盘点MEMS器件中可商业化压电薄膜材料及应用

什么是压电效应和逆压电效应？

压电材料是一类机械能和电能相互转换的信息功能材料，它具有压电效应（正）和逆压电效应。压电效应是指当对压电材料施加压力或拉力时，压电材料收缩或者伸长，使两端产生电荷累积效应，即“压”生“电”；逆压电效应是指当对压电材料沿极化方向施加正向或反向电场时，材料产生伸长或者收缩的效应，即“电”生“压”。

表征压电材料性能最重要的一个参数就是压电系数，压电系数大的材料逆压电系数也大。压电系数单位是pC/N，什么意思呢？就是单位力下产生的电荷。它和逆压电系数pm/V是可以相互转换的。在压电系数里面也有一个神奇的下标，很多初学者都是疑惑的。d33，d31（这里不讨论d15等其它切向系数）在压电材料中常常用来表示压电系数，那么怎么去理解33和31呢？第一个数字代表自发极化，第二个数字代表机械振动的方向。因此，这里的33是指电和力都在3方向，一般是Z方向；31是指电在3方向，力在1方向。一般情况下，d31比d33绝对值要小。有了d33，较小的d31是不是多余？并非如此，一般d31主要用在横向应变带来的弯矩变化，弯矩变化带来的材料位移行程比d33带来的大数倍。

图 压电效应和逆压电效应原理图

有哪些商业化压电薄膜材料？

那么对于目前商业化的压电薄膜有哪些呢？只有3种，AlN、PZT和PVDF。区别于前两者，PVDF是有机压电薄膜，是柔性材料，声阻抗匹配较好，常用于水听器和麦克风等器件制造。AlN和PZT是无机非金属薄膜，是MEMS商业化较好的两种。AlN不是铁电体，没有居里温度限制，因此可以耐高温，且成分简单，更易于制备，常用在体声波滤波器BAW和超声波传感器Pmut上。PZT是一类铁电材料，经过人为加电极化得到的压电材料，居里温度低，不适合应用在超过150°C条件下，PZT薄膜材料最大的优势是压电系数大，因此可以用在驱动器中，实现较大的驱动力和形变，常用在微镜、微马达和微扬声器中。

图 常见的压电薄膜材料及其应用

商用化压电材料制备方法

那么无机压电薄膜材料的制备方法包括哪些呢？主要包括溶胶凝胶法（sol-gel）、脉冲激光沉积法（PLD）、金属有机物气相沉积法（MOCVD）和磁控溅射法（sputter）。Sol-gel优点是设备简单、成本低、组分可控且可制备厚膜，缺点是难以特定取向生长（特定取向影响压电系数）且配备的溶液易沉淀失效，在早期sol-gel方法在商业化制备PZT薄膜有一定的应用，当前已逐步淘汰。PLD优点是组分精确可控且沉积速度快，缺点是制备的薄膜均匀性差，也难以制备大尺寸样品，最多在2寸晶圆上应用，因此也难以商业化。MOCVD优点是成膜温度低、应力小、厚度和应力均匀性好，但是需要金属气源、成本很大，且不能生长厚膜，目前MOCVD主要的商业化应用还是在制备外延硅、氮化镓和碳化硅等高附加值产品。磁控溅射是目前制备PZT和AlN唯一产业化和商业化的方法，它的优点是附着力好、厚度和应力均匀性较好、可大尺寸量产。为了匹配PZT和AlN在MEMS器件中的应用，ULVAC开发了商业化PZT靶材和专用磁控溅射设备，目前国内多家代工厂和IDM采购了其6&8英寸设备；SPTS和OEM开发了商业化AlN专用磁控溅射设备，国内也有多家采购了6英寸设备。

图 压电薄膜材料制备方法

压电薄膜材料性能比较，我们总结了目前常用的PZT、AlN和PVDF的压电系数、机电耦合系数、相对介电常数和弹性模量等数据，关注并回复公众号“压电”即可免费获取。