超聲換能器在許多領(lǐng)域都有著廣泛應(yīng)用，例如醫(yī)學(xué)成像、無損檢測(cè)和目標(biāo)識(shí)別等。隨著MEMS技術(shù)的日益進(jìn)步，微機(jī)械超聲換能器（MUT）取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步。相比于傳統(tǒng)的塊體型超聲換能器，MUT展示出了許多優(yōu)勢(shì)，如體積小、功耗低、可批量制造和一致性好等。其中，電容式微機(jī)械超聲換能器（CMUT）可以達(dá)到較高的機(jī)電耦合系數(shù)，但是也需要較小的空氣間隔和較大的偏置電壓，制造難度較大。壓電式微機(jī)械超聲換能器（PMUT）則不需要偏置電壓也可以工作。目前廣泛應(yīng)用的壓電材料主要是鋯鈦酸鉛（PZT）和氮化鋁（AlN）。雖然AlN的壓電系數(shù)比PZT低，但是AlN的介電常數(shù)更小，這使得用AlN可以達(dá)到比PZT更高的性能。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，為了獲得高性能的PMUT陣列，中北大學(xué)的研究人員設(shè)計(jì)了一種以AlN為壓電材料的PMUT陣列，并通過有限元分析和理論推導(dǎo)對(duì)其進(jìn)行了動(dòng)態(tài)性能分析。此外，研究人員利用安捷倫精密阻抗分析儀Aglient 4284測(cè)量了所加工的PMUT的阻抗曲線，推導(dǎo)出其機(jī)電耦合系數(shù)為1.6%。相關(guān)研究成果以“基于AlN的壓電MEMS超聲換能器陣列”為題發(fā)表在《傳感器與微系統(tǒng)》期刊上。

基于AlN壓電材料的PMUT工作原理

圖1為基于AlN壓電材料的PMUT的結(jié)構(gòu)示意圖，其由鉬（Mo）/AlN/Mo壓電層和刻蝕有空腔的絕緣體上硅（SOI）襯底組成。當(dāng)外加電場(chǎng)沿著z方向時(shí)，壓電層在z方向拉伸，在x、y兩個(gè)方向收縮。當(dāng)電場(chǎng)為交變電場(chǎng)時(shí)，壓電層將呈現(xiàn)周期性地拉伸與收縮，從而向環(huán)境發(fā)出超聲信號(hào)。

圖1 基于AlN壓電材料的PMUT結(jié)構(gòu)示意圖

基于AlN壓電材料的PMUT模態(tài)分析

模態(tài)分析可用于確定PMUT工作時(shí)的振動(dòng)特性。PMUT工作在諧振頻率下時(shí)會(huì)向周圍介質(zhì)發(fā)送超聲波。圖2為基于AlN壓電材料的PMUT的前四階諧振頻率的模態(tài)圖。從圖中可以看出，在一階模態(tài)下，基于AlN壓電材料的PMUT有著最大的振幅和最大的表面平均速度，因而可以實(shí)現(xiàn)更高的聲耦合。

圖2 基于AlN壓電材料的PMUT前四階模態(tài)示意圖

基于AlN壓電材料的PMUT一階諧振頻率

通常情況下，可以通過改變空腔的半徑和振動(dòng)薄膜的厚度來改變PMUT的諧振頻率，由于諧振頻率與空腔半徑的平方成反比，空腔半徑的變化對(duì)諧振頻率的影響更大，因此，一般可以通過改變空腔的半徑來使PMUT工作在所期望的頻率。

圖3 基于AlN壓電材料的PMUT一階諧振頻率的影響因素

基于AlN壓電材料的PMUT聲場(chǎng)傳播

圖4是在COMSOL中對(duì)PMUT施加幅值為1 V、頻率為0.2 MHz的激勵(lì)電源時(shí)的聲場(chǎng)傳播示意圖。

圖4 基于AlN壓電材料的PMUT聲場(chǎng)傳播示意圖

基于AlN壓電材料的PMUT應(yīng)力分析

圖5是在COMSOL中對(duì)PMUT施加幅值為1 V、頻率為0.2 MHz的激勵(lì)電源時(shí)壓電層中的應(yīng)力云圖。從圖中可以看出，在空腔半徑的70%處應(yīng)力的符號(hào)出現(xiàn)了反轉(zhuǎn)，與理論計(jì)算結(jié)果一致。

圖5 電源激勵(lì)下AlN壓電層的應(yīng)力云圖

基于AlN壓電材料的PMUT形貌表征

經(jīng)過MEMS標(biāo)準(zhǔn)工藝加工后獲得的PMUT陣列在共聚焦顯微鏡下的觀測(cè)情況如圖6所示，其為4 × 4陣列，空腔半徑為50 μm，相比于單個(gè)PMUT陣元，陣列式的PMUT機(jī)電耦合系數(shù)會(huì)有效地增加。

圖6 共聚焦顯微鏡下基于AlN壓電材料的PMUT正面觀測(cè)圖

基于AlN壓電材料的PMUT阻抗曲線測(cè)試

研究人員用安捷倫精密阻抗分析儀Aglient 4284測(cè)試所加工的PMUT，獲得其阻抗-頻率曲線如圖7所示。

圖7 基于AlN壓電材料的PMUT阻抗曲線

機(jī)電耦合系數(shù)是用來表征換能器的電能與機(jī)械能轉(zhuǎn)化效率的一個(gè)重要參數(shù)，可以從阻抗曲線計(jì)算得出。從圖7中可以得出，基于AlN壓電材料的PMUT反諧振頻率和諧振頻率分別為2.38 MHz和2.36 MHz，進(jìn)一步計(jì)算得到其機(jī)電耦合系數(shù)為1.6%。

綜上所述，該研究通過有限元仿真軟件COMSOL Multiphysics結(jié)合理論推導(dǎo)，對(duì)所設(shè)計(jì)的基于AlN壓電材料的PMUT做了模態(tài)分析、諧振頻率分析和應(yīng)力分析，并優(yōu)化了上電極的半徑。此外，通過測(cè)量所加工的PMUT的阻抗曲線并計(jì)算出其機(jī)電耦合系數(shù)為1.6%，為后續(xù)PMUT的設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供了一定的參考價(jià)值。

審核編輯：彭菁