加速薄膜PZT MEMS技术商业化，住友精密和AMFitzgerald结盟
2024-02-11 11:27:27   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

据麦姆斯咨询报道，近日，特种应用MEMS和传感器解决方案供应商A. M. Fitzgerald & Associates（英文简称：AMFitzgerald）和全球领先的高精度工业产品制造商住友精密（Sumitomo Precision Products，英文简称：SPP）宣布结成联盟，将整合AMFitzgerald的MEMS产品开发专长和住友精密的外延锆钛酸铅（PZT）MEMS晶圆代工厂“MEMS Infinity”能力。双方的结盟将加快薄膜PZT MEMS芯片技术在中、小市场的商业化进程。

薄膜PZT是一种新兴的高性能压电MEMS材料，但由于其原型衬底生产的品质问题，薄膜PZT MEMS开发商通常需要面对难以获得高品质原材料的挑战。

小批量薄膜PZT材料是许多MEMS器件的开发基础，一般只能由品质略低的研发晶圆获取，其性能与量产材料存在差异。这一限制增加了设计新型PZT MEMS器件的成本和难度。AMFitzgerald和住友精密结盟的目标是小批量提供高品质的薄膜PZT压电晶圆，同时为大规模量产提供便利，无需由于压电材料问题进行重新设计。

AMFitzgerald是一家拥有20年历史的MEMS设计公司，专门从事航空航天、医疗和工业级MEMS器件设计。住友精密则是一家提供全方位服务的专业MEMS代工厂，拥有完整的原型制造设施和薄膜PZT代工晶圆厂。PZT具有固体介电、铁电压电和热电特性，非常适合机电和热电器件应用。

住友精密外延PZT晶圆

MEMS需求持续增长

尽管MEMS不像锂电池和无线协议等系统那样备受关注，但它们却已无处不在。MEMS器件的各种优势推动了其需求的持续增长。一方面，体积更小、成本更低、性能更高的MEMS器件成为采用传统技术传感器的理想替代方案。另一方面，得益于MEMS器件体积小、成本低，这意味着对于原本无法部署传统传感器的领域和应用，通过增加MEMS传感器来升级应用已经变得经济且可行。

据市场研究机构Yole的一项研究表明，在这种“传感化”趋势的推动下，2021年MEMS传感器市场规模达到了136亿美元，预计到2027年将增长至223亿美元，在此期间的复合年增长率（CAGR）达到9%。

按应用领域细分的MEMS市场增长预测

MEMS将电子元件和机械元件结合在同一衬底上。构成MEMS器件的元件尺寸通常在0.001毫米到0.1毫米之间，整个组件的尺寸大约在0.02毫米到1.0毫米。通常，MEMS元件基于机械应力改变电气特性的原理而工作。

目前，大多数MEMS器件都依赖始于20世纪90年代的蚀刻硅（Si）结构。过去15到20年来，压电MEMS材料得到了长足进步，利用它们可以制造出广泛种类的MEMS器件。

硅基MEMS器件基于微小硅结构机械形变所带来的电容或电阻变化。压电MEMS器件则依赖压电效应，即由机械形变产生微小电荷，或者反过来，由施加的小电荷产生机械形变。

压电MEMS执行器（扬声器）和MEMS传感器（麦克风）示例

作为微型执行器，压电MEMS器件能比硅基深硅蚀刻MEMS执行器提供更大的力。压电MEMS传感器也比硅基MEMS传感器更灵敏、更精确。

硅 vs. 压电材料

硅基MEMS加速度计具有在半导体衬底上蚀刻的一端固定在衬底上，另一端悬置的结构。悬臂部分与衬底绝缘，作为可动电极，衬底作为固定电极。硅基MEMS器件应用的蚀刻技术与集成电路的蚀刻技术有类似之处。

当MEMS器件运动时，由于惯性作用，可动电极的自由端会轻微弯曲。弯曲时，它与固定电极之间的距离会发生变化，由此导致固定电极和可动电极之间的电容发生变化。附近的电子元件通常蚀刻在同一硅衬底上，可将电容变化转换成软件可读的信号，以显示加速度的强度。

压电MEMS加速度计在压电薄膜衬底上蚀刻有类似的可动结构。当发生运动时，压电材料会在弯曲作用下产生微小电流。同样，附近的电子元件会将这些电流转化为可读信号。

AlN vs. PZT

压电MEMS材料主要有两种类型：氮化铝（AlN）和PZT。薄膜AlN比薄膜PZT成熟的更早，更快成为一种可量产制造技术。据AMFitzgerald公司创始人Alissa M. Fitzgerald博士称，薄膜AlN的应用范围包括射频滤波器、麦克风、振荡器、触摸传感器等。

Fitzgerald博士继续说，薄膜AlN相比薄膜PZT更适合那些运动更小的器件或传感器应用，但是薄膜PZT的应用潜力更为广泛，最适合晶圆级或芯片级电子集成。薄膜PZT的应用范围包括喷墨打印头、自动对焦执行器、超声波换能器、麦克风/扬声器、微镜、微泵及微流控、陀螺仪、能量收集器等。

PZT并不新鲜。多年来，医用超声一直采用厚膜PZT换能器。然而，厚膜器件与薄膜器件相比非常昂贵。直到最近，薄膜PZT才开始具有商业价值。要将薄膜PZT广泛应用于MEMS器件，还需要采取的措施之一，就是将小批量原型晶圆做到完全量产的质量水平，而这正是AMFitzgerald和住友精密结盟的目标。

缩短设计流程

如今，PZT MEMS的开发流程基本上分为两个原型阶段。首先，使用研发质量的晶圆进行初始设计；然后，选择MEMS代工厂，对设计进行调整和优化，以适应MEMS代工厂批量生产的优质材料。

双方的结盟将缩短设计流程

MEMS代工厂选择阶段也存在问题。Fitzgerald解释说，大型MEMS晶圆厂对客户群是有选择的。他们只想要每年销售上亿颗MEMS器件的客户，但是许多创新都来自规模略小的市场及客户，这意味着每年需要的晶圆产量并不大。这使得中间市场的创新变得非常困难。

通过为小批量MEMS原型制造提供量产级质量的晶圆，消除了MEMS代工厂阶段的重新设计。初始设计就可以在最终量产条件下完成。有了AMFitzgerald和住友精密的结盟，非大规模特种工艺市场的开发商，将更容易获得成功产品设计及量产所需要的高质量原材料。

延伸阅读：

《微机械超声换能器专利态势分析-2023版》

《电容式微机械超声换能器（CMUT）期刊文献检索与分析-2022版》

《压电式微机械超声换能器（PMUT）期刊文献检索与分析-2022版》