壓電微機(jī)械超聲換能器(PMUT)設(shè)計(jì)

近年來，基于MEMS的超聲換能器技術(shù)一直處于快速發(fā)展和增長階段，廣泛應(yīng)用于醫(yī)療陣列成像、手勢識別、內(nèi)窺成像、指紋識別等領(lǐng)域。

超聲換能器主要分為壓電微機(jī)械超聲換能器(PMUT)和電容微機(jī)械超聲換能器(CMUT)。PMUT結(jié)構(gòu)主要為微加工的壓電復(fù)合多層振動(dòng)膜，超聲波的發(fā)射和接收通過振膜的彎曲振動(dòng)來實(shí)現(xiàn)，因易與水和空氣聲阻抗匹配，集成度高，受到廣泛關(guān)注。對PMUT而言，發(fā)射電壓響應(yīng)和接收靈敏度是影響其成像質(zhì)量的關(guān)鍵因素。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，中國科學(xué)院聲學(xué)研究所聲場聲信息國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的研究人員通過對基于PMN-PT圓形壓電復(fù)合振動(dòng)膜的PMUT發(fā)射和接收等效電路模型進(jìn)行分析，并通過有限元法研究了壓電層PMN-PT厚度對PMUT性能的影響，為PMUT的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了更多思路。相關(guān)研究成果已發(fā)表于《壓電與聲光》期刊。

壓電材料是影響PMUT性能的主要因素之一，常用的壓電材料有AIN、PZT和ZnO。PMN-PT壓電材料是一種新型復(fù)合鈣鈦礦型弛豫鐵電材料，具有比PZT更高的壓電常數(shù)和機(jī)電耦合系數(shù)，且介電損耗因子僅為PZT的1/3。

該項(xiàng)研究中，研究人員選用PMN-PT作為PMUT的壓電層。為了對比不同壓電層厚度對PMUT靈敏度的影響，在建模過程中對壓電層PMN-PT厚度進(jìn)行參數(shù)化掃描，以0.2 μm為間隔，在3.3~5.3 μm內(nèi)取值，對PMN-PT振膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行有限元仿真分析。

PMUT接收靈敏度等效電路圖

PMUT的結(jié)構(gòu)示意圖

仿真結(jié)果表明，當(dāng)壓電層PMN-PT厚度逐漸增加時(shí)，發(fā)射電壓響應(yīng)級先增大后降低。當(dāng)壓電層PMN-PT厚為4.5 μm(厚度為基底厚度的90%)時(shí)，換能器的發(fā)射電壓響應(yīng)級最大，達(dá)到191.6 dB;隨著壓電層PMN-PT厚度的增加，換能器的接收靈敏度級基本呈線性上升趨勢，回路增益(損耗)也呈上升趨勢，當(dāng)壓電層PMN-PT厚度為5.1 μm(厚度為基底厚度的102%)時(shí)，回路增益(損耗)最大，達(dá)到-64.50 dB。

不同壓電層PMN-PT厚度的PMUT的發(fā)射電壓響應(yīng)級曲線

不同壓電層PMN-PT厚度的PMUT的接收靈敏度級曲線圖

不同壓電層PMN-PT厚度的PMUT的回路增益(損耗)曲線

綜合而言，通過調(diào)整壓電材料并進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化可以有效提高PMUT的靈敏度，該研究為設(shè)計(jì)開發(fā)更高靈敏度的PMUT提供了一定的指導(dǎo)。

審核編輯：湯梓紅