压电传感器原理及应用（下）

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3、压电式MEMS能量收集器

自1969年Wen.H.Ko在专利（US Patent 3 456 134）中提出一种采集心跳活动能量的小型压电悬臂梁式能量采集器以来，世界上许多研究团体已经开展了一系列关于压电式能量采集器的研究。利用MEMS技术制作压电能量采集器，可将器件微型化、批量化，使其与已经逐步微型化的无线传感器节点等其它电子器件更好的集成在一起，最终实现自供能的无线传感器节点等微器件系统。目前，MEMS压电供能系统多采用悬臂梁结构。

美国UC Berkeley大学设计的波状AlN压电能量采集器

MicroGen Systems公司推出振动能量收集BOLT Power Cell，实现了一款实时无线传感器网络，MicroGen的压电式MEMS振动能量收集器或微功率发电机技术进行供电。

在MicroGen公司BOLT Power Cell的内部是一个小型半导体MEMS芯片，其采用类似于计算机芯片行业的工艺进行制造。该芯片是一个面积约为1.0cm2的压电式MEMS MPG，其包括一个含有压电式薄膜的末端质量加载微悬臂。当MPG的悬臂由于外部振动力的原因而上下弯曲时，将产生交流电。在谐振时AC功率输出达到最大，此时其大约为100μW (在 120Hz 和 ≥ 0.1g) 和 900μW (在 600Hz 和 ≥0.5g)。在采集了能量之后，将其暂时存储在一个300μF的电容器中。

能量收集器中所使用压电材料一般为AlN及PZT薄膜压电材料。

4、压电MEMS麦克风

与电容式MEMS麦克风不同，压电式麦克风的结构相对简单，它是一个伴随声音变化而变化的悬臂膜，通过压电效应直接产生放大的电压。由于器件原理的不同，这种压电麦克风的专用放大电路的设计相比电容式而言简单许多---因为压电式麦克风不需要高的偏压或增益微调，因此不再需要电荷泵和增益微调电路块，从而使得后续处理电路的结构简单，尺寸也较小；另外，无电荷泵也使得麦克风的启动几乎是瞬时的并且提高了电源抑制比（PSRR）。

电容式MEMS麦克风原理图

压电式麦克风原理图

压电MEMS麦克风可用于室内、户外、烟雾缭绕的厨房等所有环境, 这对于大型语音控制及监控MEMS麦克风阵列来说是非常关键的特性，因为在这样的环境中，MEMS麦克风阵列的可靠性将会是主要问题。此外，电容式麦克风系统需要持续的监听类似“Alexa”或“Siri”等关键词，而压电式麦克风则没有电荷泵，具有非常短的启动时间。因此，在压电式MEMS麦克风处于“永久监听”（always listening）模式时，它们的工作循环周期非常快，能够降低90%的系统能耗。

压电声学传感器代表厂商为美国Vesper公司，Vesper是来自密歇根大学的Bobby Littrell和Karl Grosh于200年创立，总部位于美国马塞诸塞州波士顿，是一家私人持有的MEMS初创公司。Vesper产品采用的是压电式技术。在潜心解决了氮化铝（AlN）薄膜淀积技术和一系列其它关键技术难题后，Vesper公司于2014年组建了工程团队并在代工厂投放了产品。

Vesper压电MEMS麦克风所使用压电材料为AlN，另有一家初创公司GMEMS推出的压电MEMS麦克风使用的压电材料为PZT。

5、超声波指纹传感器

目前已经商业化的指纹传感器多是基于电容式原理，需要指纹直接接触传感器。而超声波传感器避免指纹感光原件与手指的直接接触，避免了汗水油污等对接触式指纹识别成功率的影响，可以在显示屏下方对指纹进行识别。

超声波指纹传感器利用压电材料，超声波的脉冲回波成像可以穿透手指的表皮，收集指纹表面特征的图像。

单芯片超声波传感器

高通公司在2015年发布Snapdragon Sense ID超声波指纹识别技术，可以内建3D立体指纹模型，也可避免指纹感光原件与手指的直接接触，避免了汗水油污等对接触式指纹识别成功率的影响，并且可用于塑料/玻璃/蓝宝石等外屏下方。

高通3D超声波指纹传感器芯片（PMUT）

2016年9推出的小米5s就是首款采用此方案的智能手机产品，这也是超声波指纹识别技术首次被成功运用于智能手机上。但是从用户的反馈来看，其识别率还是存在一些问题。而且超声波指纹识别模组的成本也比较高。随后的小米旗舰机也没有继续采用高通的超声波指纹识别技术。

超声波指纹传感器中使用的压电材料为AlN。

6、超声波手势识别传感器

基于光和摄像头的系统识别工作量大且功耗高，但借助超声波的手势识别，功耗可以降至几十微瓦，可以实现超声波传感器在消费电子中的应用。


超声波手势识别传感器的原理是通过压电微加工超声换能器(PMUT)阵列发出声波脉冲，声波从物体反弹至芯片。通过计算，芯片能够确定物体相对于设备的位置，并可进一步构建3D模型，对手势进行识别。

代表企业为加州伯克利的新创企业Chirp Microsystems，成立于2013年，是目前唯一一家将 PMUT 商业化并用于空气耦合式超声的公司。Chirp 在 2016 年 CES 技术展上举行了第一次超声手势感应的公开展示。

超声波手势识别传感器中使用的压电材料为AlN和PZT材料。

7、体声波滤波器

薄膜体声波谐振器是一种基于体声波理论，利用声学谐振实现电学选频的器件。

薄膜体声波谐振器结构原理图

当电信号加载到薄膜体声波谐振器的电极上后，通过逆压电效应，压电薄膜材料将电信号转化为声信号，并由中心向两个电极方向传播。当声信号行进到顶电极的上端和底电极低端时，由于声阻抗的巨大差异（空气的声阻抗只有电极材料和支撑层材料声阻抗的1/30000-1/70000），阻抗的严重失陪造成声波的全反射，声能量因此就集中从支撑层下端面到顶电极上端面厚度为T的区域里。这个厚度为T的区域形成了一个频率f=v/（2T）的声学信号谐振腔，在工作状态下，在压电材料压电效应和逆压电效应的共同作用下，声学的谐振就表现为对频率为f的电信号的谐振。v为体声波的波速，取决于传播的介质材料。

FBAR的压电薄膜厚度在微米量级，从而使其工作频率可提高到GHz。另外，由于压电薄膜太薄，因此FBAR须有支撑层，加工时先将金属电极蒸发或溅射到支撑层上，然后再再电极上制备压电薄膜，最后再在压电薄膜上形成金属上电极。

固态装配型（SMR）BAW滤波器，它借用光学中的布拉格层技术，在谐振器底电极下方制备高、低交替的声阻抗层，从而将声波限制在压电堆之内。布拉格反射层一般采用W和SiO2作为高低声学阻抗层，因为W和SiO2之间的声学阻抗值相差较大，而且这两种材料都是标准CMOS工艺常用的材料。它的最大优点是机械稳定性高、集成性好，而且不使用MEMS工艺。但缺点是需要制备多层膜，工艺成本相较于空腔型FBAR高，而且布拉格反射层的声波反射效果不如空气，故而SMR型FBAR的Q值相对低一些。

基于布拉格反射层的BAW滤波器示意图

目前市场上的FBAR大都基于AlN压电薄膜。

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feixiang20

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zwjiang8212

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