深度解析壓電傳感器原理及應用

深度解析壓電傳感器原理及應用

胡薇 發表於 2018-08-10 09:57:47

一、壓電效應及壓電材料

1、壓電效應

壓電材料是指受到壓力作用在其兩端面會出現電荷的一大類單晶或多晶的固體材料，它是進行能量轉換和信號傳遞的重要載體。最早報導材料具有壓電特性的是法國物理學家居裡兄弟，1880年他們發現把重物放在石英晶體上，晶體某些表面會產生電荷，電荷量與壓力成正比，並將其成為壓電效應。壓電效應可分為正壓電效應和逆壓電效應兩種。某些介電體在機械力作用下發生形變，使介電體內正負電荷中心發生相對位移而極化，以致兩端表面出現符號相反的束縛電荷，其電荷密度與應力成比例。這種由「壓力」產生「電」的現象稱為正壓電效應。反之，如果將具有壓電效應的介電體置於外電場中，電場使介質內部正負電荷位移，導致介質產生形變。這種由「電」產生「機械變形」的現象稱為逆壓電效應。

2、壓電材料

（1）壓電單晶

壓電單晶是指按晶體空間點陣長程有序生長而成的晶體。這種晶體結構無對稱中心，因此具有壓電性。如石英晶體、鎵酸鋰、鍺酸鋰、鍺酸鈦以及鐵電晶體鈮酸鋰、鉭酸鋰等。壓電單晶材料的生長方法包括水熱法、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行混合、成型、高溫燒結，由粉粒之間的固相反應和燒結過程而獲得的微細晶粒無規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溼、耐磨和耐高溫性能，硬度較高，物理和化學性能穩定。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經過或濺射的方法沉積在襯底上而形成的，其結構可以是費靜態、多晶甚至是單晶。壓電薄膜製備的器件不需要使用價格昂貴的壓電單晶，只要在襯底上沉積一層很薄的壓電材料，因而具有經濟和省料的特點。而且製備薄膜過程中按照一定取向來沉積薄膜，不需要進行極化定向和切割等工藝。另外，利用壓電薄膜製備的器件應用範圍廣泛、製作簡單、成本低廉，同時其能量轉換效率高，還能與半導體工藝集成，符合壓電器件微型化和集成化的趨勢。

壓電薄膜的主要製備方法

目前應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構的重要III-V族氮化物，其結構穩定性高。與ZnO和PZT壓電薄膜相比較，AlN薄膜的壓電響應較低，但是其優點在於AlN薄膜的聲波速較高，這就使得AlN薄膜可以用來製備高頻下如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，因為AlN材料的壓電性在溫度為1200℃時依舊良好，所以AlN壓電薄膜器件能夠適應高溫環境，該薄膜材料還具有很高的化學穩定性，在腐蝕性工作環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性能，在器件工作時會及時將產生的熱量傳導出去，不會因為產熱過多而減少器件的使用壽命。由於AlN薄膜材料的多方面性能優點使其得到了相應的應用。例如基於AlN壓電薄膜的體聲波諧振器（FBAR），其諧振頻率可達GHz，在通訊領域得到了廣泛的應用。

ZnO與AlN一樣具有纖鋅礦結構。高質量高c軸擇優取向的ZnO具有很好的壓電性能。ZnO晶格常數與矽襯底相差不多，所以晶格匹配度高。目前製備潔淨度高的ZnO薄膜技術已經很成熟。然而，ZnO很大的缺陷在於難以用於惡劣的環境，由於其是兩性氧化物，所以抗腐蝕的能力很弱，這就影響了其在一些特定環境下的應用。

鋯鈦酸鉛是由PbTiO3和PbZrO3組成的二元系固溶體，其化學式為Pb（Zr1-xTix）O3，簡寫為PZT。PbTiO3和PbZrO3均是ABO3型鈣鈦礦結構，所以PZT也是鈣鈦礦結構。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材料已經被大量應用在了揚聲器、超聲成像探頭、超聲換能器、蜂鳴器和超聲電機等電子器件中。最早人們利用溶膠-凝膠法製備了PZT薄膜，並在MEMS器件中進行實際應用，如驅動器、換能器和壓力傳感器。隨著薄膜製備技術的提高，開始湧現出多種製備手段，並且也利用多種技術製備了PZT壓電薄膜，如磁控濺射技術、脈衝雷射沉積技術（PLD）、化學氣相沉積（CVD）和金屬化合物氣相沉積技術等。PZT壓電薄膜與非鐵電的ZnO材料相比較，最重要的優點就是PZT材料具有鐵電性，在一定的外加電場和溫度條件下，PZT材料內部電疇發生轉動，自發極化方向重新確定，這樣使得在多晶材料中原本隨機排列的極化軸通過電場的作用取向排列而產生了淨壓電響應。所以PZT材料的壓電性能要高於ZnO材料，是ZnO的兩倍以上。在光電子學、微電子學、微機電系統和集成光學等領域，PZT薄膜已經被廣泛應用。

