《第31期“见微知著”培训课程：压电MEMS与传感器》在无锡市新吴区圆满举办！

“压电”一词已经成为MEMS和传感器圈内的热门词语：受益于5G通信的迅速发展，射频（RF）滤波器的市场规模正在经历着巨量增长的时期；而压电MEMS超声波换能器（PMUT）也成为指纹识别、医疗成像、工业测距和3D成像等应用的新宠，未来五年的市场规模将以280%的复合年增长率（CAGR）迅速成长……从2019年起，麦姆斯咨询每年都会甄选市场热点与技术重点，精心打造以“压电MEMS与传感器”为主题的培训课程。2021年3月26日~28日，为期三天的《第31期“见微知著”培训课程：压电MEMS与传感器》在无锡市新吴区圆满举办！

《第31期“见微知著”培训课程：压电MEMS与传感器》学员合影留念

压电材料特性，压电器件的“灵魂”

压电材料特性，简单来讲是“电能与机械能的相互转换”。深究起来，其中的学问非常深奥：材料形态（块型、薄膜型）、材料种类、掺杂类型、制备工艺、集成方法……从业人员深刻理解压电材料的“秉性”，才具备成功开发压电器件的先决条件。

宁波大学教授王骥老师从压电材料发展历程及代表应用开始讲起，为学员梳理了压电材料特性被人类逐步认识并开始进行商业化产品开发的发展历程。王骥老师表示“压电声波器件的功能是依靠机械变形和电场激励之间的转换来实现的。分析器件结构在电场激励下的响应，估计结构以及环境参数的影响，是器件设计的基本要求。而器件结构响应分析的基本理论是压电效应和弹性波理论。”接着，他重点讲解了在石英晶体谐振器、陶瓷谐振器、表面波谐振器和薄膜体波谐振器的结构响应分析方面积累的经验并推荐相关文献，分享了其团队开展导电高分子材料电极的研究进展和实际测试结果。最后，王骥老师阐述了自己对谐振器技术开发的重点思路，比如建立基于计算机分析的产品数字设计流程、通过加强研究来提升技术能力等。

来自清华大学的教授李敬锋老师向学员分享了自己多年来在提高无铅压电陶瓷压电性能的同时改善其性能温度稳定性方面所做的研究成果。在讲解了压电材料表征参数及测试方法后，李敬锋老师分析了无铅压电陶瓷材料性能及其优缺点，如钛酸钡（BaTiO3）体系、钛酸铋钠（（Bi0.5Na0.5）TiO3）体系、铁酸铋（BiFeO3）体系、铋层状化合物体系、KKN（（K，Na）NbO3）体系，并重点讲解KNN体系的相界及改性方法。最后，李敬锋老师讲授了面向MEMS应用的无铅压电陶瓷微加工技术，基于无铅压电陶瓷薄膜的MEMS器件（如传感器、执行器、能量收集器），以及基于1-3型压电复合材料的超高频超声换能器、能量收集器的技术前景。

当下热门和未来高潜力压电器件，核“芯”技术一课打尽

随着压电和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。在本期培训中，麦姆斯咨询邀请了多位在压电器件研发和产业化方面具有丰富经验的专业讲师，分别对压电加速度计、MEMS压电超声波换能器、SAW传感器和SAW微流控、压电MEMS微镜和压电MEMS变形镜、压电喷墨打印头等技术及解决方案进行了深入的讲解。

南昌航空大学副教授张巍巍老师曾在某企业主持压电加速度计的研发工作，拥有多年的实战经验，深谙压电加速度计产业化的问题。张巍巍老师从名词术语、振动、冲击来源及其测量方法引出加速计在实际生活生产中的应用。接着，张巍巍老师剥茧抽丝，从加速度计原理及分类（压电式、半导体压阻式、热对流式等）、压电加速度计典型结构和关键性能设计、压电加速度计的制造工艺流程、压电加速度计的性能评测方法等各个方面进行了详细的讲解。最后，他还为大家介绍了压电加速度计主要厂商及配套原材料、测试厂商资源，方便学员们后续寻找相关产业资源。

近几年，市场应用正在推动MEMS超声波换能器火热发展。由于更便宜且更小的探头诞生，医疗超声波成像将实现平民化，全科医生甚至家庭都可以负担使用。在消费类应用中，超声波指纹传感器可以实现显示屏下指纹识别，从而促进全面屏智能手机的出现。在工业领域，超声波传感器已成为无损检测的有力助手！因此，本期课程的重头戏——压电MEMS超声波换能器，则邀请了三位讲师从不同角度进行分享。

