为何压电MEMS市场增速远超整体MEMS市场？​

压电技术作为机械能与电能相互转换的核心载体，已深度渗透到消费电子、医疗健康、工业制造等众多领域。其独特的物理效应与不断迭代的材料、工艺相结合，正推动着相关产业的颠覆性创新，成为万物互联时代的关键支撑技术之一。

压电是特定材料的固有特性，指材料在机械应力作用下产生电荷的直接压电效应，以及在电场作用下发生机械变形的逆压电效应。这种双向能量转换能力，是压电技术应用的核心基础。

• 发展历程

1880年，法国科学家皮埃尔・居里与雅克・居里兄弟，通过石英、黄玉等晶体首次发现压电效应。1881年，法国科学家加布里埃尔・李普曼从理论上证实逆压电效应，随后居里兄弟完成实验验证。1917年，压电技术实现首次实际应用，科学家基于压电效应开发出声纳换能器。二战期间，美国、俄罗斯、日本的研究团队发现铁电体材料，其压电常数远超天然晶体，推动了钛酸钡、钛酸锆酸铅（PZT）等合成压电材料的研发。

• 工作原理

压电材料的晶体结构决定其效应产生。天然压电晶体（如石英）的晶胞本身具有非中心对称性，无需额外处理即可产生压电效应。合成压电材料（如PZT陶瓷）需经过极化处理：在接近居里温度的环境下施加强直流电场，使材料内部随机分布的电偶极子沿电场方向对齐。电场移除后，部分偶极子保持定向排列，形成剩余极化。当受到机械应力时，定向偶极子发生位移，产生净电荷；当施加电场时，偶极子重新排列，导致材料机械变形。

压电材料分为天然与合成两大类，不同材料的晶体结构、物理特性差异显著，直接决定其应用场景的选择。

• 天然压电材料

天然压电材料包括石英、罗谢尔盐、黄玉、电气石等，部分生物材料如骨骼、牙釉质、丝绸也具有压电性。这类材料的优势在于稳定性强、化学性质稳定，石英的低热膨胀系数和高质量因数使其在高频振荡器、滤波器中表现突出。但天然材料普遍存在压电系数低的问题，限制了其在高功率、高灵敏度场景的应用。

• 合成压电材料

合成压电材料是当前技术应用的主流，涵盖陶瓷、聚合物、单晶薄膜等类型，核心材料及特性如下：

钛酸锆酸铅（PZT）：化学式为 Pb（ZrₓTi₁₋ₓ）O₃，具有极高的压电系数和机电耦合系数，是执行器、高功率声学设备的核心材料。通过掺杂 Ni、Bi、La等离子，可优化其压电与介电参数，分为软质PZT（适用于微定位、传感器）和硬质 PZT（适用于高功率超声应用）。

氮化铝（AlN）：声速高、热导率高、损耗低，可与 CMOS 工艺兼容，是传感器、射频滤波器的理想材料。掺钪后的 AlScN 薄膜，机电耦合系数和品质因数显著提升，拓展了在高频器件中的应用。

聚偏氟乙烯（PVDF）：柔性聚合物材料，重量轻、易加工，适用于生物医学、可穿戴设备及柔性传感场景，也是压电式微机械超声换能器（PMUT）的核心材料之一。

铌酸锂（LiNbO₃）与钽酸锂（LiTaO₃）：具有优异的压电、电光、声光性能，适用于光通信、激光器件、高精度传感器等高科技领域，其单晶薄膜异质集成衬底可用于高性能声表面波（SAW）滤波器。

无铅压电材料：包括铌酸钾钠（KNN）、钛酸铋钠（BNT）等，响应环保监管需求研发，可替代部分含铅 PZT 材料，适用于微型泵、超声雾化器、传感器等场景。

压电MEMS是微米至纳米尺度的集成微系统，结合微加工技术与压电薄膜制备工艺，实现能量转换功能，是当前压电技术产业化的核心方向。

• 核心制造工艺

压电MEMS的制造工艺围绕压电薄膜沉积与微加工展开，主流技术包括：

物理/化学沉积法：通过磁控溅射法、溶胶 - 凝胶法沉积AlN、AlScN、PZT等薄膜；通过溶液旋涂法沉积 PVDF 薄膜。

异质集成工艺：基于Smart Cut技术的离子束剥离与转移、晶圆键合与减薄，制备LNOI、LTOI等单晶压电薄膜异质集成衬底。

兼容工艺：国内首台量产型8英寸PZT压电薄膜设备已完成工艺调试，实现成膜温度低于500℃、成膜速率5um/h、均匀性小于±1.8%的技术指标，达成 CMOS 与 MEMS 兼容集成制造能力。

