“壓電”一詞已經成為MEMS和傳感器圈內的熱門詞語：受益于5G通信的迅速發展，射頻（RF）濾波器的市場規模正在經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、醫療成像、工業測距和3D成像等應用的新寵，未來五年的市場規模將以280%的復合年增長率（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重點，精心打造以“壓電MEMS與傳感器”為主題的培訓課程。2021年3月26日~28日，為期三天的《第31期“見微知著”培訓課程：壓電MEMS與傳感器》在無錫市新吳區圓滿舉辦！

《第31期“見微知著”培訓課程：壓電MEMS與傳感器》學員合影留念

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換”。深究起來，其中的學問非常深奧：材料形態（塊型、薄膜型）、材料種類、摻雜類型、制備工藝、集成方法……從業人員深刻理解壓電材料的“秉性”，才具備成功開發壓電器件的先決條件。

寧波大學教授王驥老師從壓電材料發展歷程及代表應用開始講起，為學員梳理了壓電材料特性被人類逐步認識并開始進行商業化產品開發的發展歷程。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換來實現的。分析器件結構在電場激勵下的響應，估計結構以及環境參數的影響，是器件設計的基本要求。而器件結構響應分析的基本理論是壓電效應和彈性波理論。”接著，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構響應分析方面積累的經驗并推薦相關文獻，分享了其團隊開展導電高分子材料電極的研究進展和實際測試結果。最后，王驥老師闡述了自己對諧振器技術開發的重點思路，比如建立基于計算機分析的產品數字設計流程、通過加強研究來提升技術能力等。

來自清華大學的教授李敬鋒老師向學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定性方面所做的研究成果。在講解了壓電材料表征參數及測試方法后，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應用的無鉛壓電陶瓷微加工技術，基于無鉛壓電陶瓷薄膜的MEMS器件（如傳感器、執行器、能量收集器），以及基于1-3型壓電復合材料的超高頻超聲換能器、能量收集器的技術前景。

當下熱門和未來高潛力壓電器件，核“芯”技術一課打盡

隨著壓電和MEMS技術的融合發展，正在為全球MEMS產業帶來一場革命。壓電MEMS技術越來越多地應用于射頻濾波器、超聲波換能器、慣性傳感器、MEMS揚聲器和麥克風、噴墨打印頭、自動對焦執行器、微鏡和變形鏡、能量收集器、微流控等MEMS產品。在本期培訓中，麥姆斯咨詢邀請了多位在壓電器件研發和產業化方面具有豐富經驗的專業講師，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及解決方案進行了深入的講解。

南昌航空大學副教授張巍巍老師曾在某企業主持壓電加速度計的研發工作，擁有多年的實戰經驗，深諳壓電加速度計產業化的問題。張巍巍老師從名詞術語、振動、沖擊來源及其測量方法引出加速計在實際生活生產中的應用。接著，張巍巍老師剝繭抽絲，從加速度計原理及分類（壓電式、半導體壓阻式、熱對流式等）、壓電加速度計典型結構和關鍵性能設計、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，方便學員們后續尋找相關產業資源。

近幾年，市場應用正在推動MEMS超聲波換能器火熱發展。由于更便宜且更小的探頭誕生，醫療超聲波成像將實現平民化，全科醫生甚至家庭都可以負擔使用。在消費類應用中，超聲波指紋傳感器可以實現顯示屏下指紋識別，從而促進全面屏智能手機的出現。在工業領域，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員講解了傳統超聲波換能器與MEMS超聲波換能器的差異，并從PMUT結構設計的主要參數（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在消費電子和工業檢測領域的應用前景。中國科學院微電子研究所正高級研究員高航曾參與開發世界首款用于超聲成像的MEMS可穿戴設備樣機和世界首個可產生隔空觸感的MEMS器件原型機。在本期培訓中，高航老師向學員分享了自己曾在歐洲微電子研究院（IMEC）期間面向醫療成像應用的PMUT技術研究成果。比如薄膜可穿戴式醫學成像傳感器、硅基半柔性醫學成像傳感器、硅基醫學成像傳感器、經食道超聲傳感器、光聲腦成像、光聲內窺鏡成像、神經回路觸發、心血管超聲傳感器等，從工作原理到產品設計，為學員打開了PMUT走向醫療領域的大門。而江蘇英特神斯科技有限公司總經理徐波則以PMUT為例，從PMUT的設計、仿真到制造等維度，分享了PMUT一站式解決方案的實現案例，以及PMUT在水聲成像、管道壓力和流速（流量）監測等領域應用。

提到SAW，很多人會先入為主地認為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，當表面受到外界的刺激時（力、電、磁、熱），聲波波速會變化，導致諧振頻率變化，通過探測頻率偏移，可以知道外界參量的變化。周劍老師就為學員展示了SAW的其它應用：溫度傳感（用于汽車、智能電網、密閉腔）、粘度傳感（用于汽車齒輪箱）、氫氣濃度監測、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，讓學員領略了更多SAW的技術魅力和應用前景。

華中科技大學副教授余洪斌老師研究基于壓電材料的光學元器件已有多年的經驗。在本期課程中，他首先講解MEMS微鏡的不同驅動方式，并啟發學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前主要用于聲學器件的AlN薄膜能否用于MEMS微鏡。余洪斌老師從公式推導開始講起，為學員分析了如何利用AlN薄膜設計、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器件——MEMS變形鏡，并呈現了多種改進設計。最后，余洪斌老師道出了自己多年進行壓電MEMS器件結構設計的感悟：器件性能對結構強度、響應頻率、低驅動電壓和大位移變形的要求是互為矛盾的，從業人員應該依據實際使用需求尋找性能平衡點。

上海新微技術研發中心有限公司副總經理關一民在講課伊始談到“噴墨打印頭是最成功的微流控產品”，并從熱泡式和壓電式兩種噴墨打印頭技術路線對比分析了兩者的發展歷史、技術指標、在不同應用領域的優劣勢。他表示，2024年噴墨打印頭的市場規模位居MEMS器件的第五位，而中國卻主要依靠進口，中國MEMS從業者還有巨大的寶藏可挖掘！

理解壓電薄膜沉積技術，掌握壓電器件商業化成敗的關鍵環節

壓電薄膜沉積技術是實現壓電器件從概念到產品的重要環節。目前應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中形成，才能保證硅襯底不暴露在大氣中，從而實現高產量和高可靠性。來自愛發科（蘇州）技術研究開發有限公司研究員岳磊為學員分析了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薄膜容易出現的問題（如顆粒、薄膜應力、黏附性、結晶取向等）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，岳磊老師用大量數據和圖表進行了分析和講解，以求學員對PZT薄膜制備有深刻的認知。

至此，2021年第一場“見微知著”培訓課程圓滿落幕！來自全國各地的學員帶著對壓電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、更有信心地擁抱“壓電”黃金時代！

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