采用创新制造方案的聚合物压电MEMS加速度计，具高灵敏度和低噪声密度优势
2023-12-03 10:08:36   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

MEMS加速度计通过微结构内发生的电容、电阻或电荷（压电）变化来检测机械加速度，现已成为仅次于压力传感器，应用量排名第二的MEMS器件。MEMS加速度计一直以来常用于振动监测、汽车测试和惯性导航等应用，最近的研究凸显了MEMS加速度计在健康监测和植入式助听器中的应用潜力。早期的MEMS加速度计采用了硅中的压阻耦合。硅微机械加工技术的进步，实现了更加复杂的可动微机械结构的可靠制造，从而构建了带有梳齿状驱动器的电容式加速度计。近些年，压电MEMS加速度计开始变得流行起来。与压阻和电容耦合加速度计相比，它们具有许多优点，例如更高的温度稳定性、更高的鲁棒性、更低的功耗、更好的线性特性、更宽的动态范围、增强的灵敏度以及无真空密封要求等。此外，当用于植入式助听器时，压电加速度计有望直接与神经元连接，从而无需额外的读出电路。

尽管压电MEMS加速度计具有多种优势，但仍面临环境暴露风险与性能之间的权衡。例如，锆钛酸铅（PZT）等高性能压电材料带来了与重金属相关的生态问题。铌酸钾钠（KNN）等无铅高性能替代材料，在原材料开采过程中存在可持续性问题。尽管氮化铝（AlN）和氧化锌（ZnO）等更环保的材料可以用于压电MEMS换能器，但由于它们较弱的压电特性，还无法提供与PZT MEMS换能器相当的器件性能。此外，所有这些无机材料，无论其压电性能和环境影响如何，都基于类似的制造工艺。无论是自下而上的表面微加工工艺还是自上而下的体微加工工艺，这些微制造工艺都不可避免地重复材料沉积、掩模光刻和各向异性蚀刻的三步循环，导致几乎相同的工艺复杂性。如果为了环境效益而选择降低性能，那么至少应该采用更简单的制造工艺使这种权衡变得有价值。

利用聚氟乙烯（PVDF）薄膜开发聚合物压电MEMS器件成为解决上述挑战的可行方案之一。首先，PVDF具有比ZnO和AlN更高的压电系数，为潜在的更高性能器件奠定了基础。此外，PVDF薄膜可以通过激光微加工和增材制造等先进方法直接成型微结构，绕过传统的三步循环工艺简化制造流程。

除了能够实现简单、环保的微制造和高灵敏度的器件，基于PVDF的聚合物压电MEMS加速度计，还可以为MEMS惯性传感器在新兴的柔性电子领域奠定更坚实的基础，这为聚合物MEMS器件的研究赋予了额外的意义。半导体有机材料和有机场效应晶体管应用的持续进步，使以聚合物传感器和聚合物集成电路为特征的全聚合物电子系统的研究热度不断上升，推动聚合物MEMS传感器作为信息收集的重要前端，加快了相关领域的研究。

相比之下，聚合物MEMS惯性传感器的研究还不太成熟。此外，现有关于高性能聚合物压电MEMS加速度计的少数研究倾向于将能量收集器作为加速度计。MEMS能量收集器经过调谐在其机械谐振频率区间工作，并利用其最显著的机械响应。不过，与传统MEMS加速度计相比，由MEMS能量收集器转换而来的替代品具有有限的带宽，限制了其应用潜力。为了解决这一长期存在的局限性，有必要对聚合物压电MEMS加速度计进行深入研究。

据麦姆斯咨询介绍，加拿大不列颠哥伦比亚大学（University of British Columbia）电气与计算机工程系的研究人员提出了一种PVDF压电MEMS加速度计的新设计，并利用简化的聚合物微制造技术制造了三颗样品。这些样品展示了其机械谐振特性、频率响应、对输入加速度的平带灵敏度和器件级噪声特性。研究人员对比了实验测量值和基准值，展示了性能潜力。该研究成果已经以“A polymeric piezoelectric MEMS accelerometer with high sensitivity, low noise density, and an innovative manufacturing approach”为题发表于Microsystems & Nanoengineering期刊。

PVDF压电MEMS加速度计的设计和仿真

三颗PVDF压电MEMS加速度计样品的照片

三颗PVDF压电MEMS加速度计样品的表征结果

总结来说，这项研究提出了一种聚合物压电MEMS加速度计新设计。研究人员称，这是首款基于PVDF的聚合物传统压电MEMS加速度计设计。该设计在灵敏度和噪声密度方面可以媲美最先进的基于超厚PZT膜的压电MEMS加速度计，超过了多款商用电容式MEMS加速度计。与最先进的有机MEMS加速度计相比，新设计PVDF加速度计的平带大了四倍。此外，这项研究所制作的加速度计尺寸缩小了十倍。除了具有竞争力的性能外，新设计的聚合物MEMS加速度计具有简单、灵活、可重复且可预测的微制造工艺，且不使用含有重金属的压电材料。因此，该设计有望作为传统PZT高性能压电MEMS加速度计更环保的替代品，展示了在许多领域的应用潜力。

更重要的是，概念验证表明，利用PVDF薄膜可以使传统压电MEMS加速度计直接实现高性能，而无需将PVDF能量收集器转换为加速度计的间接解决方案。考虑到MEMS加速度计是仅次于压力传感器的第二大MEMS产品类别，这项研究成果填补了聚合物MEMS领域的一项长期空白，为未来进一步的研究开辟了道路，例如，包含聚合物MEMS加速度计和有机集成电路的全聚合物惯性传感系统。

论文链接：https://doi.org/10.1038/s41378-023-00628-7

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