PZT薄膜材料具有高介電常數、低的聲波速度、高的耦合係數，橫向壓電係數和縱向壓電係數在三者之中最高，也被視為三者之中最為有前途的壓電薄膜材料，但是PZT薄膜製備過程複雜，與MEMS工藝兼容性較差，製備過程須嚴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，重複製備高質量的PZT薄膜存在較大困難。目前工業界最常採用的壓電材料仍以AlN為主流。

二、壓電MEMS傳感器

1、壓電MEMS噴墨列印頭

噴墨列印為個人文檔列印提供了靈活、經濟的解決方案，目前仍在家庭和小型辦公環境中大量應用。同時，CAD和圖形藝術應用的大型寬幅列印將噴墨列印作為單次列印和小批量列印的技術選擇。MEMS技術為之帶來了「誘人」的解決方案：每個噴墨列印頭擁有更高的噴嘴密度，以及通過大批量生產實現可接受的製造成本。

列印頭主要有兩種技術方案：熱發泡列印和壓電列印。大多數壓電噴墨列印頭使用PZT壓電陶瓷材料，採用薄膜沉積PZT壓電陶瓷代替整塊PZT壓電陶瓷具有巨大的應用前景。薄膜沉積PZT壓電陶瓷的優勢包括：更好的控制墨滴尺寸以調節灰度值和降低功耗。

2007年，愛普生推出了薄膜壓電(TFP)列印頭，廣泛應用於愛普生大幅面印表機的範圍內。2013年9月，愛普生公司宣布其新一代噴墨列印技術：

PrecisionCore，第一次推出採用PZT薄膜技術製造的MEMS噴墨列印頭，進一步提供超高列印速度和極佳的圖像品質。

愛普生PrecisionCore列印頭

列印頭所使用壓電材料為PZT厚膜壓電材料。

2、MEMS自動對焦執行器

目前的自動對焦功能還主要依賴於體積巨大、耗電量高且成本昂貴的音圈電機提供動力。而基於壓電MEMS技術的自動對焦鏡頭已進入商用階段。通過在一塊薄玻璃上粘上幾個壓電電極，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。致動量確定曲率並因此確定焦點。

壓電MEMS自動對焦執行器原理圖

MEMS及VCM性能對比

代表企業為poLight，採用意法半導體的薄膜壓電式技術，其創新的可調鏡頭（TLens®, Tuneable Lens）通過壓電執行器改變聚合膜的形狀，模擬人眼的對焦功能。這項應用被視為相機自動對焦的最佳解決方案。TLens鏡頭可瞬間完成對焦，調焦速度是傳統解決方案的十倍，而電池耗電量只有傳統方案的二十分之一。同時，拍照後相機自動重新對焦的功能也有相當的進步，可為攝像任務提供連續穩定的自動對焦服務。

自動對焦執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）中提出一種採集心跳活動能量的小型壓電懸臂梁式能量採集器以來，世界上許多研究團體已經開展了一系列關於壓電式能量採集器的研究。利用MEMS技術製作壓電能量採集器，可將器件微型化、批量化，使其與已經逐步微型化的無線傳感器節點等其它電子器件更好的集成在一起，最終實現自供能的無線傳感器節點等微器件系統。目前，MEMS壓電供能系統多採用懸臂梁結構。

美國UC Berkeley大學設計的波狀AlN壓電能量採集器

MicroGen Systems公司推出振動能量收集BOLT Power Cell，實現了一款實時無線傳感器網絡，MicroGen的壓電式MEMS振動能量收集器或微功率發電機技術進行供電。

在MicroGen公司BOLT Power Cell的內部是一個小型半導體MEMS晶片，其採用類似於計算機晶片行業的工藝進行製造。該晶片是一個面積約為1.0cm2的壓電式MEMS MPG，其包括一個含有壓電式薄膜的末端質量加載微懸臂。當MPG的懸臂由於外部振動力的原因而上下彎曲時，將產生交流電。在諧振時AC功率輸出達到最大，此時其大約為100μW (在 120Hz 和 ≥ 0.1g) 和 900μW (在 600Hz 和 ≥0.5g)。在採集了能量之後，將其暫時存儲在一個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

與電容式MEMS麥克風不同，壓電式麥克風的結構相對簡單，它是一個伴隨聲音變化而變化的懸臂膜，通過壓電效應直接產生放大的電壓。由於器件原理的不同，這種壓電麥克風的專用放大電路的設計相比電容式而言簡單許多---因為壓電式麥克風不需要高的偏壓或增益微調，因此不再需要電荷泵和增益微調電路塊，從而使得後續處理電路的結構簡單，尺寸也較小；另外，無電荷泵也使得麥克風的啟動幾乎是瞬時的並且提高了電源抑制比（PSRR）。

