一種新型無鉛壓電薄膜可助力MEMS器件更高效地從環(huán)境振動中收集能量。研究人員通過在鐵酸鉍（BFO）材料中摻雜少量錳（Mn）元素，并優(yōu)化硅襯底上薄膜生長工藝，制備出壓電性能優(yōu)異、介電損耗低、器件級性能顯著改善的新材料。研究人員將該無鉛壓電薄膜集成至MEMS振動能量收集器中，相較于早期未摻雜錳元素的器件，其機電耦合性能得到顯著提升。這一研究突破為開發(fā)小型化、高效率、環(huán)保無鉛的自供電微系統(tǒng)提供了一條可行的技術(shù)路線。
壓電MEMS技術(shù)目前已應(yīng)用于微型傳感器、執(zhí)行器與能量收集器，但材料瓶頸仍制約其性能提升。鋯鈦酸鉛（PZT）薄膜具有強壓電效應(yīng)，而氮化鋁（AlN）薄膜則兼具低介電常數(shù)與高品質(zhì)因數(shù)；然而二者均無法完全滿足密集傳感器陣列及人工智能（AI）賦能系統(tǒng)對高靈敏度、超小型、綠色環(huán)保MEMS器件日益增長的需求。鐵酸鉍是極具潛力的無鉛替代材料，但提升其在硅基襯底上的性能依然面臨重重困難——這是因為生長于硅基底之上的薄膜所承受的是拉伸應(yīng)變，而非在氧化物單晶襯底上常見的、且已被廣泛研究的壓縮應(yīng)變。針對以上難題，目前亟需開展與硅基MEMS平臺兼容的高性能無鉛壓電薄膜制備研究。
據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，日本大阪公立大學(xué)和大阪產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究所在Microsystems & Nanoengineering期刊上發(fā)表了題為“Enhanced electromechanical coupling in piezoelectric MEMS vibration energy harvesters via strain-induced phase transition in Mn-doped bismuth ferrite epitaxial films”的論文。該研究表明，在硅襯底上外延生長的錳摻雜鐵酸鉍薄膜能夠發(fā)生由應(yīng)變誘導(dǎo)的相變，即從菱方相向單斜相轉(zhuǎn)變。這種相變顯著增強了材料的壓電性能，并提升了基于該薄膜材料制備的MEMS振動能量收集器的性能。
錳摻雜鐵酸鉍薄膜的結(jié)構(gòu)與電學(xué)性能圖譜表征
為確定最優(yōu)薄膜生長工藝條件，研究人員采用了一種雙軸組合濺射方法，在晶圓表面構(gòu)建可控的溫度與組分梯度結(jié)構(gòu)。隨后對晶體結(jié)構(gòu)、電學(xué)響應(yīng)及壓電性能進行系統(tǒng)性表征。優(yōu)化后的錳摻雜鐵酸鉍薄膜介電常數(shù)約為140，介電損耗約1%，這兩項指標(biāo)均適用于MEMS相關(guān)應(yīng)用。最重要的是，其有效橫向壓電系數(shù)達(dá)到?6.0?C/m2，創(chuàng)下了該材料體系迄今為止的最高紀(jì)錄。結(jié)構(gòu)分析結(jié)果表明，性能提升歸因于硅襯底上應(yīng)變誘導(dǎo)的相變——菱方相向單斜相轉(zhuǎn)變。
雙軸組合濺射方法及其制備的薄膜情況：（a）組合式射頻（RF）磁控濺射裝置示意圖；（b）2英寸晶圓組分比例分布圖譜；（c）樣品不同位置的截面掃描電鏡（SEM）形貌圖。
將錳摻雜鐵酸鉍薄膜集成到壓電MEMS振動能量收集器之后，新器件實現(xiàn)了0.5%的廣義機電耦合系數(shù)（K2），約為同類未摻雜鐵酸鉍器件的5倍。新器件K2Qm值達(dá)2.7，接近早期未摻雜鐵酸鉍器件的3倍；在諧振條件下，新器件輸出功率可達(dá)理論最大輸出的90%以上。在脈沖激勵下，錳摻雜鐵酸鉍器件阻尼響應(yīng)快于鐵酸鉍器件，更適用于真實環(huán)境中不規(guī)則振動下的頻率上轉(zhuǎn)換應(yīng)用。
壓電MEMS振動能量收集器結(jié)構(gòu)與制備工藝流程
脈沖激勵條件下的壓電MEMS振動能量收集器性能
諧波振動條件下的壓電MEMS振動能量收集器性能表征
研究表明，在硅襯底上對相穩(wěn)定性進行精細(xì)調(diào)控，能夠直接轉(zhuǎn)化為MEMS器件性能的提升。研究人員并未局限于孤立地改善某項材料特性，而是將晶體層面的工程設(shè)計與器件效率及響應(yīng)方面的可量化提升緊密聯(lián)系起來。這種關(guān)聯(lián)對于實用型微系統(tǒng)而言尤為重要，因為在這些系統(tǒng)中，制造兼容性、電學(xué)特性以及能量轉(zhuǎn)換功能必須在同一平臺上實現(xiàn)協(xié)同運作。
該研究成果可為下一代自供能微系統(tǒng)、緊湊型傳感器及分布式智能電子器件提供技術(shù)支撐。該無鉛壓電薄膜兼具優(yōu)異壓電響應(yīng)、較低介電常數(shù)及硅基工藝兼容性，在弱振動、寬頻、不可預(yù)測振動環(huán)境中應(yīng)用價值顯著。研究人員指出，進一步優(yōu)化MEMS制造工藝，尤其是降低等離子體引起的薄膜損傷，可更好保留材料本征性能。依托該技術(shù)路線，有望開辟一條可規(guī)?；臄U展路徑，實現(xiàn)尺寸更小、無鉛環(huán)保、能量轉(zhuǎn)換效率更高的壓電MEMS器件的批量化生產(chǎn)。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41378-026-01177-5
