第18期“见微知著”培训课程：压电MEMS与传感器

压电和MEMS技术的融合发展正在为全球MEMS产业带来一场革命。本课程深入讲解射频滤波器、SAW传感器、MEMS谐振器与振荡器、压电MEMS超声波换能器和指纹识别传感器、压电MEMS麦克风等技术，以及压电薄膜制备工艺。

主办单位：麦姆斯咨询、无锡物联网创新促进中心

协办单位：上海传感信息科技有限公司、华强电子网

支持单位：无锡微纳产业发展有限公司、创星咖啡

一、课程简介

压电材料是一种重要而性能优异的功能材料，其根本性质在于能实现机械能与电能的相互转换：介质在力的作用下产生形变，引发介质表面带电，称为正压电效应；反之为逆压电效应，即施压激励电场，介质产生机械形变。自从20世纪初，当石英成为军事应用中声呐器件的可选材料时，压电技术就已发展出多种产品类型，并在多种应用领域中发挥作用。如今，压电特性为换能器（传感器和执行器）提供了很好的市场机遇。

据麦姆斯咨询报道，压电和MEMS技术的融合发展正在为全球MEMS产业带来一场革命。压电MEMS技术越来越多地应用于射频滤波器、MEMS时钟、MEMS陀螺仪、喷墨打印头、MEMS扬声器和麦克风、MEMS微镜、自动对焦执行器、能量收集器，以及超声波换能器和指纹识别传感器等产品。

基于石英或陶瓷块体材料制成的压电器件，无论是普通还是高端电子产品中皆可发现其身影。自21世纪初以来，随着先进材料和半导体技术不断发展，电子器件朝着小型化、智能化和高集成化道路发展，面对智能手机等消费类产品的海量需求，市场对压电薄膜型器件的需求日益增加，越来越多的电子器件采用的压电材料开始从块体型转向薄膜型。因此，压电薄膜沉积技术在MEMS产业中变得越来越重要。目前应用最广泛的压电薄膜材料是氮化铝（AlN）和锆钛酸铅（PZT）。

虽然一些MEMS器件采用的压电材料已经转向薄膜型，但是具体的应用场景仍会影响块体或薄膜类型的选择。压电MEMS超声换能器（PMUT）是压电材料从块体转向薄膜的完美示例，PMUT器件已被广泛用于指纹识别和手势识别。另一个有前途的应用领域是医学成像，基于块体和薄膜的压电器件（用于超声波成像探头）将处于共存状态，需根据应用需求和性能进行选择使用。

在市场需求和压电材料制备水平提高的双重因素影响下，压电MEMS和传感器正迎来黄金时代，将在5G通信、智能语音、消费类可穿戴设备、指纹识别和医疗等设备中拥有广阔的应用前景。在整个压电器件市场中，射频滤波器受益于5G通信而快速发展，包括SAW和BAW滤波器。智能语音交互市场引爆了麦克风海量需求，新型压电MEMS麦克风凭借高信噪比优势，有望打破传统的电容式麦克风垄断地位，同样压电MEMS扬声器也蓄势待发。在全屏手机需求背景下，压电超声波指纹识别的高安全性和良好的抗污特性，更切合物联网安全可靠的发展趋势，因而备受关注。绿色环保的压电能量收集器正成为新能源开发的焦点。

根据Yole报告介绍，2018年压电器件市场规模为238亿美元，预计2024年将达到485亿美元，2018~2024年期间的复合年增长率为12.6%。尽管块体型压电器件的市场份额仍然较大，但是薄膜型压电器件的成长势头更猛，为MEMS产业带来新机遇。

