一、压电效应及压电资料
1、压电效应
压电资料是指遭到压力作用在其两头面会呈现电荷的一大类单晶或多晶的固体资料，它是进行能量转化和信号传递的重要载体。最早报导资料具有压电特性的是法国物理学家居里兄弟，1880年他们发现把重物放在石英晶体上，晶体某些外表会发生电荷，电荷量与压力成正比，并将其成为压电效应。压电效应可分为正压电效应和逆压电效应两种。某些介电体在机械力作用下发生形变，使介电体内正负电荷中心发生相对位移而极化，致使两头外表呈现符号相反的束缚电荷，其电荷密度与应力成份额。这种由“压力”发生“电”的现象称为正压电效应。反之，假如将具有压电效应的介电体置于外电场中，电场使介质内部正负电荷位移，导致介质发生形变。这种由“电”发生“机械变形”的现象称为逆压电效应。
2、压电资料
（1）压电单晶
压电单晶是指按晶体空间点阵长程有序成长而成的晶体。这种晶体结构无对称中心，因而具有压电性。如石英晶体、镓酸锂、锗酸锂、锗酸钛以及铁晶体管铌酸锂、钽酸锂等。压电单晶资料的成长办法包含水热法、提拉法、坩埚下降法和泡生法等。
（2）压电陶瓷
压电陶瓷则泛指压电多晶体， 是指用必要成份的质料进行混合、成型、高温烧结，由粉粒之间的固相反应和烧结进程而取得的微细晶粒无规则调集而成的多晶体， 具有压电性的陶瓷称压电陶瓷。压电陶瓷资料具有杰出的耐湿润、耐磨和耐高温功用，硬度较高，物理和化学功用安稳。压电陶瓷资料包含钛酸钡BT、锆钛酸铅PZT、改性锆钛酸铅、偏铌酸铅、铌酸铅钡锂PBLN、改性钛酸铅PT等。
（3）压电薄膜
压电薄膜资料是原子或原子团经过或溅射的办法堆积在衬底上而构成的，其结构可所以费静态、多晶乃至是单晶。压电薄膜制备的器材不需求运用价格贵重的压电单晶，只要在衬底上堆积一层很薄的压电资料，因而具有经济和省料的特色。并且制备薄膜进程中依照必定取历来堆积薄膜，不需求进行极化定向和切开等工艺。别的，运用压电薄膜制备的器材运用规模广泛、制作简略、本钱低价，一起其能量转化效率高，还能与半导体工艺集成，契合压电器材微型化和集成化的趋势。
压电薄膜的首要制备办法
现在运用较为广泛的压电薄膜资料首要有氮化铝AlN)、氧化锌(ZnO)和 PZT系列的压电薄膜资料。功用比较如下表所示：
AlN是一种具有纤锌矿结构的重要III-V族氮化物，其结构安稳性高。与ZnO和PZT压电薄膜比较较，AlN薄膜的压电呼应较低，可是其长处在于AlN薄膜的声波速较高，这就使得AlN薄膜可以用来制备高频下如GHz的滤波器件和高频谐振器等。此外，AlN压电薄膜是一种很好的高温资料，由于AlN资料的压电性在温度为1200℃时仍旧杰出，所以AlN压电薄膜器材可以习惯高温环境，该薄膜资料还具有很高的化学安稳性，在腐蚀性作业环境下薄膜器材仍旧可以正常作业而不受影响。AlN资料还具有杰出的热传导功用，在器材作业时会及时将发生的热量传导出去，不会由于产热过多而削减器材的运用寿命。由于AlN薄膜资料的多方面功用长处使其得到了相应的运用。例如根据AlN压电薄膜的体声波谐振器（FBAR），其谐振频率可达GHz，在通讯范畴得到了广泛的运用。
ZnO与AlN相同具有纤锌矿结构。高质量高c轴择优取向的ZnO具有很好的压电功用。ZnO晶格常数与硅衬底相差不多，所以晶格匹配度高。现在制备洁净度高的ZnO薄膜技能现已很老练。可是，ZnO很大的缺陷在于难以用于恶劣的环境，由于其是两性氧化物，所以抗腐蚀的才能很弱，这就影响了其在一些特定环境下的运用。
