“壓電”一詞已經(jīng)成為MEMS和傳感器圈內(nèi)的熱門(mén)詞語(yǔ)：受益于5G通信的迅速發(fā)展，射頻（RF）濾波器的市場(chǎng)規(guī)模正在經(jīng)歷著巨量增長(zhǎng)的時(shí)期；而壓電MEMS超聲波換能器（PMUT）也成為指紋識(shí)別、醫(yī)療成像、工業(yè)測(cè)距和3D成像等應(yīng)用的新寵，未來(lái)五年的市場(chǎng)規(guī)模將以280%的復(fù)合年增長(zhǎng)率（CAGR）迅速成長(zhǎng)……從2019年起，麥姆斯咨詢(xún)每年都會(huì)甄選市場(chǎng)熱點(diǎn)與技術(shù)重點(diǎn)，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(jiàn)微知著”培訓(xùn)課程：壓電MEMS與傳感器》在無(wú)錫市新吳區(qū)圓滿(mǎn)舉辦！

《第31期“見(jiàn)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(jiǎn)單來(lái)講是“電能與機(jī)械能的相互轉(zhuǎn)換”。深究起來(lái)，其中的學(xué)問(wèn)非常深?yuàn)W：材料形態(tài)（塊型、薄膜型）、材料種類(lèi)、摻雜類(lèi)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(kāi)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(kāi)始講起，為學(xué)員梳理了壓電材料特性被人類(lèi)逐步認(rèn)識(shí)并開(kāi)始進(jìn)行商業(yè)化產(chǎn)品開(kāi)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(jī)械變形和電場(chǎng)激勵(lì)之間的轉(zhuǎn)換來(lái)實(shí)現(xiàn)的。分析器件結(jié)構(gòu)在電場(chǎng)激勵(lì)下的響應(yīng)，估計(jì)結(jié)構(gòu)以及環(huán)境參數(shù)的影響，是器件設(shè)計(jì)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。”接著，他重點(diǎn)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(yàn)并推薦相關(guān)文獻(xiàn)，分享了其團(tuán)隊(duì)開(kāi)展導(dǎo)電高分子材料電極的研究進(jìn)展和實(shí)際測(cè)試結(jié)果。最后，王驥老師闡述了自己對(duì)諧振器技術(shù)開(kāi)發(fā)的重點(diǎn)思路，比如建立基于計(jì)算機(jī)分析的產(chǎn)品數(shù)字設(shè)計(jì)流程、通過(guò)加強(qiáng)研究來(lái)提升技術(shù)能力等。

來(lái)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(lái)在提高無(wú)鉛壓電陶瓷壓電性能的同時(shí)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(cè)試方法后，李敬鋒老師分析了無(wú)鉛壓電陶瓷材料性能及其優(yōu)缺點(diǎn)，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(diǎn)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(wú)鉛壓電陶瓷微加工技術(shù)，基于無(wú)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(mén)和未來(lái)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(lái)一場(chǎng)革命。壓電MEMS技術(shù)越來(lái)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(yáng)聲器和麥克風(fēng)、噴墨打印頭、自動(dòng)對(duì)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(xún)邀請(qǐng)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(yàn)的專(zhuān)業(yè)講師，分別對(duì)壓電加速度計(jì)、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(jìn)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(jì)的研發(fā)工作，擁有多年的實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)，深諳壓電加速度計(jì)產(chǎn)業(yè)化的問(wèn)題。張巍巍老師從名詞術(shù)語(yǔ)、振動(dòng)、沖擊來(lái)源及其測(cè)量方法引出加速計(jì)在實(shí)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(jì)原理及分類(lèi)（壓電式、半導(dǎo)體壓阻式、熱對(duì)流式等）、壓電加速度計(jì)典型結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵性能設(shè)計(jì)、壓電加速度計(jì)的制造工藝流程、壓電加速度計(jì)的性能評(píng)測(cè)方法等各個(gè)方面進(jìn)行了詳細(xì)的講解。最后，他還為大家介紹了壓電加速度計(jì)主要廠商及配套原材料、測(cè)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(chǎng)應(yīng)用正在推動(dòng)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(shí)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(fèi)類(lèi)應(yīng)用中，超聲波指紋傳感器可以實(shí)現(xiàn)顯示屏下指紋識(shí)別，從而促進(jìn)全面屏智能手機(jī)的出現(xiàn)。在工業(yè)領(lǐng)域，超聲波傳感器已成為無(wú)損檢測(cè)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(qǐng)了三位講師從不同角度進(jìn)行分享。