为了满足广大MEMS从业人员迫切需求，麦姆斯咨询特开设《压电MEMS和传感器培训课程》，邀请压电领域知名专家和学者，为大家深入讲解当前热门的压电MEMS和传感器，包括：射频滤波器（SAW和BAW滤波器）、SAW传感器、MEMS谐振器与振荡器、压电MEMS超声波换能器和指纹识别传感器、压电MEMS麦克风、压电MEMS扬声器、压电能量收集器等。课程内容不仅涉及压电薄膜材料（PZT和AlN）的制备方法、压电器件的设计仿真和制造工艺，还包括压电MEMS产业现状、压电器件应用及市场，以期让学员们全面学习压电MEMS和传感器知识及技术。

二、培训对象

本课程主要面向压电MEMS和传感器相关企业（包括设计公司、晶圆代工厂、封装和测试厂、模组及应用厂商、半导体设备及原材料供应商）的技术人员和管理人员、高校师生，同时也欢迎其他希望了解压电MEMS和传感器技术产业和应用的非技术背景人员参加，如销售和市场人员、投融资机构人员、政府管理人员等。

三、培训时间

培训时间：2019年10月18日至20日

授课结束后，为学员颁发麦姆斯咨询的结业证书。

四、培训地点

无锡市菱湖大道200号中国传感网国际创新园

五、课程内容

课程一：BAW滤波器和压电能量收集器

讲师：武汉大学 工业科学研究院副院长、教授 孙成亮

与声表面波（SAW）器件不同，声波在体声波（BAW）器件里是垂直传播，随着无线通信技术朝着高频率和高速度方向迅猛发展，基于薄膜体声波谐振器（FBAR）的滤波器的研究与开发正越来越受到人们的关注。压电能量收集器可用于捕获环境中普遍存在的振动能，通过机电转换进行清洁发电，是当前新能源和物联网领域的国际研究前沿。

本课程主要针对AlN压电薄膜材料特性、BAW/FBAR滤波器和压电能量收集器的原理、设计、制造、封装、测试、应用以及产业链情况进行讲解。

课程大纲：
（1）BAW滤波器原理及基本概念；
（2）AlN压电薄膜材料特性、制备及表征；
（3）FBAR滤波器设计、制造、封装、测试及应用；
（4）FBAR滤波器产业现状和主要厂商；
（5）能量收集器原理及基本概念；
（6）压电能量收集器结构和工作原理；
（7）压电能量收集器设计、制造、封装、测试及应用；
（8）压电能量收集器产业现状和主要厂商。

课程二：SAW滤波器和SAW传感器

讲师：华中科技大学 副教授 罗为

声表面波（SAW）是一种能量集中在介质表面传播的弹性波，其振幅在材料深度方向上迅速衰减。随着能够在压电材料表面激励声表面波的金属叉指换能器（IDT）的发明，SAW技术的发展速度大大加快。利用SAW传播特性可以实现射频信号截取和处理，如今SAW滤波器已广泛应用于手机、电视、广播等通讯系统。另外，由于外界因素（如温度、压力、气体等）会对SAW传播特性产生影响，因此可利用SAW技术制作传感器测量各种物理量和化学量。

本课程主要针对SAW滤波器、SAW压力和气体传感器的原理、设计、制造、封装、测试、应用以及产业链情况进行讲解。

课程大纲：
（1）SAW器件原理及基本概念；
（2）SAW滤波器结构和工作原理；
（3）SAW滤波器设计、制造、封装、测试及应用；
（4）SAW滤波器产业现状和主要厂商；
（5）SAW滤波器 vs. BAW滤波器；
（6）SAW压力传感器设计、制造、封装、测试及应用；
（7）SAW气体传感器设计、制造、封装、测试及应用；
（8）SAW传感器产业现状和主要厂商。

课程三：压电MEMS谐振器与振荡器

讲师：武汉大学 教授 吴国强

时钟器件是电子电路设备的心脏，提供时间参考和频率基准。MEMS时钟器件（如MEMS谐振器和振荡器）是推动MEMS市场增长的主要动力之一。以MEMS振荡器为例，与石英晶体振荡器相比，具有小尺寸、高可靠性、低功耗和可编程等优势，在可穿戴设备、物联网和移动设备等领域具有广阔的应用前景。