锆钛酸铅是由PbTiO3和PbZrO3组成的二元系固溶体，其化学式为Pb（Zr1-xTIx）O3，简写为PZT。PbTIO3和PbZrO3均是ABO3型钙钛矿结构，所以PZT也是钙钛矿结构。此外，还可以在PZT中增加其它微量元素（如铌、锑、锡、锰、钨等）来改进功用。
PZT薄膜是现在运用最为广泛的压电资料之一，便是高压电特性的PZT资料现已被很多运用在了扬声器、超声成像探头、超声换能器、蜂鸣器和超声电机等电子器材中。最早人们运用溶胶-凝胶法制备了PZT薄膜，并在MEMS器材中进行实践运用，如驱动器、换能器和压力传感器。跟着薄膜制备技能的前进，开端涌现出多种制备手法，并且也运用多种技能制备了PZT压电薄膜，如磁控溅射技能、脉冲激光堆积技能（PLD）、化学气相堆积（CVD）和金属化合物气相堆积技能等。PZT压电薄膜与非铁电的ZnO资料比较较，最重要的长处便是PZT资料具有铁电性，在必定的外加电场和温度条件下，PZT资料内部电畴发生滚动，自发极化方向从头确认，这样使得在多晶资料中本来随机摆放的极化轴经过电场的作用取向摆放而发生了净压电呼应。所以PZT资料的压电功用要高于ZnO资料，是ZnO的两倍以上。在光电子学、微电子学、微机电体系和集成光学等范畴，PZT薄膜现已被广泛运用。
PZT薄膜资料具有高介电常数、低的声波速度、高的耦合系数，横向压电系数和纵向压电系数在三者之中最高，也被视为三者之中最为有出路的压电薄膜资料，可是PZT薄膜制备进程杂乱，与MEMS工艺兼容性较差，制备进程须严格操控各组分的份额，压电特性遭到晶向、成分配比、颗粒度等要素影响，重复制备高质量的PZT薄膜存在较大困难。现在工业界最常选用的压电资料仍以AlN为干流。
二、压电MEMS传感器
1、压电MEMS喷墨打印头
喷墨打印为个人文档打印供给了灵敏、经济的处理计划，现在仍在家庭和小型作业环境中很多运用。一起，CAD和图形艺术运用的大型宽幅打印将喷墨打印作为单次打印和小批量打印的技能挑选。MEMS技能为之带来了“诱人”的处理计划：每个喷墨打印头具有更高的喷嘴密度，以及经过大批量出产完结可接受的制作本钱。
打印头首要有两种技能计划：热发泡打印和压电打印。大多数压电喷墨打印头运用PZT压电陶瓷资料，选用薄膜堆积PZT压电陶瓷替代整块PZT压电陶瓷具有巨大的运用远景。薄膜堆积PZT压电陶瓷的优势包含：更好的操控墨滴尺度以调理灰度值和下降功耗。
2007年，爱普生推出了薄膜压电(TFP)打印头，广泛运用于爱普生大幅面打印机的规模内。2013年9月，爱普生公司宣告其新一代喷墨打印技能：
PrecisionCore，第一次推出选用PZT薄膜技能制作的MEMS喷墨打印头，进一步供给超高打印速度和极佳的图画质量。
爱普生PrecisionCore打印头
打印头所运用压电资料为PZT厚膜压电资料。
2、MEMS主动对焦执行器
现在的主动对焦功用还首要依赖于体积巨大、耗电量高且本钱贵重的音圈电机供给动力。而根据压电MEMS技能的主动对焦镜头已进入商用阶段。经过在一块薄玻璃上粘上几个压电电极，它们可以使玻璃曲折，然后改动聚合物块的外表，使其变成透镜。致动量确认曲率并因而确认焦点。
压电MEMS主动对焦执行器原理图
MEMS及VCM功用比照
代表企业为poLight，选用意法半导体的薄膜压电式技能，其立异的可调镜头（TLens， Tuneable Lens）经过压电执行器改动聚合膜的形状，模拟人眼的对焦功用。这项运用被视为相机主动对焦的最佳处理计划。TLens镜头可瞬间完结对焦，调焦速度是传统处理计划的十倍，而电池耗电量只要传统计划的二十分之一。一起，摄影后相机主动从头对焦的功用也有适当的前进，可为摄像使命供给接连安稳的主动对焦服务。
