新型无铅压电薄膜提升MEMS振动能量收集器性能
2026-04-25 16:34:26 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
该无铅压电薄膜兼具优异压电响应、较低介电常数及硅基工艺兼容性，在弱振动、宽频、不可预测振动环境中应用价值显著。
一种新型无铅压电薄膜可助力MEMS器件更高效地从环境振动中收集能量。研究人员通过在铁酸铋（BFO）材料中掺杂少量锰（Mn）元素，并优化硅衬底上薄膜生长工艺，制备出压电性能优异、介电损耗低、器件级性能显著改善的新材料。研究人员将该无铅压电薄膜集成至MEMS振动能量收集器中，相较于早期未掺杂锰元素的器件，其机电耦合性能得到显著提升。这一研究突破为开发小型化、高效率、环保无铅的自供电微系统提供了一条可行的技术路线。
压电MEMS技术目前已应用于微型传感器、执行器与能量收集器，但材料瓶颈仍制约其性能提升。锆钛酸铅（PZT）薄膜具有强压电效应，而氮化铝（AlN）薄膜则兼具低介电常数与高品质因数；然而二者均无法完全满足密集传感器阵列及人工智能（AI）赋能系统对高灵敏度、超小型、绿色环保MEMS器件日益增长的需求。铁酸铋是极具潜力的无铅替代材料，但提升其在硅基衬底上的性能依然面临重重困难——这是因为生长于硅基底之上的薄膜所承受的是拉伸应变，而非在氧化物单晶衬底上常见的、且已被广泛研究的压缩应变。针对以上难题，目前亟需开展与硅基MEMS平台兼容的高性能无铅压电薄膜制备研究。
据麦姆斯咨询报道，近日，日本大阪公立大学和大阪产业技术研究所在Microsystems & Nanoengineering期刊上发表了题为“Enhanced electromechanical coupling in piezoelectric MEMS vibration energy harvesters via strain-induced phase transition in Mn-doped bismuth ferrite epitaxial films”的论文。该研究表明，在硅衬底上外延生长的锰掺杂铁酸铋薄膜能够发生由应变诱导的相变，即从菱方相向单斜相转变。这种相变显著增强了材料的压电性能，并提升了基于该薄膜材料制备的MEMS振动能量收集器的性能。
锰掺杂铁酸铋薄膜的结构与电学性能图谱表征
为确定最优薄膜生长工艺条件，研究人员采用了一种双轴组合溅射方法，在晶圆表面构建可控的温度与组分梯度结构。随后对晶体结构、电学响应及压电性能进行系统性表征。优化后的锰掺杂铁酸铋薄膜介电常数约为140，介电损耗约1%，这两项指标均适用于MEMS相关应用。最重要的是，其有效横向压电系数达到−6.0 C/m²，创下了该材料体系迄今为止的最高纪录。结构分析结果表明，性能提升归因于硅衬底上应变诱导的相变——菱方相向单斜相转变。
双轴组合溅射方法及其制备的薄膜情况：（a）组合式射频（RF）磁控溅射装置示意图；（b）2英寸晶圆组分比例分布图谱；（c）样品不同位置的截面扫描电镜（SEM）形貌图。
将锰掺杂铁酸铋薄膜集成到压电MEMS振动能量收集器之后，新器件实现了0.5%的广义机电耦合系数（K²），约为同类未掺杂铁酸铋器件的5倍。新器件K²Qm值达2.7，接近早期未掺杂铁酸铋器件的3倍；在谐振条件下，新器件输出功率可达理论最大输出的90%以上。在脉冲激励下，锰掺杂铁酸铋器件阻尼响应快于铁酸铋器件，更适用于真实环境中不规则振动下的频率上转换应用。
压电MEMS振动能量收集器结构与制备工艺流程
脉冲激励条件下的压电MEMS振动能量收集器性能
谐波振动条件下的压电MEMS振动能量收集器性能表征
研究表明，在硅衬底上对相稳定性进行精细调控，能够直接转化为MEMS器件性能的提升。研究人员并未局限于孤立地改善某项材料特性，而是将晶体层面的工程设计与器件效率及响应方面的可量化提升紧密联系起来。这种关联对于实用型微系统而言尤为重要，因为在这些系统中，制造兼容性、电学特性以及能量转换功能必须在同一平台上实现协同运作。
该研究成果可为下一代自供能微系统、紧凑型传感器及分布式智能电子器件提供技术支撑。该无铅压电薄膜兼具优异压电响应、较低介电常数及硅基工艺兼容性，在弱振动、宽频、不可预测振动环境中应用价值显著。研究人员指出，进一步优化MEMS制造工艺，尤其是降低等离子体引起的薄膜损伤，可更好保留材料本征性能。依托该技术路线，有望开辟一条可规模化的扩展路径，实现尺寸更小、无铅环保、能量转换效率更高的压电MEMS器件的批量化生产。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41378-026-01177-5
延伸阅读：
《压电式微机械超声换能器（PMUT）期刊文献检索与分析-2022版》
《poLight TLens压电MEMS自动对焦执行器产品分析》
上一篇：综述：用于声能收集的压电纳米发电机的研究进展
下一篇：最后一页