本课程将针对压电MEMS谐振器和振荡器的原理、设计、制造、封装、测试、应用以及产业链情况进行讲解。

课程大纲：
（1）MEMS谐振器与振荡器基础知识；
（2）MEMS谐振器工作原理和主要分类；
（3）MEMS谐振器产业化发展及主要厂商；
（4）压电MEMS谐振器设计理论（机械模型和电学模型）；
（5）压电MEMS谐振器产业化中的关键技术（如Q值、温度稳定性、频率一致性等）；
（6）压电MEMS谐振器与振荡器应用案例详解。

课程四：压电MEMS超声波换能器与生物识别技术

讲师：上海思立微电子科技有限公司 研发工程师 黄景泽

超声波换能器（MUT）在医疗成像、非破坏性检测、距离检测等方面得到了广泛应用。压电MEMS超声换能器（PMUT）因为具有体积小、功耗低、与CMOS兼容等优点，在手持电子设备、汽车等领域具有广阔的应用前景。基于PMUT的指纹识别传感器不受温度、环境光和干湿手指的影响，而且可以检测到三维指纹信号（表皮和真皮指纹信号），从而具有更高的稳定性和安全性。同时，PMUT还可以应用于飞行时间（ToF）传感器和血压传感器等生物识别技术领域。

本课程主要针对PMUT以及超声波生物识别传感器的原理、设计、制造、封装、测试、应用以及产业链情况进行讲解。

课程大纲：
（1）MEMS超声波换能器基本概念及分类（PMUT、CMUT）；
（2）压电MEMS超声波换能器（PMUT）结构及工作原理；
（3）指纹识别传感器产业现状及发展趋势（电容式、光学式和超声波式）；
（4）基于PMUT的指纹识别传感器的关键技术（与CMOS单片集成的设计、制造和封测等）；
（5）基于PMUT的指纹识别传感器应用领域及市场前景；
（6）基于PMUT的ToF传感器设计与应用；
（7）基于PMUT的血压传感器设计与应用。

课程五：AlN压电薄膜制备及压电MEMS器件工艺流程设计

讲师：上海微技术工业研究院 资深技术总监 林华茂

氮化铝（AlN）压电薄膜材料作为一种重要的III-V族化合物，具有高声波速、高压电性以及良好的化学稳定性等优点，在高频声波谐振器、滤波器、传感技术等领域备受关注。其次，AlN压电薄膜与IC工艺线完全兼容，这都使得AlN压电薄膜成为当前最炙手可热的压电薄膜材料之一。不过，AlN压电薄膜的材料性能对工艺参数极为敏感且存在性能表征等问题，使得实现规模化高质量的AlN压电薄膜制备极具挑战。

本课程将结合上海微技术工业研究院MEMS中试平台——8英寸晶圆代工厂，详细介绍AlN压电薄膜制备以及典型压电MEMS器件工艺流程。

课程大纲：
（1）CMOS兼容的AlN压电薄膜MEMS制造工艺概述；
（2）AlN压电薄膜制备原理、工艺参数控制、常见问题及解决方法；
（3）基于AlN压电薄膜的FBAR滤波器制造工艺流程设计；
（4）基于AlN压电薄膜的超声波换能器、水听器和麦克风制造工艺流程设计；
（5）基于AlN压电薄膜的能量采集器制造工艺流程设计；
（6）上海微技术工业研究院AlN压电薄膜制备能力介绍。

课程六：PZT压电薄膜制备及压电MEMS器件工艺流程设计

讲师：苏州MEMS中试平台 技术总监 马清杰

锆钛酸铅（PZT）是目前应用最广泛的压电材料之一。基于PZT压电薄膜的微传感器、微执行器具有响应速度快、灵敏度高、输出应变高等优点，越来越多的代工厂开始提供PZT压电薄膜制造服务。那么，PZT压电薄膜的制备技术如何？相应的压电MEMS器件的工艺流程如何设计？实际流片过程中会遇到了哪些问题？

