基于AlN壓電材料的PMUT的模態(tài)分析

超聲換能器在許多領域都有著廣泛應用，例如醫(yī)學成像、無損檢測和目標識別等。隨著MEMS技術的日益進步，微機械超聲換能器（MUT）取得了長足的進步。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，如體積小、功耗低、可批量制造和一致性好等。其中，電容式微機械超聲換能器（CMUT）可以達到較高的機電耦合系數，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的壓電系數比PZT低，但是AlN的介電常數更小，這使得用AlN可以達到比PZT更高的性能。

據麥姆斯咨詢報道，為了獲得高性能的PMUT陣列，中北大學的研究人員設計了一種以AlN為壓電材料的PMUT陣列，并通過有限元分析和理論推導對其進行了動態(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測量了所加工的PMUT的阻抗曲線，推導出其機電耦合系數為1.6%。相關研究成果以“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的結構示意圖，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。當外加電場沿著z方向時，壓電層在z方向拉伸，在x、y兩個方向收縮。當電場為交變電場時，壓電層將呈現周期性地拉伸與收縮，從而向環(huán)境發(fā)出超聲信號。

圖1 基于AlN壓電材料的PMUT結構示意圖

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工作時的振動特性。PMUT工作在諧振頻率下時會向周圍介質發(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，因而可以實現更高的聲耦合。

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聲場傳播

圖4是在COMSOL中對PMUT施加幅值為1 V、頻率為0.2 MHz的激勵電源時的聲場傳播示意圖。

圖4 基于AlN壓電材料的PMUT聲場傳播示意圖

基于AlN壓電材料的PMUT應力分析

圖5是在COMSOL中對PMUT施加幅值為1 V、頻率為0.2 MHz的激勵電源時壓電層中的應力云圖。從圖中可以看出，在空腔半徑的70%處應力的符號出現了反轉，與理論計算結果一致。

圖5 電源激勵下AlN壓電層的應力云圖

基于AlN壓電材料的PMUT形貌表征

經過MEMS標準工藝加工后獲得的PMUT陣列在共聚焦顯微鏡下的觀測情況如圖6所示，其為4 × 4陣列，空腔半徑為50 μm，相比于單個PMUT陣元，陣列式的PMUT機電耦合系數會有效地增加。

圖6 共聚焦顯微鏡下基于AlN壓電材料的PMUT正面觀測圖

基于AlN壓電材料的PMUT阻抗曲線測試

研究人員用安捷倫精密阻抗分析儀Aglient 4284測試所加工的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

機電耦合系數是用來表征換能器的電能與機械能轉化效率的一個重要參數，可以從阻抗曲線計算得出。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，進一步計算得到其機電耦合系數為1.6%。

綜上所述，該研究通過有限元仿真軟件COMSOL Multiphysics結合理論推導，對所設計的基于AlN壓電材料的PMUT做了模態(tài)分析、諧振頻率分析和應力分析，并優(yōu)化了上電極的半徑。此外，通過測量所加工的PMUT的阻抗曲線并計算出其機電耦合系數為1.6%，為后續(xù)PMUT的設計與應用提供了一定的參考價值。

審核編輯：彭菁