MEMS加速度計通過微結構內發(fā)生的電容、電阻或電荷（壓電）變化來檢測機械加速度，現(xiàn)已成為僅次于壓力傳感器，應用量排名第二的MEMS器件。MEMS加速度計一直以來常用于振動監(jiān)測、汽車測試和慣性導航等應用，最近的研究凸顯了MEMS加速度計在健康監(jiān)測和植入式助聽器中的應用潛力。早期的MEMS加速度計采用了硅中的壓阻耦合。硅微機械加工技術的進步，實現(xiàn)了更加復雜的可動微機械結構的可靠制造，從而構建了帶有梳齒狀驅動器的電容式加速度計。近些年，壓電MEMS加速度計開始變得流行起來。與壓阻和電容耦合加速度計相比，它們具有許多優(yōu)點，例如更高的溫度穩(wěn)定性、更高的魯棒性、更低的功耗、更好的線性特性、更寬的動態(tài)范圍、增強的靈敏度以及無真空密封要求等。此外，當用于植入式助聽器時，壓電加速度計有望直接與神經元連接，從而無需額外的讀出電路。

盡管壓電MEMS加速度計具有多種優(yōu)勢，但仍面臨環(huán)境暴露風險與性能之間的權衡。例如，鋯鈦酸鉛（PZT）等高性能壓電材料帶來了與重金屬相關的生態(tài)問題。鈮酸鉀鈉（KNN）等無鉛高性能替代材料，在原材料開采過程中存在可持續(xù)性問題。盡管氮化鋁（AlN）和氧化鋅（ZnO）等更環(huán)保的材料可以用于壓電MEMS換能器，但由于它們較弱的壓電特性，還無法提供與PZT MEMS換能器相當?shù)钠骷阅?。此外，所有這些無機材料，無論其壓電性能和環(huán)境影響如何，都基于類似的制造工藝。無論是自下而上的表面微加工工藝還是自上而下的體微加工工藝，這些微制造工藝都不可避免地重復材料沉積、掩模光刻和各向異性蝕刻的三步循環(huán)，導致幾乎相同的工藝復雜性。如果為了環(huán)境效益而選擇降低性能，那么至少應該采用更簡單的制造工藝使這種權衡變得有價值。

利用聚氟乙烯（PVDF）薄膜開發(fā)聚合物壓電MEMS器件成為解決上述挑戰(zhàn)的可行方案之一。首先，PVDF具有比ZnO和AlN更高的壓電系數(shù)，為潛在的更高性能器件奠定了基礎。此外，PVDF薄膜可以通過激光微加工和增材制造等先進方法直接成型微結構，繞過傳統(tǒng)的三步循環(huán)工藝簡化制造流程。

除了能夠實現(xiàn)簡單、環(huán)保的微制造和高靈敏度的器件，基于PVDF的聚合物壓電MEMS加速度計，還可以為MEMS慣性傳感器在新興的柔性電子領域奠定更堅實的基礎，這為聚合物MEMS器件的研究賦予了額外的意義。半導體有機材料和有機場效應晶體管應用的持續(xù)進步，使以聚合物傳感器和聚合物集成電路為特征的全聚合物電子系統(tǒng)的研究熱度不斷上升，推動聚合物MEMS傳感器作為信息收集的重要前端，加快了相關領域的研究。

相比之下，聚合物MEMS慣性傳感器的研究還不太成熟。此外，現(xiàn)有關于高性能聚合物壓電MEMS加速度計的少數(shù)研究傾向于將能量收集器作為加速度計。MEMS能量收集器經過調諧在其機械諧振頻率區(qū)間工作，并利用其最顯著的機械響應。不過，與傳統(tǒng)MEMS加速度計相比，由MEMS能量收集器轉換而來的替代品具有有限的帶寬，限制了其應用潛力。為了解決這一長期存在的局限性，有必要對聚合物壓電MEMS加速度計進行深入研究。

據麥姆斯咨詢介紹，加拿大不列顛哥倫比亞大學（University of British Columbia）電氣與計算機工程系的研究人員提出了一種PVDF壓電MEMS加速度計的新設計，并利用簡化的聚合物微制造技術制造了三顆樣品。這些樣品展示了其機械諧振特性、頻率響應、對輸入加速度的平帶靈敏度和器件級噪聲特性。研究人員對比了實驗測量值和基準值，展示了性能潛力。該研究成果已經以“A polymeric piezoelectric MEMS accelerometer with high sensitivity, low noise density, and an innovative manufacturing approach”為題發(fā)表于Microsystems & Nanoengineering期刊。

PVDF壓電MEMS加速度計的設計和仿真

三顆PVDF壓電MEMS加速度計樣品的照片

三顆PVDF壓電MEMS加速度計樣品的表征結果

總結來說，這項研究提出了一種聚合物壓電MEMS加速度計新設計。研究人員稱，這是首款基于PVDF的聚合物傳統(tǒng)壓電MEMS加速度計設計。該設計在靈敏度和噪聲密度方面可以媲美最先進的基于超厚PZT膜的壓電MEMS加速度計，超過了多款商用電容式MEMS加速度計。與最先進的有機MEMS加速度計相比，新設計PVDF加速度計的平帶大了四倍。此外，這項研究所制作的加速度計尺寸縮小了十倍。除了具有競爭力的性能外，新設計的聚合物MEMS加速度計具有簡單、靈活、可重復且可預測的微制造工藝，且不使用含有重金屬的壓電材料。因此，該設計有望作為傳統(tǒng)PZT高性能壓電MEMS加速度計更環(huán)保的替代品，展示了在許多領域的應用潛力。

更重要的是，概念驗證表明，利用PVDF薄膜可以使傳統(tǒng)壓電MEMS加速度計直接實現(xiàn)高性能，而無需將PVDF能量收集器轉換為加速度計的間接解決方案。考慮到MEMS加速度計是僅次于壓力傳感器的第二大MEMS產品類別，這項研究成果填補了聚合物MEMS領域的一項長期空白，為未來進一步的研究開辟了道路，例如，包含聚合物MEMS加速度計和有機集成電路的全聚合物慣性傳感系統(tǒng)。

審核編輯：黃飛