主动对焦执行器所运用压电资料为PZT厚膜压电资料。
3、压电式MEMS能量搜集器
自1969年Wen.H.Ko在专利（US Patent 3 456 134）中提出一种搜集心跳活动能量的小型压电悬臂梁式能量搜集器以来，世界上许多研讨集体现已展开了一系列关于压电式能量搜集器的研讨。运用MEMS技能制作压电能量搜集器，可将器材微型化、批量化，使其与现已逐渐微型化的无线传感器节点等其它电子器材更好的集成在一起，终究完结自供能的无线传感器节点等微器材体系。现在，MEMS压电供能体系多选用悬臂梁结构。
美国UC Berkeley大学规划的波状AlN压电能量搜集器
MicroGen Systems公司推出振荡能量搜集BOLT Power Cell，完结了一款实时无线传感器网络，MicroGen的压电式MEMS振荡能量搜集器或微功率发电机技能进行供电。
在MicroGen公司BOLT Power Cell的内部是一个小型半导体MEMS芯片，其选用相似于核算机芯片职业的工艺进行制作。该芯片是一个面积约为1.0cm2的压电式MEMS MPG，其包含一个含有压电式薄膜的结尾质量加载微悬臂。当MPG的悬臂由于外部振荡力的原因而上下曲折时，将发生交流电。在谐振时AC功率输出到达最大，此刻其大约为100μW (在 120Hz 和 ≥ 0.1g) 和 900μW (在 600Hz 和 ≥0.5g)。在搜集了能量之后，将其暂时存储在一个300μF的电容器中。
能量搜集器中所运用压电资料一般为AlN及PZT薄膜压电资料。
4、压电MEMS麦克风
与电容式MEMS麦克风不同，压电式麦克风的结构相对简略，它是一个随同声响改变而改变的悬臂膜，经过压电效应直接发生扩大的电压。由于器材原理的不同，这种压电麦克风的专用扩大电路的规划比较电容式而言简略许多——由于压电式麦克风不需求高的偏压或增益微调，因而不再需求电荷泵和增益微调电路块，然后使得后续处理电路的结构简略，尺度也较小；别的，无电荷泵也使得麦克风的发动几乎是瞬时的并且前进了电源按捺比（PSRR）。
电容式MEMS麦克风原理图
压电式麦克风原理图
压电MEMS麦克风可用于室内、野外、烟雾旋绕的厨房等一切环境， 这关于大型语音操控及监控MEMS麦克风阵列来说是十分要害的特性，由于在这样的环境中，MEMS麦克风阵列的可靠性将会是首要问题。此外，电容式麦克风体系需求持续的监听相似“Alexa”或“Siri”等要害词，而压电式麦克风则没有电荷泵，具有十分短的发动时刻。因而，在压电式MEMS麦克风处于“永久监听”（always listening）形式时，它们的作业循环周期十分快，可以下降90%的体系能耗。
压电声学传感器代表厂商为美国Vesper公司，Vesper是来自密歇根大学的Bobby Littrell和Karl Grosh于200年创建，总部坐落美国马塞诸塞州波士顿，是一家私家持有的MEMS草创公司。Vesper产品选用的是压电式技能。在悉心处理了氮化铝（AlN）薄膜淀积技能和一系列其它要害技能难题后，Vesper公司于2014年组建了工程团队并在代工厂投放了产品。
Vesper压电MEMS麦克风所运用压电资料为AlN，还有一家草创公司GMEMS推出的压电MEMS麦克风运用的压电资料为PZT。
5、超声波指纹传感器
