基於PZT薄膜的微系統器件研究進展

本文內容轉載自《傳感器與微系統》2020年5期，版權歸《傳感器與微系統》編輯部所有。

於海超，尚瑛琦，劉智輝，張巖

中國電子科技集團公司第四十九研究所

摘要：對當前基於鋯鈦酸鉛壓電陶瓷（PZT）薄膜微系統器件的研究進展進行了綜述，對PZT傳感器、PZT能量收集器、PZT驅動器的研究進展以及採用不同工藝PZT薄膜的製備技術進行了闡述。對基於PZT薄膜微系統（MEMS）器件的發展趨勢進行了展望。

關鍵詞：鋯鈦酸鉛壓電陶瓷（PZT）；傳感器；能量收集器；驅動器

0 引言

微機電系統（micro-electro-mechanicalsystem，MEMS）器件是各種功能器件的集合於一體的微型器件。在MEMS器件中，為實現不同功能，需選用不同的功能材料，壓電材料是MEMS器件的關鍵材料之一。隨著壓電材料在MEMS領域的不斷探索，目前主要應用領域有微型系統，鐵電存儲器和高頻電子器件。

鋯鈦酸鉛壓電陶瓷（Pb-basedlanthanum-doped zirconate titanates，PZT）化學式為Pb（Zr11xTix）O3的二元系壓電陶瓷，屬鈣鈦礦結構。PZT可以實現機械能（應力、形變）和電能（電荷、電壓、電流）之間的雙向能量轉換。由於其特有的雙向壓電效用，使其成為智能MEMS傳感器的理想材料。結合MEMS系統中傳感和驅動兩部分模塊，使壓電材料更適宜於MEMS領域。基於壓電效應的MEMS傳感器有加速度計、聲傳感器、超聲換能器和執行器包括微型馬達、微型泵等。

1 PZT薄膜在微系統器件中應用

1.1 PZT傳感器

1993年日本京都大學的Lee C等人研究了PZT壓電薄膜力敏傳感器，該力敏傳感器採用溶膠—凝膠工藝製備PZT薄膜。PZT微懸臂梁通過外力產生形變，使懸臂梁發生振動，再利用外加電壓使懸臂梁發生縱向位移。該壓電懸臂梁尺寸為200 μm × 50 μm。經過計算和實驗測試，該結構的彈簧常量為8.7 N/m，諧振頻率為72.5 kHz。

兩種不同結構的微型加速度計示意圖如圖1所示。圖1( a)四梁結構微型加速度計的敏感薄膜採用PZT薄膜材料，經製作，該加速度計平行方向靈敏度為8 pC/g，垂直方向靈敏度為22 pC/g，首次實現單質量塊3D加速度測量。圖1( b)是Trolier-McKinstryS小組研究設計的環形薄膜片結構，這種環形薄膜片製作工藝簡單，成品率高，傳感面積大，靈敏度高。靈敏度根據結構尺寸的不同可以達到（0.77 ~ 7.6） pC/g，諧振頻率35.3 ~ 3.7 kHz。

圖1 四梁結構和環形結構的壓電加速度計示意

敏感薄膜的厚度是影響薄膜材料電性能的關鍵因素，所以提出在製備多層結構疊加的PZT薄膜。2018年劉揚等人設計製作了一種柔性壓力傳感器，該柔性傳感器以聚對苯二甲酸乙二醇酯（PET）作為柔性襯底，在其表面生長一層氧化銦錫，將其圖形化成叉指電極結構；製備PZT納米纖維薄膜，並轉移到PET襯底上；最後在PZT薄膜上製備聚二甲基矽氧烷（PDMS）薄膜。PZT納米纖維柔性壓力傳感器樣品如圖2所示。該柔性傳感器在20 ~ 60 kPa內，傳感器的開路電壓隨壓強的增大而增大，最大約為10 V，其中靈敏度約為180 mV/kPa。

圖2 PZT納米纖維柔性壓力傳感器樣品

1.2 PZT能量收集器

Rajendra K S等人在2003年就在MEMS工藝的基礎上製備出了微型的壓電式能量收集器，可實現小型無線傳感器自供電功能，避免外接電源和斷電等問題發生。如圖3所示。

圖3 壓電微能量收集器示意

該結構諧振頻率為13.7 kHz，當施加此頻率的外接激勵時，懸臂梁懸浮端可產生約為3 μm的縱向位移，此時輸出電能達1 μW，直流電壓達2.36 V，經後續處理，產生的電能可存儲於電容中，用於為整個MEMS系統供電。

2010年日本的Morimoto K等人在（001）Pt /MgO襯底上外延生長了（001）晶向的PZT薄膜，所製備的能量收集器的機電轉換效率得到很大提升。圖4為該壓電能量收集器的仿真結構示意圖和樣品圖。

圖4 壓電能力收集器結構和實物照片

該能量收集器的懸臂梁採用不鏽鋼材料作為襯底，可提高輸出功率，降低共振頻率。利用刻蝕及成膜技術，在該不鏽鋼表面製備（001）晶向的PZT薄膜。該敏感結構的尺寸為20 mm × 5 mm × 50 μm，經計算仿真，該結構的諧振頻率為126 Hz，約為工作環境的固有頻率。當外加激勵為5 m/s2時，並聯50 kΩ的輸出電阻，可實現機電轉換出5.3 μW功率的電能。