電容式MEMS麥克風原理圖

壓電式麥克風原理圖

壓電MEMS麥克風可用於室內、戶外、煙霧繚繞的廚房等所有環境, 這對於大型語音控制及監控MEMS麥克風陣列來說是非常關鍵的特性，因為在這樣的環境中，MEMS麥克風陣列的可靠性將會是主要問題。此外，電容式麥克風系統需要持續的監聽類似「Alexa」或「Siri」等關鍵詞，而壓電式麥克風則沒有電荷泵，具有非常短的啟動時間。因此，在壓電式MEMS麥克風處於「永久監聽」（always listening）模式時，它們的工作循環周期非常快，能夠降低90%的系統能耗。

壓電聲學傳感器代表廠商為美國Vesper公司，Vesper是來自密西根大學的Bobby Littrell和Karl Grosh於200年創立，總部位於美國馬塞諸塞州波士頓，是一家私人持有的MEMS初創公司。Vesper產品採用的是壓電式技術。在潛心解決了氮化鋁（AlN）薄膜澱積技術和一系列其它關鍵技術難題後，Vesper公司於2014年組建了工程團隊並在代工廠投放了產品。

Vesper壓電MEMS麥克風所使用壓電材料為AlN，另有一家初創公司GMEMS推出的壓電MEMS麥克風使用的壓電材料為PZT。

5、超聲波指紋傳感器

目前已經商業化的指紋傳感器多是基於電容式原理，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，避免了汗水油汙等對接觸式指紋識別成功率的影響，可以在顯示屏下方對指紋進行識別。

超聲波指紋傳感器利用壓電材料，超聲波的脈衝回波成像可以穿透手指的表皮，收集指紋表面特徵的圖像。

單晶片超聲波傳感器

高通公司在2015年發布Snapdragon Sense ID超聲波指紋識別技術，可以內建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，避免了汗水油汙等對接觸式指紋識別成功率的影響，並且可用於塑料/玻璃/藍寶石等外屏下方。

高通3D超聲波指紋傳感器晶片（PMUT）

2016年9推出的小米5s就是首款採用此方案的智慧型手機產品，這也是超聲波指紋識別技術首次被成功運用於智慧型手機上。但是從用戶的反饋來看，其識別率還是存在一些問題。而且超聲波指紋識別模組的成本也比較高。隨後的小米旗艦機也沒有繼續採用高通的超聲波指紋識別技術。

超聲波指紋傳感器中使用的壓電材料為AlN。

6、超聲波手勢識別傳感器

基於光和攝像頭的系統識別工作量大且功耗高，但藉助超聲波的手勢識別，功耗可以降至幾十微瓦，可以實現超聲波傳感器在消費電子中的應用。

超聲波手勢識別傳感器的原理是通過壓電微加工超聲換能器(PMUT)陣列發出聲波脈衝，聲波從物體反彈至晶片。通過計算，晶片能夠確定物體相對於設備的位置，並可進一步構建3D模型，對手勢進行識別。

代表企業為加州伯克利的新創企業Chirp Microsystems，成立於2013年，是目前唯一一家將 PMUT 商業化並用於空氣耦合式超聲的公司。Chirp 在 2016 年 CES 技術展上舉行了第一次超聲手勢感應的公開展示。

超聲波手勢識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於體聲波理論，利用聲學諧振實現電學選頻的器件。

薄膜體聲波諧振器結構原理圖

當電信號加載到薄膜體聲波諧振器的電極上後，通過逆壓電效應，壓電薄膜材料將電信號轉化為聲信號，並由中心向兩個電極方向傳播。當聲信號行進到頂電極的上端和底電極低端時，由於聲阻抗的巨大差異（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的區域裡。這個厚度為T的區域形成了一個頻率f=v/（2T）的聲學信號諧振腔，在工作狀態下，在壓電材料壓電效應和逆壓電效應的共同作用下，聲學的諧振就表現為對頻率為f的電信號的諧振。v為體聲波的波速，取決於傳播的介質材料。

FBAR的壓電薄膜厚度在微米量級，從而使其工作頻率可提高到GHz。另外，由於壓電薄膜太薄，因此FBAR須有支撐層，加工時先將金屬電極蒸發或濺射到支撐層上，然後再再電極上製備壓電薄膜，最後再在壓電薄膜上形成金屬上電極。

固態裝配型（SMR）BAW濾波器，它借用光學中的布拉格層技術，在諧振器底電極下方製備高、低交替的聲阻抗層，從而將聲波限制在壓電堆之內。布拉格反射層一般採用W和SiO2作為高低聲學阻抗層，因為W和SiO2之間的聲學阻抗值相差較大，而且這兩種材料都是標準CMOS工藝常用的材料。它的最大優點是機械穩定性高、集成性好，而且不使用MEMS工藝。但缺點是需要製備多層膜，工藝成本相較於空腔型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值相對低一些。

基於布拉格反射層的BAW濾波器示意圖

目前市場上的FBAR大都基於AlN壓電薄膜。

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