壓電（Piezoelectricity），已經成為近幾年并將繼續成為未來多年MEMS產業發展的關鍵詞！2019年，在MEMS與傳感器執行大會（MEMS & Sensors Executive Congress）上，MEMS設計與研發公司AMFitzgerald創始人Alissa Fitzgerald就基于世界頂級學術研究成果（650多篇論文）提出了對“商業上可行，能夠解決問題，可以引起技術變革”的MEMS技術預測，“壓電技術”則是其中重要一項！（相關新聞鏈接：《未來MEMS產業關鍵詞：壓電、事件驅動、自供電、柔性、微型代工廠》）

1880年，居里兄弟發現在石英晶體的特定方向上施加壓力或拉力會使石英晶體表面出現電荷，電荷密度與施加的外力大小成比例，這就是壓電材料的正壓電效應，從此便開啟了壓電學的歷史。隨后，1881年居里兄弟又通過實驗驗證了逆壓電效應，并且獲得了石英晶體的正逆壓電系數。

壓電材料的正壓電效應（可用于傳感器）和逆壓電效應（可用于執行器）

按照應用形態，壓電材料主要分為塊體型和薄膜型兩大類。前者通常指具有一定三維結構形式的石英晶體或陶瓷材料，問世時間相對較早，已經廣泛地應用于各種電子產品。近些年，隨著先進材料和MEMS技術的不斷發展，以鋯鈦酸鉛（PZT）和氮化鋁（AlN）為代表的薄膜型壓電材料的制備越來越成熟。薄膜型壓電器件可利用MEMS代工廠，開發與CMOS兼容的量產工藝，從而改變傳統壓電器件“體積大、功耗高、批量生產能力低、價格貴”的形象，對消費類應用領域來講極具吸引力！

醫學超聲波成像技術：塊體型壓電陶瓷 vs. MEMS（包括PMUT和CMUT）
（來源：飛利浦）

如今，壓電和MEMS技術的融合發展，正在為全球MEMS產業帶來一場革命。壓電MEMS技術越來越多地應用于射頻（RF）濾波器、超聲波換能器、慣性傳感器、MEMS揚聲器和麥克風、噴墨打印頭、自動對焦執行器、微鏡和變形鏡、能量收集器、微流控等MEMS產品。

受益于5G通信的迅速發展，射頻濾波器在日常生活中的應用也將變得越來越重要，不僅僅是滿足在智能手機發短信、撥打電話或下載電影等需求，展望未來，射頻濾波器還將被安裝于電動汽車和自動駕駛汽車。在如今的壓電MEMS和傳感器“全家?！闭掌希漕l濾波器穩居“C位”，瓜分壓電MEMS和傳感器市場規模約70%的份額。

不同類型的射頻濾波器工作頻率及應用領域

（來源：Akoustis）

目前，超聲波傳感器主要由塊體型壓電換能器技術主導。而基于硅芯片的壓電MEMS超聲波換能器（PMUT）具有小型化、低成本和高集成度等優勢，已經成為指紋識別、醫療成像、工業測距和3D成像等應用的新寵，將以驚人的速度成長——未來五年的市場規模復合年增長率（CAGR）高達280%，在所有壓電薄膜器件中有望成為繼射頻濾波器之后的第二霸主。據麥姆斯咨詢觀察，醫療類、工業類和消費類廠商巨頭都在布局PUMT。例如，TDK子公司Chirp在2019年就推出了全球首款基于PMUT的超聲波飛行時間（ToF）傳感器，實現超寬視場角和超低功耗，提供毫米級測距精度，可以集成于緊湊的消費類產品（如智能手機和可穿戴設備）。

基于PMUT的傳感器示例

為了助力中國MEMS和傳感器從業人員積極擁抱“壓電”黃金時代，麥姆斯咨詢從2019年起每年都甄選市場熱點與技術重點，精心打造以“壓電MEMS和傳感器”為主題的培訓課程。2021年，麥姆斯咨詢將從壓電材料特性及性能表征、當前熱門壓電器件、未來的高潛力壓電器件等多個角度，為廣大學員帶來一期豐富的培訓課程。該課程涵蓋以下內容：（1）壓電材料綜述，包括石英晶體、氮化鋁、壓電陶瓷和無鉛壓電陶瓷等；（2）壓電MEMS超聲波換能器（PMUT）：面向醫療類、消費類和工業類應用；（3）壓電聲波器件、SAW傳感器和SAW微流控；（4）壓電加速度計；（5）壓電噴墨打印頭；（6）壓電MEMS微鏡和壓電MEMS變形鏡；（7）壓電MEMS設計仿真；（8）壓電薄膜制備工藝。

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