压电 MEMS 概述：原理、应用和未来

一、什么是压电？

压电是某些材料在应变和应力下变得电极化的一种特性。自 18世纪中叶首次发现以来，这种现象已被广泛研究。

压电材料可以响应于施加的机械应力而产生电荷，并且也可以在施加电荷时产生机械应力。这些材料提供信号从机械域到电域的直接双向转换，反之亦然。

二、压电材料生产的挑战

加工和制造压电材料是具有挑战性的。事实上，化学反应材料的化学计量和物理结构控制是制造压电材料过程中至关重要的参数，需要精确控制压电结晶过程。

此外，常用的压电材料制造过程通常包括与标准CMOS技术不兼容的材料。这曾经使将压电元件集成到更大的CMOS电子电路中变得困难。

在过去几十年中，低成本、高质量的沉积过程的开发使得生产压电材料取得了重大进展。例如，化学溶涂法和铁电铅锆钛酸钛（PZT）薄膜的图案化，使将压电材料集成到基于MEMS的传感器中成为可能。

三、压电和MEMS

许多商业上成功的 MEMS 设备都依赖于静电场对机械部件的位移来运行，包括许多基于 MEMS 的运动传感器。与传统的基于静电的驱动相比，基于压电的 MEMS 提供了更直接和线性的驱动和检测机制。

基于压电的 MEMS 产品种类繁多，包括麦克风、扬声器、陀螺仪、能量采集器、模拟反射镜等。MEMS 技术的这些压电应用均可使用Coventor MP ®进行设计和研究。

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Coventor MP是一个高度参数化的设计平台，专用于多物理场仿真。其大量的线性和非线性分析功能可以对压电设备进行全面研究。

Coventor MP还包括一个用于系统设计的 MATLAB ® Simulink 接口，以及一个用于 IC 设计的 Cadence ®接口，因此可以在其周围系统和电子电路中研究压电 MEMS 设备的操作。

四、能量收集器设计实例

图 1 -3说明了使用 CoventorMP 对压电能量收集器的研究。在制造基于 MEMS 的能量收集器时，压电换能器旨在最大限度地产生电能。在图 1 所示的示例中，漂浮质量使用悬梁连接到锚固质量（类似于游泳池中的跳水板）。压电薄膜和两个电极层已沉积在悬梁的顶部。由于压电薄膜的存在，梁的物理变形（通过运动）将在沉积在梁顶部的 2 个电极处产生电流。在图 1中，显示了基于 MEMS 的能量收集器的共振模式。当压电堆以接近梁结构自然共振的频率拉伸和拉回时，就会出现共振模式，从而可以有效地获得大位移（和更多能量）。在图2，在 Cadence 电路模型中显示了 MEMS 器件（大块）的降阶模型。压电设备在其较大电路中的电气响应显示在图3。Coventor MP可用于设计基于 MEMS 的能量收集器，并在基于硅的测试之前预测其电气响应。

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图 1：能量收集器的第一共振模式

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图 2：包括 MEMS 组件的电路设计

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图 3：输出电阻电压的瞬态分析

五、微镜设计实例

一些基于 MEMS 的压电换能器用于驱动（或移动）微型结构。例如，基于 MEMS 的微镜使用压电力来移动微米级镜面。这些微型反射镜用于光学收集和显示应用，并且可以在视频显示投影仪和用于自动车辆控制的 LIDAR 传感器等产品中找到。下图所示的微镜设计（图 4）是通过在转子顶部放置一个方形镜子构建的。镜子两侧的粗梁顶部有一个压电层，用于向转子施加力矩（力）。由于这种施加的力，镜子将在可以精确确定和控制的范围内旋转。

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图 4：压电微镜

六、下一步是什么？

总之，压电材料是高能量密度材料，在小型化时非常有利。人们越来越关注将压电薄膜用于 MEMS 应用。然而，需要克服重要的设计和材料加工问题，以提高压电 MEMS 器件的效率。新的和先进的压电材料将使新型压电 MEMS 产品的设计成为可能，并提供与 CMOS 电路的更大集成并进入先进的低功率应用。

参考：

Ulrich Schmid 和 Michael Schneider，“压电 MEMS 特刊社论”，Micromachines 2018，9(5)，237；https://doi.org/10.3390/mi9050237
S Tadigadapa1 和 K Mateti，“压电 MEMS 传感器：最新技术和展望”，Meas、科学、技术20 092001，2009 年 7 月；https://iopscience.iop.org/article/10.1088/0957-0233/20/9/092001

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