Progrès dans les transducteurs ultrasonores piézoélectriques micromécaniques à haute pression acoustique

Contexte académique

Les transducteurs ultrasonores sont largement utilisés dans la détection d’objets, les tests non destructifs, l’imagerie biomédicale et les traitements thérapeutiques. Comparés aux transducteurs ultrasonores traditionnels, les transducteurs ultrasonores piézoélectriques micromécaniques (PMUTs) offrent des avantages tels qu’une petite taille, une faible consommation d’énergie et une large bande passante, ce qui les rend adaptés à des applications dans l’électronique grand public et l’Internet des objets (IoT), comme la télémétrie, la reconnaissance de gestes, la détection d’empreintes digitales et l’imagerie 3D. Cependant, ces petits capteurs ont une pression de sortie relativement faible, ce qui limite leur capacité de transmission de signal dans diverses applications. Par exemple, les réseaux de PMUTs basés sur l’azoture d’aluminium (AlN) les plus avancés ne peuvent atteindre qu’une distance de transmission de 4 mètres. Pour étendre l’utilisation des PMUTs dans des applications telles que le retour haptique en l’air, les haut-parleurs et les pinces acoustiques, le principal défi réside dans l’obtention d’un niveau de pression acoustique de sortie (SPL) élevé.

Les caractéristiques de transmission des PMUTs sont principalement définies par la conception de la structure mécanique et le matériau piézoélectrique actif, ce qui conduit à la recherche de nouveaux matériaux pour améliorer les performances. Bien que l’AlN soit le matériau piézoélectrique le plus couramment utilisé, son coefficient piézoélectrique est relativement faible (e31;f ≈ -1 C/m²). En ajustant la composition du matériau, comme l’AlN dopé au scandium (ScAlN) à 36 %, le coefficient piézoélectrique peut être augmenté à -2,3 C/m². Cependant, les matériaux contenant du plomb comme le zirconate titanate de plomb (PZT), bien qu’ils puissent produire une pression de sortie plus élevée, ont une sensibilité de réception faible en raison de leur constante diélectrique élevée, et la présence de plomb limite également leur utilisation dans certaines applications. Par conséquent, la recherche de matériaux piézoélectriques sans plomb pour améliorer davantage les performances des PMUTs est devenue un point focal.

Source de l’article

Cet article, rédigé par 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 et Liwei Lin, a été publié en 2024 dans la revue Microsystems & Nanoengineering. L’article détaille la conception, la fabrication et les applications des PMUTs à haute pression acoustique basés sur des films de niobate de potassium-sodium (KNN) déposés par pulvérisation, dans les domaines du retour haptique, des haut-parleurs et des télémètres.

Processus de recherche

Conception et fabrication

Le processus de transduction des PMUTs implique trois domaines énergétiques : électrique, mécanique et acoustique. Les PMUTs convertissent les signaux d’excitation électrique en ondes acoustiques via un couplage électro-mécanique-acoustique. Le PMUT conçu dans cet article utilise une structure de membrane unimorphe circulaire, composée d’une couche piézoélectrique active de 2 µm d’épaisseur en KNN et d’une couche élastique de 5 µm d’épaisseur en silicium. La géométrie à double électrode améliore le déplacement vibratoire et la pression de sortie grâce à un entraînement différentiel. Les simulations montrent que le mode de flexion fondamental du PMUT présente un point d’inflexion de contrainte à 67 % du rayon dans des conditions de bord fixe, et que la configuration d’entraînement différentiel maximise l’utilisation de la membrane piézoélectrique pour augmenter la sortie.

Le processus de fabrication commence par le dépôt d’une couche d’adhésion en oxyde de zinc (ZnO) de 25 nm et d’une couche d’électrode inférieure en platine (Pt) de 200 nm sur un wafer de silicium de 6 pouces. Ensuite, un film de KNN de 2 µm d’épaisseur est déposé par pulvérisation magnétron RF à 500 °C. Une couche d’oxyde de ruthénium (RuO2) de 10 nm et une couche de Pt de 100 nm sont ensuite déposées et structurées pour former les électrodes supérieures circulaires intérieures et annulaires extérieures. Des vias sont créés dans le film de KNN par gravure humide pour accéder à l’électrode inférieure, et la cavité arrière en silicium est définie par un processus de gravure ionique réactive profonde (DRIE).

