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压电传感器原理及应用（二）

2020.10.26

二、压电MEMS传感器

1、压电MEMS喷墨打印头

喷墨打印为个人文档打印提供了灵活、经济的解决方案，目前仍在家庭和小型办公环境中大量应用。同时，CAD和图形艺术应用的大型宽幅打印将喷墨打印作为单次打印和小批量打印的技术选择。MEMS技术为之带来了“诱人”的解决方案：每个喷墨打印头拥有更高的喷嘴密度，以及通过大批量生产实现可接受的制造成本。

打印头主要有两种技术方案：热发泡打印和压电打印。大多数压电喷墨打印头使用PZT压电陶瓷材料，采用薄膜沉积PZT压电陶瓷代替整块PZT压电陶瓷具有巨大的应用前景。薄膜沉积PZT压电陶瓷的优势包括：更好的控制墨滴尺寸以调节灰度值和降低功耗。

2007年，爱普生推出了薄膜压电(TFP)打印头，广泛应用于爱普生大幅面打印机的范围内。2013年9月，爱普生公司宣布其新一代喷墨打印技术：

PrecisionCore，第一次推出采用PZT薄膜技术制造的MEMS喷墨打印头，进一步提供超高打印速度和极佳的图像品质。

爱普生PrecisionCore打印头

打印头所使用压电材料为PZT厚膜压电材料。

2、MEMS自动对焦执行器

目前的自动对焦功能还主要依赖于体积巨大、耗电量高且成本昂贵的音圈电机提供动力。而基于压电MEMS技术的自动对焦镜头已进入商用阶段。通过在一块薄玻璃上粘上几个压电电极，它们可以使玻璃弯曲，从而改变聚合物块的表面，使其变成透镜。致动量确定曲率并因此确定焦点。

压电MEMS自动对焦执行器原理图

MEMS及VCM性能对比

代表企业为poLight，采用意法半导体的薄膜压电式技术，其创新的可调镜头（TLens， Tuneable Lens）通过压电执行器改变聚合膜的形状，模拟人眼的对焦功能。这项应用被视为相机自动对焦的最佳解决方案。TLens镜头可瞬间完成对焦，调焦速度是传统解决方案的十倍，而电池耗电量只有传统方案的二十分之一。同时，拍照后相机自动重新对焦的功能也有相当的进步，可为摄像任务提供连续稳定的自动对焦服务。

自动对焦执行器所使用压电材料为PZT厚膜压电材料。

3、压电式MEMS能量收集器

自1969年Wen.H.Ko在ZL（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。

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