自己多年來在提高無鉛壓電陶瓷壓電性能的同時改善其性能溫度穩(wěn)定性方面所做的研究成果。在講解了壓電材料表征參數(shù)及測試方法后，李敬鋒老師分析了無鉛壓電陶瓷材料性能及其優(yōu)缺點，如鈦酸鋇（BaTiO3）體系、鈦酸鉍鈉（（Bi0.5Na0.5）TiO3）體系、鐵酸鉍（BiFeO3）體系、鉍層狀化合物體系、KKN（（K，Na）NbO3）體系，并重點講解KNN體系的相界及改性方法。最后，李敬鋒老師講授了面向MEMS應(yīng)用的無鉛壓電陶瓷微加工技術(shù)，基于無鉛壓電陶瓷薄膜的MEMS器件（如傳感器、執(zhí)行器、能量收集器），以及基于1-3型壓電復(fù)合材料的超高頻超聲換能器、能量收集器的技術(shù)前景。

當(dāng)下熱門和未來高潛力壓電器件，核“芯”技術(shù)一課打盡

隨著壓電和MEMS技術(shù)的融合發(fā)展，正在為全球MEMS產(chǎn)業(yè)帶來一場革命。壓電MEMS技術(shù)越來越多地應(yīng)用于射頻濾波器、超聲波換能器、慣性傳感器、MEMS揚聲器和麥克風(fēng)、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。在本期培訓(xùn)中，麥姆斯咨詢邀請了多位在壓電器件研發(fā)和產(chǎn)業(yè)化方面具有豐富經(jīng)驗的專業(yè)講師，分別對壓電加速度計、MEMS壓電超聲波換能器、SAW傳感器和SAW微流控、壓電MEMS微鏡和壓電MEMS變形鏡、壓電噴墨打印頭等技術(shù)及解決方案進行了深入的講解。

南昌航空大學(xué)副教授張巍巍老師曾在某企業(yè)主持壓電加速度計的研發(fā)工作，擁有多年的實戰(zhàn)經(jīng)驗，深諳壓電加速度計產(chǎn)業(yè)化的問題。張巍巍老師從名詞術(shù)語、振動、沖擊來源及其測量方法引出加速計在實際生活生產(chǎn)中的應(yīng)用。接著，張巍巍老師剝繭抽絲，從加速度計原理及分類（壓電式、半導(dǎo)體壓阻式、熱對流式等）、壓電加速度計典型結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵性能設(shè)計、壓電加速度計的制造工藝流程、壓電加速度計的性能評測方法等各個方面進行了詳細(xì)的講解。最后，他還為大家介紹了壓電加速度計主要廠商及配套原材料、測試廠商資源，方便學(xué)員們后續(xù)尋找相關(guān)產(chǎn)業(yè)資源。

近幾年，市場應(yīng)用正在推動MEMS超聲波換能器火熱發(fā)展。由于更便宜且更小的探頭誕生，醫(yī)療超聲波成像將實現(xiàn)平民化，全科醫(yī)生甚至家庭都可以負(fù)擔(dān)使用。在消費類應(yīng)用中，超聲波指紋傳感器可以實現(xiàn)顯示屏下指紋識別，從而促進全面屏智能手機的出現(xiàn)。在工業(yè)領(lǐng)域，超聲波傳感器已成為無損檢測的有力助手！因此，本期課程的重頭戲——壓電MEMS超聲波換能器，則邀請了三位講師從不同角度進行分享。

來自中國工程物理研究院的副研究員劉利芳首先為學(xué)員講解了傳統(tǒng)超聲波換能器與MEMS超聲波換能器的差異，并從PMUT結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要參數(shù)（如振膜橫向尺寸、壓電薄膜厚度、支撐層厚度、電極與振膜尺寸比）及其影響方式進行仿真設(shè)計實例展示。隨后，劉利芳分析了不同壓電材料（PZT、AlN）的材料特性對PMUT輸出聲壓、靈敏度的影響，并從制造工藝的角度分析了其中的難點。最后，她提供了如何對PUMT進行測試和性能評價的方法介紹，并分享了PMUT在消費電子和工業(yè)檢測領(lǐng)域的應(yīng)用前景。中國科學(xué)院微電子研究所正高級研究員高航曾參與開發(fā)世界首款用于超聲成像的MEMS可穿戴設(shè)備樣機和世界首個可產(chǎn)生隔空觸感的MEMS器件原型機。在本期培訓(xùn)中，高航老師向?qū)W員分享了自己曾在歐洲微電子研究院（IMEC）期間面向醫(yī)療成像應(yīng)用的PMUT技術(shù)研究成果。比如薄膜可穿戴式醫(yī)學(xué)成像傳感器、硅基半柔性醫(yī)學(xué)成像傳感器、硅基醫(yī)學(xué)成像傳感器、經(jīng)食道超聲傳感器、光聲腦成像、光聲內(nèi)窺鏡成像、神經(jīng)回路觸發(fā)、心血管超聲傳感器等，從工作原理到產(chǎn)品設(shè)計，為學(xué)員打開了PMUT走向醫(yī)療領(lǐng)域的大門。而江蘇英特神斯科技有限公司總經(jīng)理徐波則以PMUT為例，從PMUT的設(shè)計、仿真到制造等維度，分享了PMUT一站式解決方案的實現(xiàn)案例，以及PMUT在水聲成像、管道壓力和流速（流量）監(jiān)測等領(lǐng)域應(yīng)用。