Caractérisation et tests

La structure cristalline du film de KNN et les caractéristiques mécaniques des PMUTs ont été caractérisées par diffraction des rayons X (XRD) et microscopie électronique à balayage (SEM). Les résultats XRD montrent que le film de KNN présente une bonne cristallinité, et les images SEM révèlent la structure multicouche des PMUTs et l’épaisseur de chaque couche. Les tests électriques montrent que la fréquence de résonance des PMUTs diminue de 241 kHz à 21,2 kHz à mesure que le rayon de la membrane augmente. Les tests de vibration mécanique montrent que le déplacement central du PMUT atteint 1,23 µm sous une excitation de 200 mVp-p, avec une sensibilité de déplacement de 12,3 µm/V.

Les tests acoustiques montrent que le niveau de pression acoustique (SPL) du PMUT atteint 133 dB à une distance axiale de 1 cm et 111,6 dB à 10 cm, avec une sensibilité de transmission 5 à 10 fois supérieure à celle des PMUTs basés sur l’AlN. L’étude du comportement non linéaire montre que la fréquence de vibration du PMUT dérive avec l’augmentation du déplacement, conformément au modèle de non-linéarité de Duffing.

Principaux résultats

Application en retour haptique

Un réseau de 15×15 PMUTs en KNN, sous une tension d’entraînement de 12 Vp-p, peut générer une pression focale de 2900 Pa à une distance de 15 mm, correspondant à un SPL de 160,3 dB. Il s’agit de la pression de sortie la plus élevée jamais atteinte par un réseau de PMUTs en l’air en tant qu’actionneur haptique. Grâce à un schéma de modulation de largeur d’impulsion (PWM), le réseau de PMUTs peut produire une stimulation haptique sans contact sur la paume de la main humaine, avec un retour haptique instantané dans 90 % des tests sur des volontaires.

Application en haut-parleur

Un seul élément PMUT, avec une fréquence de résonance de 22,8 kHz, peut générer un SPL de 105 dB à une distance axiale de 3 cm. En utilisant un schéma de modulation d’amplitude (AM), le PMUT peut produire une sortie acoustique uniforme dans la plage audible de 20 Hz à 20 kHz, avec un SPL d’environ 85 dB. Bien que cette structure ne soit pas encore optimisée pour les applications de haut-parleur, la génération réussie de sons audibles démontre la forte capacité de sortie du PMUT en KNN.

Application en télémètre

Grâce à des mesures d’écho pulsé, un seul élément PMUT peut détecter des objets jusqu’à une distance de 2,82 m, démontrant une bonne capacité de transmission et de réception. Les mesures d’écho pulsé montrent que l’amplitude de l’écho à une distance de 1,5 m est de 0,32 mV, avec un temps de vol (TOF) de 8,6 ms. En optimisant la conception du réseau et l’encapsulation acoustique, la portée de détection du PMUT pourrait être encore étendue.

Conclusion

Cette étude présente des PMUTs à haute pression acoustique basés sur des films de KNN déposés par pulvérisation, avec une bonne qualité cristalline dans l’orientation 001 et un coefficient piézoélectrique élevé. Un seul PMUT en KNN, sous une tension d’entraînement de 4 Vp-p, atteint une fréquence de résonance de 106,3 kHz, une amplitude de vibration de 3,74 µm/V et un SPL de 132,3 dB à 1 cm et 111,6 dB à 10 cm, avec une sensibilité de transmission 5 à 10 fois supérieure à celle des PMUTs basés sur l’AlN. Grâce à des conceptions structurelles, des optimisations d’encapsulation et des circuits électroniques personnalisés, les performances des PMUTs pourraient être encore améliorées.

Dans les applications de retour haptique, de haut-parleurs et de télémètres, les PMUTs en KNN démontrent leurs avantages en termes de haute pression acoustique et de faible tension d’entraînement. À l’avenir, ces PMUTs pourraient trouver des applications dans le refroidissement acoustique, l’imagerie ultrasonore portable, la surveillance cardiovasculaire, les tests non destructifs, les débitmètres, l’imagerie sous-marine et les pinces acoustiques.

Points forts de la recherche

1. Haute pression acoustique : Les PMUTs en KNN atteignent une pression acoustique élevée sous une faible tension d’entraînement, surpassant les PMUTs basés sur l’AlN par un facteur de 5 à 10.
2. Applications polyvalentes : Ils démontrent des performances solides dans les domaines du retour haptique, des haut-parleurs et des télémètres.
3. Matériau sans plomb : Le KNN, en tant que matériau piézoélectrique sans plomb, possède un coefficient piézoélectrique élevé et une constante diélectrique relativement faible, ce qui le rend adapté à diverses applications.
4. Conception innovante : Grâce à l’entraînement différentiel et à la géométrie à double électrode, l’utilisation de la membrane piézoélectrique est maximisée, améliorant ainsi les performances de sortie.

Cette étude ouvre de nouvelles perspectives pour la conception et l’application des PMUTs à haute pression acoustique, démontrant leur potentiel dans de nombreux domaines.