综述：压电薄膜和微机电系统（MEMS）器件技术的进展

《Materials Science in Semiconductor Processing》：Progress in piezoelectric thin films and MEMS devices

本文系统评估了PZT、ZnO、AlN等压电薄膜在MEMS中的应用进展，分析制备工艺、微结构特性与性能优化策略，探讨异质集成、低电压操作及与人工智能、柔性电子的融合，提出铅基材料替代与规模化制造等未来挑战。

　　

作者：成灿（Can Sheng）、苏布拉马尼安·萨西库马尔（Subramanian Sasikumar）、陈佳佳（Jiajia Chen）、冉俊辉（Junhui Ran）、李晓天（Xiaotian Li）、杨斌（Bin Yang） 单位：湖南大学材料科学与工程学院，长沙，410082，中国

摘要

压电薄膜已成为微机电系统（MEMS）不可或缺的功能性材料，使得设备能够实现高度微型化，并具备集成传感、驱动和信号转换能力。MEMS技术的快速发展推动了从传统块状压电陶瓷向与现代微制造工艺及互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺兼容的薄膜平台的转变。本文全面而批判性地评估了用于MEMS应用的无机压电薄膜的最新进展，特别关注了Pb(Zr,Ti)O₃（PZT）、ZnO、AlN和掺Sc的AlN、LiNbO₃、BaTiO₃、(K,Na)NbO₃（KNN）以及新兴的超宽禁带材料ε-Ga₂O₃。系统地探讨了包括物理沉积、化学沉积和溶液沉积技术在内的薄膜制备方法，以及新兴的无应力、不依赖基底的制造工艺。在MEMS相关几何结构中，材料组成、加工条件、微观结构与机电性能之间的相互作用被重点讨论，其中基底夹持、尺度效应和可靠性约束对器件行为具有重要影响。本文还回顾了压电薄膜的测量原理和表征方法，强调了在MEMS研究中广泛采用的悬臂式和基于波动的方法。除了材料本身，还综述了能够协同提升系统级压电性能的MEMS结构设计和器件架构的进步。最后，指出了当前面临的挑战和未来发展方向，重点关注无铅材料、可扩展制造、异构集成以及压电MEMS与人工智能、柔性电子和下一代智能传感系统的融合。