提到SAW，很多人會先入為主地認(rèn)為SAW就是用于智能手機射頻前端模組的一種濾波器。其實，SAW器件的聲波傳播能量因為主要集中在固體表面，當(dāng)表面受到外界的刺激時（力、電、磁、熱），聲波波速會變化，導(dǎo)致諧振頻率變化，通過探測頻率偏移，可以知道外界參量的變化。周劍老師就為學(xué)員展示了SAW的其它應(yīng)用：溫度傳感（用于汽車、智能電網(wǎng)、密閉腔）、粘度傳感（用于汽車齒輪箱）、氫氣濃度監(jiān)測、外太空鉆探、SAW微流控等。通過一系列實際案例，周劍老師從SAW器件的工作原理、設(shè)計、制造和封裝工藝等多個角度進行講解，配合多個生動形象的視頻，讓學(xué)員領(lǐng)略了更多SAW的技術(shù)魅力和應(yīng)用前景。

華中科技大學(xué)副教授余洪斌老師研究基于壓電材料的光學(xué)元器件已有多年的經(jīng)驗。在本期課程中，他首先講解MEMS微鏡的不同驅(qū)動方式，并啟發(fā)學(xué)員從不同壓電材料的性能、制備方式、與CMOS工藝的兼容度等角度思考當(dāng)前主要用于聲學(xué)器件的AlN薄膜能否用于MEMS微鏡。余洪斌老師從公式推導(dǎo)開始講起，為學(xué)員分析了如何利用AlN薄膜設(shè)計、制造MEMS微鏡，并分享了最近一年的最新研究成果。在課程的第二部分，余洪斌老師講授了另一種利用壓電材料制造的光學(xué)器件——MEMS變形鏡，并呈現(xiàn)了多種改進設(shè)計。最后，余洪斌老師道出了自己多年進行壓電MEMS器件結(jié)構(gòu)設(shè)計的感悟：器件性能對結(jié)構(gòu)強度、響應(yīng)頻率、低驅(qū)動電壓和大位移變形的要求是互為矛盾的，從業(yè)人員應(yīng)該依據(jù)實際使用需求尋找性能平衡點。

上海新微技術(shù)研發(fā)中心有限公司副總經(jīng)理關(guān)一民在講課伊始談到“噴墨打印頭是最成功的微流控產(chǎn)品”，并從熱泡式和壓電式兩種噴墨打印頭技術(shù)路線對比分析了兩者的發(fā)展歷史、技術(shù)指標(biāo)、在不同應(yīng)用領(lǐng)域的優(yōu)劣勢。他表示，2024年噴墨打印頭的市場規(guī)模位居MEMS器件的第五位，而中國卻主要依靠進口，中國MEMS從業(yè)者還有巨大的寶藏可挖掘！

理解壓電薄膜沉積技術(shù)，掌握壓電器件商業(yè)化成敗的關(guān)鍵環(huán)節(jié)

壓電薄膜沉積技術(shù)是實現(xiàn)壓電器件從概念到產(chǎn)品的重要環(huán)節(jié)。目前應(yīng)用最廣泛的壓電薄膜材料是氮化鋁（AlN）和鋯鈦酸鉛（PZT）。使用PZT壓電薄膜的MEMS器件在硅襯底上形成以下五層：黏附層、下電極層、緩沖層、PZT壓電層和上電極層，需要在單晶圓濺射系統(tǒng)中形成，才能保證硅襯底不暴露在大氣中，從而實現(xiàn)高產(chǎn)量和高可靠性。來自愛發(fā)科（蘇州）技術(shù)研究開發(fā)有限公司研究員岳磊為學(xué)員分析了PZT壓電薄膜的兩種制備方法（溶膠凝膠法和濺射法）的工作機制、成膜特點、缺陷機理等。他著重講解了用濺射法制備PZT薄膜容易出現(xiàn)的問題（如顆粒、薄膜應(yīng)力、黏附性、結(jié)晶取向等）及解決對策，以及對靶材的要求。最后，就濺射法不同工藝條件對PZT薄膜生長的影響，岳磊老師用大量數(shù)據(jù)和圖表進行了分析和講解，以求學(xué)員對PZT薄膜制備有深刻的認(rèn)知。

至此，2021年第一場“見微知著”培訓(xùn)課程圓滿落幕！來自全國各地的學(xué)員帶著對壓電MEMS與傳感器知識的渴求而來，收獲了滿滿的干貨而歸。麥姆斯咨詢希望我們的課程能讓大家能更有底氣、更有信心地?fù)肀А皦弘姟秉S金時代！

責(zé)任編輯：lq