采用创新制造方案的聚合物压电MEMS加速度计

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威廉希尔官方网站 。

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威廉希尔官方网站 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威廉希尔官方网站 的全聚合物惯性传感系统。

审核编辑：刘清