来自中国工程物理研究院的副研究员刘利芳首先为学员讲解了传统超声波换能器与MEMS超声波换能器的差异，并从PMUT结构设计的主要参数（如振膜横向尺寸、压电薄膜厚度、支撑层厚度、电极与振膜尺寸比）及其影响方式进行仿真设计实例展示。随后，刘利芳分析了不同压电材料（PZT、AlN）的材料特性对PMUT输出声压、灵敏度的影响，并从制造工艺的角度分析了其中的难点。最后，她提供了如何对PUMT进行测试和性能评价的方法介绍，并分享了PMUT在消费电子和工业检测领域的应用前景。中国科学院微电子研究所正高级研究员高航曾参与开发世界首款用于超声成像的MEMS可穿戴设备样机和世界首个可产生隔空触感的MEMS器件原型机。在本期培训中，高航老师向学员分享了自己曾在欧洲微电子研究院（IMEC）期间面向医疗成像应用的PMUT技术研究成果。比如薄膜可穿戴式医学成像传感器、硅基半柔性医学成像传感器、硅基医学成像传感器、经食道超声传感器、光声脑成像、光声内窥镜成像、神经回路触发、心血管超声传感器等，从工作原理到产品设计，为学员打开了PMUT走向医疗领域的大门。而江苏英特神斯科技有限公司总经理徐波则以PMUT为例，从PMUT的设计、仿真到制造等维度，分享了PMUT一站式解决方案的实现案例，以及PMUT在水声成像、管道压力和流速（流量）监测等领域应用。

提到SAW，很多人会先入为主地认为SAW就是用于智能手机射频前端模组的一种滤波器。其实，SAW器件的声波传播能量因为主要集中在固体表面，当表面受到外界的刺激时（力、电、磁、热），声波波速会变化，导致谐振频率变化，通过探测频率偏移，可以知道外界参量的变化。周剑老师就为学员展示了SAW的其它应用：温度传感（用于汽车、智能电网、密闭腔）、粘度传感（用于汽车齿轮箱）、氢气浓度监测、外太空钻探、SAW微流控等。通过一系列实际案例，周剑老师从SAW器件的工作原理、设计、制造和封装工艺等多个角度进行讲解，配合多个生动形象的视频，让学员领略了更多SAW的技术魅力和应用前景。

华中科技大学副教授余洪斌老师研究基于压电材料的光学元器件已有多年的经验。在本期课程中，他首先讲解MEMS微镜的不同驱动方式，并启发学员从不同压电材料的性能、制备方式、与CMOS工艺的兼容度等角度思考当前主要用于声学器件的AlN薄膜能否用于MEMS微镜。余洪斌老师从公式推导开始讲起，为学员分析了如何利用AlN薄膜设计、制造MEMS微镜，并分享了最近一年的最新研究成果。在课程的第二部分，余洪斌老师讲授了另一种利用压电材料制造的光学器件——MEMS变形镜，并呈现了多种改进设计。最后，余洪斌老师道出了自己多年进行压电MEMS器件结构设计的感悟：器件性能对结构强度、响应频率、低驱动电压和大位移变形的要求是互为矛盾的，从业人员应该依据实际使用需求寻找性能平衡点。

上海新微技术研发中心有限公司副总经理关一民在讲课伊始谈到“喷墨打印头是最成功的微流控产品”，并从热泡式和压电式两种喷墨打印头技术路线对比分析了两者的发展历史、技术指标、在不同应用领域的优劣势。他表示，2024年喷墨打印头的市场规模位居MEMS器件的第五位，而中国却主要依靠进口，中国MEMS从业者还有巨大的宝藏可挖掘！

理解压电薄膜沉积技术，掌握压电器件商业化成败的关键环节

压电薄膜沉积技术是实现压电器件从概念到产品的重要环节。目前应用最广泛的压电薄膜材料是氮化铝（AlN）和锆钛酸铅（PZT）。使用PZT压电薄膜的MEMS器件在硅衬底上形成以下五层：黏附层、下电极层、缓冲层、PZT压电层和上电极层，需要在单晶圆溅射系统中形成，才能保证硅衬底不暴露在大气中，从而实现高产量和高可靠性。来自爱发科（苏州）技术研究开发有限公司研究员岳磊为学员分析了PZT压电薄膜的两种制备方法（溶胶凝胶法和溅射法）的工作机制、成膜特点、缺陷机理等。他着重讲解了用溅射法制备PZT薄膜容易出现的问题（如颗粒、薄膜应力、黏附性、结晶取向等）及解决对策，以及对靶材的要求。最后，就溅射法不同工艺条件对PZT薄膜生长的影响，岳磊老师用大量数据和图表进行了分析和讲解，以求学员对PZT薄膜制备有深刻的认知。

至此，2021年第一场“见微知著”培训课程圆满落幕！来自全国各地的学员带着对压电MEMS与传感器知识的渴求而来，收获了满满的干货而归。麦姆斯咨询希望我们的课程能让大家能更有底气、更有信心地拥抱“压电”黄金时代！

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