本课程将结合苏州MEMS中试平台——6英寸晶圆代工厂，详细介绍PZT压电薄膜制备以及典型压电MEMS器件工艺流程。

课程大纲：
（1）典型MEMS器件制造工艺流程：体微加工技术、表面微加工技术和CMOS MEMS技术；
（2）PZT压电薄膜制备原理、工艺参数控制、常见问题及解决方法；
（3）基于PZT压电薄膜的MEMS微镜制造工艺流程设计；
（4）基于PZT压电薄膜的超声波换能器制造工艺流程设计；
（5）苏州MEMS中试平台PZT压电薄膜制备能力介绍。

课程七：压电声学换能器设计与仿真课程（压电MEMS麦克风、压电MEMS扬声器、压电MEMS超声波换能器）

讲师：COMSOL中国 应用工程师 钟振红

电声装置（包括扬声器、耳机、麦克风和助听器等）常常涉及电磁、结构和声学等多个物理场，需要在同一环境下综合实现力学、声学和电气学等多个物理场的仿真。COMSOL Multiphysic作为一款优秀的多物理场仿真软件，能在其平台上统一地对力学、声学和电磁学做多物理场耦合仿真，帮助客户在尽可能真实的环境中评估产品或设计的性能。

本课程通过基础理论结合实际案例，为学员们讲授压电声学换能器设计和仿真技术，包括器件建模、有限元分析、多物理场耦合仿真等（需自带电脑）。

课程大纲：
（1）压电MEMS麦克风工作原理和器件设计；
（2）COMSOL Multiphysics软件实操练习：压电MEMS麦克风的器件建模、有限元分析、多物理场耦合仿真；
（3）压电MEMS扬声器工作原理和器件设计；
（4）COMSOL Multiphysics软件实操练习：压电MEMS扬声器的器件建模、有限元分析、多物理场耦合仿真；
（5）压电MEMS超声波换能器工作原理和器件设计；
（6）COMSOL Multiphysics软件实操练习：压电MEMS超声波换能器的器件建模、有限元分析、多物理场耦合仿真；
（7）COMSOL Multiphysics在其它声学换能器中的应用及解决方案展示：例如压电MEMS水听器。

六、师资介绍

孙成亮，武汉大学工业科学研究院教授、副院长，湖北省百人计划特聘专家。拥有武汉大学理学学士学位和凝聚态物理博士学位。曾先后在香港理工大学从事博士、博士后研究工作和美国匹兹堡大学、威斯康辛大学麦迪逊分校从事博士后研究工作。曾在新加坡微电子研究院专门从事压电氮化铝（AlN）MEMS工作，荣获新加坡工程院“新加坡工程院杰出工程成就奖”和新加坡科技研究局“培育人才奖”。主要从事压电材料器件和MEMS器件的研究，并在射频谐振器、滤波器，能量采集器，智能传感器等领域做出了许多创新性和开拓性的工作。近五年来，先后主持项目13项，共计项目资金6500万人民币，主要集中在基于氮化铝薄膜材料的一维、二维Lamb波、FBAR射频谐振器、滤波器，MEMS能量采集器及压力、粘度传感器等方面。在Energy & Environmental Science，Nano letters，IEEE Electron Device Letters （EDL），Applied physics letters（APL），Journal of applied physics（JAP）等国际权威期刊发表SCI论文40篇（累计影响因子>150），迄今论文已被引用1300余次；参加国际会议或邀请报告10余次；申请国际专利7项，其中一项已经成功技术转让，另有7项技术know-how和17项国内发明专利申请。

