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(huì)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(hào)傳遞的重要載體,。最早報(bào)道材料具有壓電特性的是法國(guó)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(huì)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(duì)位移而極化,，以致兩端表面出現(xiàn)符號(hào)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(chǎng)中，電場(chǎng)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(diǎn)陣長(zhǎng)程有序生長(zhǎng)而成的晶體,。這種晶體結(jié)構(gòu)無對(duì)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(zhǎng)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?yàn)R射的方法沉積在襯底上而形成的，其結(jié)構(gòu)可以是費(fèi)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(jià)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(diǎn),。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(jiǎn)單,、成本低廉,，同時(shí)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(shì),。

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(diǎn)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?yàn)锳lN材料的壓電性在溫度為1200℃時(shí)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(shí)會(huì)及時(shí)將產(chǎn)生的熱量傳導(dǎo)出去,，不會(huì)因?yàn)楫a(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(diǎn)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(jiǎn)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(yáng)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(shí)際應(yīng)用,，如驅(qū)動(dòng)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(diǎn)就是PZT材料具有鐵電性,，在一定的外加電場(chǎng)和溫度條件下，PZT材料內(nèi)部電疇發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng),，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(chǎng)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(gè)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(shí),，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(gè)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(shí)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(shì)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(dòng)對(duì)焦執(zhí)行器

目前的自動(dòng)對(duì)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(dòng)力,。而基于壓電MEMS技術(shù)的自動(dòng)對(duì)焦鏡頭已進(jìn)入商用階段,。通過在一塊薄玻璃上粘上幾個(gè)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(dòng)量確定曲率并因此確定焦點(diǎn),。

壓電MEMS自動(dòng)對(duì)焦執(zhí)行器原理圖

MEMS及VCM性能對(duì)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(duì)焦功能,。這項(xiàng)應(yīng)用被視為相機(jī)自動(dòng)對(duì)焦的最佳解決方案,。TLens鏡頭可瞬間完成對(duì)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(shí)，拍照后相機(jī)自動(dòng)重新對(duì)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(dòng)對(duì)焦服務(wù),。

自動(dòng)對(duì)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(dòng)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(diǎn)等其它電子器件更好的集成在一起,，最終實(shí)現(xiàn)自供能的無線傳感器節(jié)點(diǎn)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(guó)UC Berkeley大學(xué)設(shè)計(jì)的波狀A(yù)lN壓電能量采集器

MicroGen Systems公司推出振動(dòng)能量收集BOLT Power Cell,，實(shí)現(xiàn)了一款實(shí)時(shí)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)，MicroGen的壓電式MEMS振動(dòng)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(gè)小型半導(dǎo)體MEMS芯片,，其采用類似于計(jì)算機(jī)芯片行業(yè)的工藝進(jìn)行制造。該芯片是一個(gè)面積約為1.0cm2的壓電式MEMS MPG,，其包括一個(gè)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(dòng)力的原因而上下彎曲時(shí)，將產(chǎn)生交流電,。在諧振時(shí)AC功率輸出達(dá)到最大,，此時(shí)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(shí)存儲(chǔ)在一個(gè)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(duì)簡(jiǎn)單,，它是一個(gè)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(jì)相比電容式而言簡(jiǎn)單許多---因?yàn)閴弘娛禁溈孙L(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(jiǎn)單，尺寸也較??；另外，無電荷泵也使得麥克風(fēng)的啟動(dòng)幾乎是瞬時(shí)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(duì)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?yàn)樵谶@樣的環(huán)境中,，MEMS麥克風(fēng)陣列的可靠性將會(huì)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(dòng)時(shí)間,。因此,，在壓電式MEMS麥克風(fēng)處于“永久監(jiān)聽”（always listening）模式時(shí)，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(guó)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(guó)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(duì)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(duì)接觸式指紋識(shí)別成功率的影響,，可以在顯示屏下方對(duì)指紋進(jìn)行識(shí)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(shí)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(duì)接觸式指紋識(shí)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(shí)別技術(shù)首次被成功運(yùn)用于智能手機(jī)上。但是從用戶的反饋來看,，其識(shí)別率還是存在一些問題,。而且超聲波指紋識(shí)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(shí)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(shì)識(shí)別傳感器

基于光和攝像頭的系統(tǒng)識(shí)別工作量大且功耗高,，但借助超聲波的手勢(shì)識(shí)別,，功耗可以降至幾十微瓦，可以實(shí)現(xiàn)超聲波傳感器在消費(fèi)電子中的應(yīng)用,。

超聲波手勢(shì)識(shí)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(jì)算,，芯片能夠確定物體相對(duì)于設(shè)備的位置,，并可進(jìn)一步構(gòu)建3D模型，對(duì)手勢(shì)進(jìn)行識(shí)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(shì)感應(yīng)的公開展示,。

超聲波手勢(shì)識(shí)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(shí)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(hào)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(hào)轉(zhuǎn)化為聲信號(hào)，并由中心向兩個(gè)電極方向傳播,。當(dāng)聲信號(hào)行進(jìn)到頂電極的上端和底電極低端時(shí),，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(gè)厚度為T的區(qū)域形成了一個(gè)頻率f=v/（2T）的聲學(xué)信號(hào)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(duì)頻率為f的電信號(hào)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(jí)，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(shí)先將金屬電極蒸發(fā)或?yàn)R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?yàn)閃和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(diǎn)是機(jī)械穩(wěn)定性高,、集成性好,，而且不使用MEMS工藝。但缺點(diǎn)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(duì)低一些,。

基于布拉格反射層的BAW濾波器示意圖

目前市場(chǎng)上的FBAR大都基于AlN壓電薄膜,。