压电MEMS与传感器

压电（Piezoelectricity），已经成为近几年并将继续成为未来多年MEMS产业发展的关键词！2019年，在MEMS与传感器执行大会（MEMS & Sensors Executive Congress）上，MEMS设计与研发公司AMFitzgerald创始人Alissa Fitzgerald就基于世界顶级学术研究成果（650多篇论文）提出了对“商业上可行，能够解决问题，可以引起技术变革”的MEMS技术预测，“压电技术”则是其中重要一项！

1880年，居里兄弟发现在石英晶体的特定方向上施加压力或拉力会使石英晶体表面出现电荷，电荷密度与施加的外力大小成比例，这就是压电材料的正压电效应，从此便开启了压电学的历史。随后，1881年居里兄弟又通过实验验证了逆压电效应，并且获得了石英晶体的正逆压电系数。

压电材料的正压电效应（可用于传感器）和逆压电效应（可用于执行器）

按照应用形态，压电材料主要分为块体型和薄膜型两大类。前者通常指具有一定三维结构形式的石英晶体或陶瓷材料，问世时间相对较早，已经广泛地应用于各种电子产品。近些年，随着先进材料和MEMS技术的不断发展，以锆钛酸铅（PZT）和氮化铝（AlN）为代表的薄膜型压电材料的制备越来越成熟。薄膜型压电器件可利用MEMS代工厂，开发与CMOS兼容的量产工艺，从而改变传统压电器件“体积大、功耗高、批量生产能力低、价格贵”的形象，对消费类应用领域来讲极具吸引力！

医学超声波成像技术：块体型压电陶瓷 vs. MEMS（包括PMUT和CMUT）
（来源：飞利浦）

如今，压电和MEMS技术的融合发展，正在为全球MEMS产业带来一场革命。压电MEMS技术越来越多地应用于射频（RF）滤波器、超声波换能器、惯性传感器、MEMS扬声器和麦克风、喷墨打印头、自动对焦执行器、微镜和变形镜、能量收集器、微流控等MEMS产品。

受益于5G通信的迅速发展，射频滤波器在日常生活中的应用也将变得越来越重要，不仅仅是满足在智能手机发短信、拨打电话或下载电影等需求，展望未来，射频滤波器还将被安装于电动汽车和自动驾驶汽车。在如今的压电MEMS和传感器“全家福”照片上，射频滤波器稳居“C位”，瓜分压电MEMS和传感器市场规模约70%的份额。
 

不同类型的射频滤波器工作频率及应用领域

（来源：Akoustis）

目前，超声波传感器主要由块体型压电换能器技术主导。而基于硅芯片的压电MEMS超声波换能器（PMUT）具有小型化、低成本和高集成度等优势，已经成为指纹识别、医疗成像、工业测距和3D成像等应用的新宠，将以惊人的速度成长——未来五年的市场规模复合年增长率（CAGR）高达280%，在所有压电薄膜器件中有望成为继射频滤波器之后的第二霸主。据麦姆斯咨询观察，医疗类、工业类和消费类厂商巨头都在布局PUMT。例如，TDK子公司Chirp在2019年就推出了全球首款基于PMUT的超声波飞行时间（ToF）传感器，实现超宽视场角和超低功耗，提供毫米级测距精度，可以集成于紧凑的消费类产品（如智能手机和可穿戴设备）。

基于PMUT的传感器示例

为了助力中国MEMS和传感器从业人员积极拥抱“压电”黄金时代，麦姆斯咨询从2019年起每年都甄选市场热点与技术重点，精心打造以“压电MEMS和传感器”为主题的培训课程。2021年，麦姆斯咨询将从压电材料特性及性能表征、当前热门压电器件、未来的高潜力压电器件等多个角度，为广大学员带来一期丰富的培训课程。该课程涵盖以下内容：

（1）压电材料综述，包括石英晶体、氮化铝、压电陶瓷和无铅压电陶瓷等；
（2）压电MEMS超声波换能器（PMUT）：面向医疗类、消费类和工业类应用；
（3）压电声波器件、SAW传感器和SAW微流控；
（4）压电加速度计；
（5）压电喷墨打印头；
（6）压电MEMS微镜和压电MEMS变形镜；
（7）压电MEMS设计仿真；
（8）压电薄膜制备工艺。

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