高声压压电微机械超声换能器的研究进展

学术背景

超声换能器在物体检测、无损检测、生物医学成像和治疗等领域有着广泛的应用。与传统的体超声换能器相比，压电微机械超声换能器（PMUTs）具有体积小、功耗低、带宽宽等优势，适用于消费电子和物联网（IoT）中的测距、手势识别、指纹传感和3D成像等应用。然而，这些小型传感器的输出压力相对较低，限制了其在多种应用中的信号传输能力。例如，目前最先进的基于氮化铝（AlN）的PMUT阵列仅能实现4米的传输距离。为了扩展PMUT在诸如空中触觉反馈、扬声器和声学镊子等应用中的使用，主要挑战在于实现高声压级（SPL）。

PMUT的传输特性主要由机械结构设计和活性压电材料决定，因此寻找新的材料以提升性能成为研究重点。尽管AlN是最常用的压电材料，但其压电系数较低（e31;f ≈ -1 C/m²）。通过材料成分的调整，如掺入36%的钪（Sc）的AlN（ScAlN）薄膜，压电系数可提升至-2.3 C/m²。然而，含铅的锆钛酸铅（PZT）虽然能产生较高的输出压力，但其高介电常数导致接收灵敏度较低，且铅的存在也限制了其在某些应用中的使用。因此，寻找无铅压电材料以进一步提升PMUT性能成为研究热点。

论文来源

本论文由Fan Xia、Yande Peng、Wei Yue、Mingze Luo、Megan Teng、Chun-Ming Chen、Sedat Pala、Xiaoyang Yu、Yuanzheng Ma、Megha Acharya、Ryuichi Arakawa、Lane W. Martin和Liwei Lin共同撰写，发表于2024年的《Microsystems & Nanoengineering》期刊。论文详细介绍了基于溅射钾钠铌酸盐（KNN）薄膜的高声压PMUT的设计、制造及其在触觉反馈、扬声器和测距仪中的应用。

研究流程

设计与制造

PMUT的换能过程涉及三个能量域：电、机械和声学。PMUT通过电-机械-声学耦合将电激励信号转换为声波。论文中设计的PMUT采用圆形单层膜结构，由2微米厚的KNN薄膜作为活性压电层和5微米厚的硅器件层作为弹性层组成。双电极几何结构通过差分驱动增强振动位移和输出压力。模拟结果显示，在固定边界条件下，PMUT的基本弯曲模式在67%半径处出现应力反转点，差分驱动配置最大限度地利用了整个压电膜以增加输出。

制造过程从在6英寸硅片上沉积25纳米厚的氧化锌（ZnO）粘附层和200纳米厚的铂（Pt）底电极层开始，随后通过射频磁控溅射在500°C下沉积2微米厚的KNN薄膜。接着，沉积并图案化10纳米厚的氧化钌（RuO2）层和100纳米厚的Pt层作为内圆和外环顶电极。通过湿法蚀刻工艺在KNN薄膜中创建通孔以访问底电极，最后通过硅深反应离子刻蚀（DRIE）工艺定义背面硅腔。

表征与测试

通过X射线衍射（XRD）和扫描电子显微镜（SEM）对KNN薄膜的晶体结构和PMUT的机械特性进行了表征。XRD结果显示KNN薄膜具有良好的结晶性，SEM图像展示了PMUT的多层膜结构和各层的厚度。电学特性测试显示，随着膜片半径的增加，PMUT的谐振频率从241 kHz降至21.2 kHz。机械振动特性测试表明，在差分驱动方案下，PMUT的中心位移在200 mVp-p的激励下达到1.23微米，对应的位移灵敏度为12.3 μm/V。

声学特性测试显示，PMUT在1 cm轴向距离处的声压级（SPL）达到133 dB，在10 cm处为111.6 dB，传输灵敏度比AlN基PMUT高出5-10倍。非线性行为研究表明，PMUT的振动频率随位移增加而漂移，符合Duffing非线性模型。

主要结果

触觉反馈应用

15×15的KNN PMUT阵列在12 Vp-p的驱动电压下，能够在15 mm距离处产生2900 Pa的焦点压力，对应的声压级为160.3 dB SPL。这是目前空中PMUT阵列作为触觉执行器实现的最高输出压力。通过脉冲宽度调制（PWM）方案，PMUT阵列能够在人类手掌上产生非接触式触觉刺激，90%的志愿者测试中实现了即时的触觉反馈。

扬声器应用

单个PMUT元件在22.8 kHz的谐振频率下，能够在3 cm轴向距离处产生105 dB的声压级。通过幅度调制（AM）方案，PMUT能够在20 Hz至20 kHz的音频范围内产生均匀的声学输出，声压级约为85 dB。尽管该结构尚未针对扬声器应用进行优化，但其成功生成可听声音展示了KNN PMUT的强大输出能力。

测距仪应用

通过脉冲回波测量，单个PMUT元件能够在2.82米的距离内检测到物体，展示了其良好的收发能力。脉冲回波测量结果显示，PMUT在1.5米距离处的回波幅度为0.32 mV，飞行时间（TOF）为8.6 ms。通过优化阵列设计和声学封装，PMUT的检测范围有望进一步扩展。

结论

本研究展示了基于溅射KNN薄膜的高声压PMUT，其KNN薄膜在001方向上具有良好的晶体质量和高压电系数。单个KNN PMUT在4 Vp-p的驱动电压下，谐振频率为106.3 kHz，振动幅度达到3.74 μm/V，声压级在1 cm和10 cm处分别为132.3 dB和111.6 dB，传输灵敏度比AlN基PMUT高出5-10倍。通过结构设计、封装优化和定制电子器件，PMUT的性能有望进一步提升。

在触觉反馈、扬声器和测距仪等应用中，KNN PMUT展示了其高声压和低驱动电压的优势。未来，这种PMUT有望在声学冷却、便携式超声成像、心血管监测、无损检测、流量计、水下成像和声学镊子等领域得到广泛应用。

研究亮点

1. 高声压输出：KNN PMUT在低驱动电压下实现了高声压输出，比AlN基PMUT高出5-10倍。
2. 多功能应用：在触觉反馈、扬声器和测距仪等应用中展示了其强大的性能。
3. 无铅材料：KNN作为无铅压电材料，具有较高的压电系数和较低的介电常数，适用于多种应用场景。
4. 创新设计：通过差分驱动和双电极几何结构，最大限度地利用了压电膜，提升了输出性能。

本研究为高声压PMUT的设计和应用提供了新的思路，展示了其在多种领域中的巨大潜力。