1.3 PZT驅動器

Muralt P研究小組製作的超聲微馬達示意圖如圖5所示。該結構採用溼法腐蝕、光刻、蒸發等MEMS工藝技術實現。PZT壓電敏感薄膜的上電極採用兩個環形結構。實現電荷傳導。當對壓電敏感膜施加外接電壓時，由於逆壓電效應，懸浮膜片發生振動，使轉子運動，微馬達運轉工作。採用此方法製備的超聲微馬達優點是厚度薄，轉矩高，該結構的微型馬達能產生0.3 μNm/Vrms的轉矩，遠大於同尺寸的靜電微馬達。

圖5 壓電薄膜膜片式定子的超聲微馬達

2012年日本的Kanda K等人利用磁控濺射技術成功製備出了雙層PZT壓電薄膜微作動器。從圖6( a)中可以看出兩層PZT薄膜結構類型一致。從圖6( b)中可以看出，在外加激勵電壓相同時，雙層PZT薄膜結構的變形位移是單層PZT薄膜的2倍以上。因此得出結論，多層PZT薄膜疊加技術可實現MEMS器件的多層驅動。

圖6 雙層PZT膜特性

2018年王歡等人設計了懸臂梁式壓電微驅動器。為實現該微驅動器的製備，材料上選用壓電性能良好的PZT材料；採用鍵合工藝，利用0.9 μm厚的Au層，將PZT材料與矽襯底鍵合；採用減薄工藝將PZT材料減薄至30 μm，再通過溼法腐蝕工藝完成微驅動器結構的製作。最後利用準分子雷射器實現預製溝槽PZT薄膜。所製備的懸臂梁式微壓電驅動器的大小尺寸為1450 μm × 300 μm× 69.8 μm。經測試，該壓電微驅動器的諧振頻率為18.43 kHz。採用該方法製備的懸臂梁式壓電微驅動器成品低、尺寸小，可批量生產。

2018年史平安等人設計了一種基於PZT和Si的蟹爪型MEMS微驅動器，樣品如圖7所示。該驅動器結構簡單，響應速度快，輸出位移大。針對該結構使用壽命較低問題，提出採用數值模擬方法，研究對壓電層材料厚度等參數對為驅動器性能的影響。經研究，壓電材料的性能直接影響微驅動器的性能。PZT-4作為壓電層時，微驅動器的穩定性增強但驅動響應降低; 而當選PZT-5和PZT-5H作為壓電層時，微驅動器的驅動效應增強但穩定性降低。綜合以上因素，確定蟹爪梁結構為最優組合。

圖7 微驅動器樣品

國內現有的PZT傳感器研究仍然以溶膠—凝膠法為主，少數採用經典紡絲技術及外延技術，但是隨著磁控濺射技術的不斷發展，已經有不少學校開展了PZT磁控濺射技術方面的研究。

1.4 PZT磁控濺射技術

日本京都大學的Wasa K等人採用粉末靶材通過磁控濺射技術在（001）MgO製備了單c電疇的結構壓電薄膜。所製備的壓電薄膜壓電耦合係數可達70 %。且該薄膜具有硬性鐵電性，機械品質因子為185，與AlN相似。暗示了PZT薄膜有很大的應用前景。

隨後，Wasa K教授在（001）MgO基片上生長出面內無缺陷的PMnN-PZT壓電鈣鈦礦結構薄膜，製備過程中選用100 nm的Pt和SrRuO3作為緩衝層。降溫過程不變。通過工藝的改變，製備的薄膜剩餘極化強度達到100 μC/cm2，相對介電常數約100 ~ 450，其居裡溫度達到了600 ℃，該溫度使所製備的PZT薄膜能夠適用於更多環境中。橫向壓電係數為-12.0 C/m2，與壓電晶體材料相似。這種無應力的外延薄膜與塊體材料性能相近，使其在MEMS應用中具有更高的潛力。

2015年愛發科開發出不超過500 ℃的低溫PZT壓電薄膜濺射工藝。多腔濺射臺可以包含用於加速晶化的快速熱退火。愛發科使用低溫濺射工藝，在矽襯底上形成黏附層、下電極層、緩衝層（專有工藝）、壓電層和上電極層五層疊加的PZT壓電薄膜MEMS工藝技術。

壓電MEMS技術的應用越來越廣泛，如用於陀螺儀、濾波器、噴墨印表機、MEMS揚聲器和麥克風、自動對焦執行器，以及超聲波換能器和指紋識別傳感器等MEMS產品中。一些代工廠也開發了壓電薄膜製造技術，如Globalfoundries公司為Vesper公司代工量產MEMS麥克風，研究AlN壓電MEMS技術；意法半導體（STmicroelectronics）公司為Usound公司代工量產MEMS揚聲器，研究PZT壓電MEMS技術；博世公司在MEMS代工服務中採用愛發科的濺射設備沉積PZT、採用SPTS的Sigma PVD設備沉積AlN。

PZT壓電薄膜式未來傳感器和微系統發展的一個熱點，在麥克風、微鏡、噴墨頭等領域已經有商業化的產品，在軍用電子元器件的低功耗、微型化、集成化方面有很強的發展潛力。

2 結束語

本文介紹了基於PZT材料的傳感器的研究進展。雖然該領域近年來已經取得了很大的進步，但仍然有很多關鍵技術需要更加深入的研究探索，如國內現有的PZT傳感器研究仍然以溶膠—凝膠法為主，但是隨著磁控濺射技術的不斷發展，已經有不少學校開展了PZT磁控濺射工藝方面的研究。通過對關鍵性技術的進一步研究探索和相關工藝的逐漸成熟以及傳感器領域的進一步擴大，基於PZT材料的敏感器件將在傳感器及微系統領域發揮更大的作用。