罗为，华中科技大学光学与电子信息学院电子科学系副教授。拥有华中科技大学电子科学与技术学士学位和微电子学与固体电子学专业博士学位。曾先后在华中科技大学和美国密歇根大学（安娜堡）从事博士后研究工作。一直从事以声表面波器件和体声波器件为代表的微波射频器件和传感器的研究工作，有丰富的数值计算、材料制备和器件设计经验，同国内外相关研究组有广泛的联系。近五年主持和参与国家自然科学基金、国家863计划、美国NIH项目等，总经费超过150万。在Sensors & Actuators B、IEEE sensors Journal、Nature Scientific Reports等权威期刊，IEEE Electronic Device Meeting (IEDM)、IEEE ultrasonic symposium等超声学领域的国际顶级会议上发表学术论文十余篇，申请和国际、国内发明专利7项。是美国电气和电子工程师协会（IEEE）会员。

吴国强，武汉大学青年学术带头人、教授、博士生导师，主要从事MEMS谐振器和振荡器、惯性MEMS传感器、微型定位导航授时系统（Micro-PNT）的研究工作。他在中科院上海微系统与信息技术研究所获得工学博士学位，研究方向为单晶硅体模态微机械谐振器及其应用。曾担任中航工业自控所惯性MEMS传感器研发工程师，以及新加坡科技局微电子研究院研究员，期间作为独立项目负责人主持含政府企业合作、企业资助及政府资助等共4项科研项目，总计科研经费超过560万新币。近年来在IEEE Trans、IEEE Sensors Letters、Applied Physics Letters、Sensors and Actuators A: Physical、IEEE Electron Device Letters、Microelectronic Engineering、Microelectromechanical Systems、IEEE Sensors、IEEE-MEMS等国际权威期刊和国际会议上，发表学术论文30余篇，申请国内专利13项、国际专利3项、新加坡专利1项。

林华茂，上海微技术工业研究院的资深技术总监。拥有新加坡国立大学电子工程硕士学位和英国爱丁堡大学微电子学博士学位。曾在英国的半导体设备制造公司SPTS和半导体代工厂格罗方德（Globalfoundries）担任工艺开发和制程集成的资深工程师，在新加坡微电子研究院（A*STAR IME）担任工艺研发的负责人。林博士在半导体及MEMS制造工艺和器件集成领域工作了20多年，发表学术论文40多篇并完成超过15项技术诀窍创新成果的鉴定。

黄景泽，硕士，上海思立微电子科技有限公司MEMS传感器研发工程师。本科就读于天津大学精仪学院测控技术与仪器专业，研究生就读于天津大学MEMS实验室，期间进行了基于薄膜体声波谐振器（FBAR）的传感器的设计、制造与测试。2017年加入上海思立微科技电子有限公司，主要负责基于PMUT的指纹识别传感器的研发，在PMUT设计、加工、测试、封装、模组等方面具有丰富的行业经验。

马清杰，麦姆斯咨询“杰出讲师”，硕士，苏州工业园区纳米产业技术研究院有限公司微纳分公司技术总监。专注于MEMS压阻压力传感器、VOx非制冷红外探测器等器件和MEMS工艺集成技术创新和工程化工作。至今从事MEMS器件研发及MEMS整合工艺研发9年，成功开发并量产多个MEMS产品，积累了大量MEMS器件研发及量产经验。曾经作为项目负责人，先后主持中国航空工业集团MEMS高温压力传感器研发及产业化项目以及国家发改委高端MEMS传感器产业化项目。在从事MEMS行业之前，一直从事集成电路器件及整合工艺开发工作，对半导体芯片制造工艺及器件有非常深刻的理解。申请国家发明专利超过30项，其中已授权超过20项。

钟振红，麦姆斯咨询“最受欢迎讲师”，COMSOL中国应用工程师。毕业于复旦大学力学系理论与应用力学专业，长期负责COMSOL MEMS及声学行业的技术支持和客户咨询，拥有近十年COMSOL仿真经验。研究内容主要涉及MEMS和传感器、声学、光学、压电以及AC/DC等领域。