采用創新制造方案的聚合物壓電MEMS加速度計

MEMS加速度計通過微結構內發生的電容、電阻或電荷（壓電）變化來檢測機械加速度，現已成為僅次于壓力傳感器，應用量排名第二的MEMS器件。MEMS加速度計一直以來常用于振動監測、汽車測試和慣性導航等應用，最近的研究凸顯了MEMS加速度計在健康監測和植入式助聽器中的應用潛力。早期的MEMS加速度計采用了硅中的壓阻耦合。硅微機械加工技術的進步，實現了更加復雜的可動微機械結構的可靠制造，從而構建了帶有梳齒狀驅動器的電容式加速度計。近些年，壓電MEMS加速度計開始變得流行起來。與壓阻和電容耦合加速度計相比，它們具有許多優點，例如更高的溫度穩定性、更高的魯棒性、更低的功耗、更好的線性特性、更寬的動態范圍、增強的靈敏度以及無真空密封要求等。此外，當用于植入式助聽器時，壓電加速度計有望直接與神經元連接，從而無需額外的讀出電路。

盡管壓電MEMS加速度計具有多種優勢，但仍面臨環境暴露風險與性能之間的權衡。例如，鋯鈦酸鉛（PZT）等高性能壓電材料帶來了與重金屬相關的生態問題。鈮酸鉀鈉（KNN）等無鉛高性能替代材料，在原材料開采過程中存在可持續性問題。盡管氮化鋁（AlN）和氧化鋅（ZnO）等更環保的材料可以用于壓電MEMS換能器，但由于它們較弱的壓電特性，還無法提供與PZT MEMS換能器相當的器件性能。此外，所有這些無機材料，無論其壓電性能和環境影響如何，都基于類似的制造工藝。無論是自下而上的表面微加工工藝還是自上而下的體微加工工藝，這些微制造工藝都不可避免地重復材料沉積、掩模光刻和各向異性蝕刻的三步循環，導致幾乎相同的工藝復雜性。如果為了環境效益而選擇降低性能，那么至少應該采用更簡單的制造工藝使這種權衡變得有價值。

利用聚氟乙烯（PVDF）薄膜開發聚合物壓電MEMS器件成為解決上述挑戰的可行方案之一。首先，PVDF具有比ZnO和AlN更高的壓電系數，為潛在的更高性能器件奠定了基礎。此外，PVDF薄膜可以通過激光微加工和增材制造等先進方法直接成型微結構，繞過傳統的三步循環工藝簡化制造流程。

除了能夠實現簡單、環保的微制造和高靈敏度的器件，基于PVDF的聚合物壓電MEMS加速度計，還可以為MEMS慣性傳感器在新興的柔性電子領域奠定更堅實的基礎，這為聚合物MEMS器件的研究賦予了額外的意義。半導體有機材料和有機場效應晶體管應用的持續進步，使以聚合物傳感器和聚合物集成電路為特征的全聚合物電子系統的研究熱度不斷上升，推動聚合物MEMS傳感器作為信息收集的重要前端，加快了相關領域的研究。

相比之下，聚合物MEMS慣性傳感器的研究還不太成熟。此外，現有關于高性能聚合物壓電MEMS加速度計的少數研究傾向于將能量收集器作為加速度計。MEMS能量收集器經過調諧在其機械諧振頻率區間工作，并利用其最顯著的機械響應。不過，與傳統MEMS加速度計相比，由MEMS能量收集器轉換而來的替代品具有有限的帶寬，限制了其應用潛力。為了解決這一長期存在的局限性，有必要對聚合物壓電MEMS加速度計進行深入研究。

據麥姆斯咨詢介紹，加拿大不列顛哥倫比亞大學（University of British Columbia）電氣與計算機工程系的研究人員提出了一種PVDF壓電MEMS加速度計的新設計，并利用簡化的聚合物微制造技術制造了三顆樣品。這些樣品展示了其機械諧振特性、頻率響應、對輸入加速度的平帶靈敏度和器件級噪聲特性。研究人員對比了實驗測量值和基準值，展示了性能潛力。該研究成果已經以“A polymeric piezoelectric MEMS accelerometer with high sensitivity, low noise density, and an innovative manufacturing approach”為題發表于Microsystems & Nanoengineering期刊。

PVDF壓電MEMS加速度計的設計和仿真

三顆PVDF壓電MEMS加速度計樣品的照片

三顆PVDF壓電MEMS加速度計樣品的表征結果

總結來說，這項研究提出了一種聚合物壓電MEMS加速度計新設計。研究人員稱，這是首款基于PVDF的聚合物傳統壓電MEMS加速度計設計。該設計在靈敏度和噪聲密度方面可以媲美最先進的基于超厚PZT膜的壓電MEMS加速度計，超過了多款商用電容式MEMS加速度計。與最先進的有機MEMS加速度計相比，新設計PVDF加速度計的平帶大了四倍。此外，這項研究所制作的加速度計尺寸縮小了十倍。除了具有競爭力的性能外，新設計的聚合物MEMS加速度計具有簡單、靈活、可重復且可預測的微制造工藝，且不使用含有重金屬的壓電材料。因此，該設計有望作為傳統PZT高性能壓電MEMS加速度計更環保的替代品，展示了在許多領域的應用潛力。

更重要的是，概念驗證表明，利用PVDF薄膜可以使傳統壓電MEMS加速度計直接實現高性能，而無需將PVDF能量收集器轉換為加速度計的間接解決方案?？紤]到MEMS加速度計是僅次于壓力傳感器的第二大MEMS產品類別，這項研究成果填補了聚合物MEMS領域的一項長期空白，為未來進一步的研究開辟了道路，例如，包含聚合物MEMS加速度計和有機集成電路的全聚合物慣性傳感系統。

審核編輯：劉清