引言

微机电系统（MEMS）将机械结构、传感器、执行器和电子电路集成到高度紧凑的微尺度平台上，实现了高功能性和低功耗的微型化设备[1]。MEMS技术的快速发展推动了从传统块状压电陶瓷向与现代微制造工艺及互补金属氧化物半导体（CMOS）工艺兼容的薄膜平台的转变[2][3][4]。历史上，块状压电陶瓷和单晶（如Pb(Zr,Ti)O₃（PZT）、石英和LiNbO₃）由于其强大的压电特性和机械强度，被广泛应用于宏观执行器、传感器和谐振器中。然而，它们对高工作电压的依赖性、有限的微型化能力以及与微制造工艺的兼容性问题，严重限制了其在下一代微系统中的应用[5]。 相比之下，MEMS器件主要依赖于与微纳制造技术结合的压电薄膜，从而实现了低电压操作、器件微型化和大规模集成[5,6]。因此，MEMS技术在消费电子、汽车系统、工业物联网（IoT）和移动通信领域得到了广泛应用，这些领域迫切需要具备集成传感、驱动和信号处理能力的紧凑型设备[7,8]。MEMS中常用的压电薄膜包括PZT[9][10][11]、ZnO[12][13][14]、AlN[15,16]、LiNbO₃[17][18][20][21]、KNN[22][23][24]以及新兴的超宽禁带半导体ε-Ga₂O₃[25,26]。 在各种压电材料中，PZT薄膜因其极高的压电响应（d₃₃约为200-600 pC/N）而被最广泛采用，这种特性使得它们在小的机械刺激下能够产生较大的电输出和机械位移，特别适合用于谐振器和MEMS镜面应用[27][28][29][30][31]。PZT薄膜因其强大的机电耦合和可调的介电特性而被视为压电MEMS技术的基准材料[32,33]。然而，进一步提高铁电性能和结构质量已接近极限，仅通过材料优化来提升器件级输出变得越来越具有挑战性[34][35][36][37]。此外，铅的毒性引发了严重的环境和监管问题，这促使人们积极开发无铅压电替代品。 无铅压电薄膜因此受到了越来越多的关注。ZnO薄膜对环境友好且适用于可扩展的沉积工艺；然而，其在潮湿环境下的耐腐蚀性较差，导致性能下降[38]。AlN薄膜具有高的声速、优异的导热性和与CMOS的强兼容性，适用于高性能声学谐振器和射频（RF）滤波器[39,40]，但其相对较低的d₃₃限制了其在需要更强机电耦合的5G和6G通信系统中的应用。LiNbO₃单晶薄膜具有优异的压电和电光性能，但受高制造成本和有限的可扩展性的限制[41]。BaTiO₃薄膜的d₃₃值与PZT相当，但其不足的热稳定性仍对MEMS的可靠实现构成挑战[42]。在这种情况下，KNN作为一种有前景的无铅替代品出现，其晶圆级沉积的高质量薄膜显示出与PZT薄膜相当的水平压电系数（e₃₁约为-13.5 C/m²），从而凸显了其在无铅压电MEMS应用中的潜力。 尽管在压电薄膜和MEMS技术方面取得了显著进展，但系统地将材料开发、制造策略、性能优化和器件级集成联系起来的统一而批判性的视角仍然有限。尽管有许多研究报道了应用于传感、驱动、能量收集和声学系统的压电材料和器件，但如何将薄膜材料性能转化为稳健、可扩展和高性能的MEMS架构尚未得到全面综述。 图1通过根据活性薄膜材料系统对压电MEMS器件进行分类，概述了本综述的范围和组织结构。压电薄膜大致分为无机和有机材料。无机压电薄膜（包括陶瓷、单晶、氮化物、氧化物和复合氧化物系统）是高性能、高频MEMS的基础，因为它们具有优异的机电耦合、热稳定性和可靠性。相比之下，有机聚合物和基于聚合物的复合材料越来越多地被用于柔性、轻量化和生物集成MEMS应用。图1进一步将这些材料平台与包括射频通信和导航、机械量传感、驱动和能量收集、声学和柔性器件、医学诊断以及工业检测在内的代表性MEMS应用领域联系起来。这一概述强调了材料选择、器件架构和应用特定性能要求之间的强烈相互依赖性，为理解压电MEMS技术中的材料驱动设计策略提供了统一框架。 在本综述中，我们系统地回顾了代表性的无机压电薄膜（包括PZT、ZnO、AlN、LiNbO₃、BaTiO₃、KNN、ε-Ga₂O₃）及其在MEMS器件架构中的应用。重点讨论了材料-工艺-器件之间的相互关系、超越内在材料特性的性能优化策略，以及制造和结构设计中的新兴集成趋势。最后，我们讨论了当前面临的挑战和未来发展方向，特别关注无铅材料、可扩展制造、异构集成以及压电MEMS与人工智能、柔性电子和下一代智能传感系统的融合。

薄膜技术的演变与意义

功能材料和器件工程的最新进展加速了亚微米和纳米级薄膜制造技术的发展，催生了新一代高性能MEMS器件[43]。压电薄膜可以利用现代微制造技术轻松集成到平面和复合架构中，具备多功能性、优异的物理性能和与大规模制造的兼容性[44,45]。

压电薄膜与MEMS器件

表2总结了代表性的压电薄膜材料，包括PZT、ZnO、AlN、ε-Ga₂O₃、LiNbO₃、BaTiO₃、KNN，以及它们与MEMS集成相关的关键机械、电学和机电性能参数。压电系数（d₃₃）反映了材料在施加机械应力下产生电极化或在电场下产生机械变形的能力，是评估其性能的关键参数。

MEMS结构设计与器件架构

压电MEMS器件的制造涉及薄膜沉积、光刻图案化、微加工、金属化和封装工艺。这些工艺通常根据所制造压电传感器或器件的具体要求进行组合和定制。除了材料性能外，器件架构、电极布局、应力分布和封装策略对整体器件灵敏度、带宽和可靠性具有决定性影响。

结论与展望

在过去几十年中，基于无机压电薄膜的MEMS器件取得了显著进展，这得益于材料工程、制造技术、器件架构和表征方法的持续进步。本综述全面概述了代表性的压电薄膜、其制备策略、机电性能及其在各种MEMS器件中的集成情况，强调了这些因素的关键作用。

CRediT作者贡献声明

强成（Can Sheng）：撰写——综述与编辑、初稿撰写、形式分析 苏布拉马尼安·萨西库马尔（Subramanian Sasikumar）：撰写——初稿撰写、形式分析 陈佳佳（Jiajia Chen）：撰写——初稿撰写、形式分析 冉俊辉（Junhui Ran）：撰写——综述与编辑、形式分析 李晓天（Xiaotian Li）：撰写——综述与编辑、形式分析 杨斌（Bin Yang）：撰写——综述与编辑、监督、项目管理、资金获取、形式分析

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的财务利益或个人关系。

致谢

B.Y. 感谢长沙市科学技术重点项目（项目编号：KH2401023）和中央高校基本科研业务的财政支持。