现在现已商业化的指纹传感器多是根据电容式原理，需求指纹直触摸摸传感器。而超声波传感器防止指纹感光原件与手指的直触摸摸，防止了汗水油污等对触摸式指纹辨认成功率的影响，可以在显示屏下方对指纹进行辨认。
超声波指纹传感器运用压电资料，超声波的脉冲回波成像可以穿透手指的表皮，搜集指纹外表特征的图画。
单芯片超声波传感器
高通公司在2015年发布Snapdragon Sense ID超声波指纹辨认技能，可以内建3D立体指纹模型，也可防止指纹感光原件与手指的直触摸摸，防止了汗水油污等对触摸式指纹辨认成功率的影响，并且可用于塑料/玻璃/蓝宝石等外屏下方。
高通3D超声波指纹传感器芯片（PMUT）
2016年9推出的小米5s便是首款选用此计划的智能手机产品，这也是超声波指纹辨认技能初次被成功运用于智能手机上。可是从用户的反应来看，其辨认率仍是存在一些问题。并且超声波指纹辨认模组的本钱也比较高。随后的小米旗舰机也没有持续选用高通的超声波指纹辨认技能。
超声波指纹传感器中运用的压电资料为AlN。
6、超声波手势辨认传感器
根据光和摄像头的体系辨认作业量大且功耗高，但凭借超声波的手势辨认，功耗可以降至几十微瓦，可以完结超声波传感器在消费电子中的运用。
超声波手势辨认传感器的原理是经过压电微加工超声换能器(PMUT)阵列宣布声波脉冲，声波从物体反弹至芯片。经过核算，芯片可以确认物体相关于设备的方位，并可进一步构建3D模型，对手势进行辨认。
代表企业为加州伯克利的新创企业Chirp Microsystems，成立于2013年，是现在仅有一家将 PMUT 商业化并用于空气耦合式超声的公司。Chirp 在 2016 年 CES 技能展上举行了第一次超声手势感应的公展开示。
超声波手势辨认传感器中运用的压电资料为AlN和PZT资料。
7、体声波滤波器
薄膜体声波谐振器是一种根据体声波理论，运用声学谐振完结电学选频的器材。
薄膜体声波谐振器结构原理图
当电信号加载到薄膜体声波谐振器的电极上后，经过逆压电效应，压电薄膜资料将电信号转化为声信号，并由中心向两个电极方向传达。当声信号跋涉到顶电极的上端和底电极低端时，由于声阻抗的巨大差异（空气的声阻抗只要电极资料和支撑层资料声阻抗的1/30000-1/70000），阻抗的严峻失陪构成声波的全反射，声能量因而就会集从支撑层下端面到顶电极上端面厚度为T的区域里。这个厚度为T的区域构成了一个频率f=v/（2T）的声学信号谐振腔，在作业状态下，在压电资料压电效应和逆压电效应的一起作用下，声学的谐振就表现为对频率为f的电信号的谐振。v为体声波的波速，取决于传达的介质资料。
FBAR的压电薄膜厚度在微米量级，然后使其作业频率可前进到GHz。别的，由于压电薄膜太薄，因而FBAR须有支撑层，加工时先将金属电极蒸腾或溅射到支撑层上，然后再再电极上制备压电薄膜，最终再在压电薄膜上构成金属上电极。
固态安装型（SMR）BAW滤波器，它借用光学中的布拉格层技能，在谐振器底电极下方制备高、低替换的声阻抗层，然后将声波约束在压电堆之内。布拉格反射层一般选用W和SiO2作为凹凸声学阻抗层，由于W和SiO2之间的声学阻抗值相差较大，并且这两种资料都是规范CMOS工艺常用的资料。它的最大长处是机械安稳性高、集成性好，并且不运用MEMS工艺。但缺陷是需求制备多层膜，工艺本钱相较于空腔型FBAR高，并且布拉格反射层的声波反射作用不如空气，故而SMR型FBAR的Q值相对低一些。
根据布拉格反射层的BAW滤波器示意图