來(lái)自中國(guó)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(jì)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(jìn)行仿真設(shè)計(jì)實(shí)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(duì)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(diǎn)。最后，她提供了如何對(duì)PUMT進(jìn)行測(cè)試和性能評(píng)價(jià)的方法介紹，并分享了PMUT在消費(fèi)電子和工業(yè)檢測(cè)領(lǐng)域的應(yīng)用前景。中國(guó)科學(xué)院微電子研究所正高級(jí)研究員高航曾參與開(kāi)發(fā)世界首款用于超聲成像的MEMS可穿戴設(shè)備樣機(jī)和世界首個(gè)可產(chǎn)生隔空觸感的MEMS器件原型機(jī)。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(jì)，為學(xué)員打開(kāi)了PMUT走向醫(yī)療領(lǐng)域的大門(mén)。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(jì)、仿真到制造等維度，分享了PMUT一站式解決方案的實(shí)現(xiàn)案例，以及PMUT在水聲成像、管道壓力和流速（流量）監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域應(yīng)用。

提到SAW，很多人會(huì)先入為主地認(rèn)為SAW就是用于智能手機(jī)射頻前端模組的一種濾波器。其實(shí)，SAW器件的聲波傳播能量因?yàn)橹饕性诠腆w表面，當(dāng)表面受到外界的刺激時(shí)（力、電、磁、熱），聲波波速會(huì)變化，導(dǎo)致諧振頻率變化，通過(guò)探測(cè)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(chē)、智能電網(wǎng)、密閉腔）、粘度傳感（用于汽車(chē)齒輪箱）、氫氣濃度監(jiān)測(cè)、外太空鉆探、SAW微流控等。通過(guò)一系列實(shí)際案例，周劍老師從SAW器件的工作原理、設(shè)計(jì)、制造和封裝工藝等多個(gè)角度進(jìn)行講解，配合多個(gè)生動(dòng)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(yàn)。在本期課程中，他首先講解MEMS微鏡的不同驅(qū)動(dòng)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(kāi)始講起，為學(xué)員分析了如何利用AlN薄膜設(shè)計(jì)、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(jìn)設(shè)計(jì)。最后，余洪斌老師道出了自己多年進(jìn)行壓電MEMS器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的感悟：器件性能對(duì)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、響應(yīng)頻率、低驅(qū)動(dòng)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(shí)際使用需求尋找性能平衡點(diǎn)。

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(duì)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(shì)。他表示，2024年噴墨打印頭的市場(chǎng)規(guī)模位居MEMS器件的第五位，而中國(guó)卻主要依靠進(jìn)口，中國(guó)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(shí)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(shí)現(xiàn)高產(chǎn)量和高可靠性。來(lái)自愛(ài)發(fā)科（蘇州）技術(shù)研究開(kāi)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(jī)制、成膜特點(diǎn)、缺陷機(jī)理等。他著重講解了用濺射法制備PZT薄膜容易出現(xiàn)的問(wèn)題（如顆粒、薄膜應(yīng)力、黏附性、結(jié)晶取向等）及解決對(duì)策，以及對(duì)靶材的要求。最后，就濺射法不同工藝條件對(duì)PZT薄膜生長(zhǎng)的影響，岳磊老師用大量數(shù)據(jù)和圖表進(jìn)行了分析和講解，以求學(xué)員對(duì)PZT薄膜制備有深刻的認(rèn)知。

至此，2021年第一場(chǎng)“見(jiàn)微知著”培訓(xùn)課程圓滿(mǎn)落幕！來(lái)自全國(guó)各地的學(xué)員帶著對(duì)壓電MEMS與傳感器知識(shí)的渴求而來(lái)，收獲了滿(mǎn)滿(mǎn)的干貨而歸。麥姆斯咨詢(xún)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(shí)代！

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