• 技术创新方向

无铅化研发：应对PZT材料的铅含量监管压力，KNN、铌酸锂等无铅材料的工艺优化与性能提升成为重点。

薄膜性能优化：通过掺杂、多层结构设计、异质结构整合等方式，提升压电薄膜的机电耦合系数、批产均匀性和可靠性。

集成化突破：推进压电MEMS与CMOS电路的深度集成，提升器件集成度与功能密度，满足小型化、低功耗需求。

根据Yole预测，2024年至2030年压电MEMS市场复合年增长率（CAGR）为6%，显著超越整体MEMS市场3.7%的增速。增长动力主要来自消费电子领域的创新应用与多元化需求，同时医疗康养、工业控制、自动驾驶等新兴领域的拓展进一步打开市场空间。

• 核心应用板块与主导厂商

成熟领域：MEMS喷墨打印头（主导厂商为爱普生、Xaar）、射频声学滤波器（博通、Qorvo、村田）、超声波指纹传感器（高通、汇顶科技）占据主要市场份额。

成长领域：MEMS风扇、MEMS扬声器、MEMS微镜及新型PMUT器件处于快速发展阶段，有望成为下一代增长引擎。

新兴突破：2025年SiTime的AlN压电MEMS振荡器集成于iPhone 16e，标志着压电MEMS时钟器件首次进入智能手机领域。

• 产业生态布局

国际巨头：博世、意法半导体等IDM巨头布局压电MEMS产业化，提供工艺研发与代工服务；意法半导体与新加坡科技研究局、爱发科合作建立 “Lab-in-Fab” 模式，整合研发、中试与量产资源。

国内进展：上海微技术工业研究院、苏州纳米城MEMS RIGHT等打造中试平台；芯联集成、赛微电子等代工厂聚焦射频声学滤波器领域；国家重点研发计划 “硅基MEMS压电薄膜及器件关键技术与平台” 推动晶圆级规模化生产，突破关键器件受制于人的局面。

压电技术的应用覆盖多个领域，核心场景基于直接与逆压电效应的能量转换特性展开。

• 消费电子领域

声学器件：压电扬声器、麦克风用于手机、TWS耳塞、助听器，兼具小型化与低功耗优势。

传感交互：超声波指纹传感器广泛应用于智能手机；压电振动传感器实现设备姿态与触摸反馈。

打印设备：压电喷墨打印头通过精确控制墨滴喷射，提升打印精度与效率。

• 医疗健康领域

成像诊断：压电超声换能器用于超声检查、无创治疗，PMUT技术提升成像分辨率与探测灵敏度。

医疗设备：压电驱动的微型泵、精密给药系统实现精准医疗干预；压电传感器用于脉搏、血压监测。

• 工业与智能制造领域

检测与控制：压电压力传感器、加速度传感器用于工业自动化、结构健康监测；超声波换能器实现无损检测。

精密执行：压电执行器用于光学调节、精密定位系统，满足纳米级精度控制需求；压电超声清洗、焊接设备提升加工效率与质量。

• 国防与特殊领域

声纳系统：压电换能器用于水下探测与通信；微型飞行器、智能子弹等装备通过压电执行器实现精准控制。

能量收集：压电材料将环境振动、机械运动转化为电能，为无线传感器网络、可穿戴设备供电。

压电技术凭借其独特的能量转换特性，历经百余年发展已形成 “材料 - 工艺 - 器件 - 应用” 的完整产业链条。当前，材料无铅化、器件微型化、集成化、应用多元化成为核心发展趋势。随着无铅压电材料工艺成熟、压电MEMS与CMOS集成技术突破，以及新兴应用场景的持续拓展，压电技术将在AIoT、自动驾驶、高端医疗等领域发挥更关键的支撑作用，推动相关产业实现效率提升与产品创新。