超声换能器（Ultrasonic transducers）可以提供不受物体颜色和环境光强度影响的精确距离信息，在泊车辅助、机器人避障和存在检测等距离传感应用中发挥着重要作用。然而，传统的块体型压电换能器体积大、耗电量大，并且与集成电路（IC）工艺不兼容，这使其对于小型化和集成移动应用来说不够理想。
基于MEMS技术的压电式微机械超声换能器（PMUT）具有体积小、功耗低、灵敏度高、集成度高等优点，是扩大压电式超声换能器应用的有效解决方案。
PMUT常用的两种主要压电材料包括锆钛酸铅（PZT）和氮化铝（AlN）。其中，PZT具有较高的压电系数（e31，f≈−13.1），可以提供较大的发射声压。然而，PZT较低的介电常数（ɛ33≈854）使其接收灵敏度较低。尽管AlN的压电系数远低于PZT，但其压电系数与介电常数的比值和品质因数都优于PZT，非常适合压电传感器应用。此外，与PZT相比，AlN具有较低的沉积温度（≤300°C）以及与互补金属氧化物半导体（CMOS）制造工艺兼容的优点。因此，AlN PMUT对于距离传感应用来说是有吸引力的选择。
过去二十年来，基于AlN PMUT的超声波测距仪在距离传感方面取得的突破越来越多。然而，对于汽车泊车辅助和机器人接近传感器等采用传统空气耦合超声传感器的潜在应用，目前的PMUT还无法提供足够的声压输出以实现足够的探测范围。
近些年，已有研究尝试使用钪（Sc）掺杂AlN来增强PMUT的性能。掺钪AlN（ScxAl1-xN）保留了AlN的许多特性（例如CMOS工艺兼容性、易于沉积/蚀刻且无铅），但与纯AlN相比，具有更高的压电系数和相近的介电常数，从而可以带来更好的发射性能。不过，单个ScAlN PMUT的最大感测范围还有待进一步评估。
据麦姆斯咨询报道，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所轻量化实验室、长春理工大学以及南京航空航天大学的研究人员合作提出了一种基于Sc0.25Al0.75N双环结构的PMUT，以扩大传感距离。该PMUT实现了2.87 μm/V的大振幅和8.92%的高机电耦合因数（𝑘²𝑡）。其测距能力通过既是发射器又是接收器的单个PMUT器件进行了评估，在91 kHz的谐振频率下实现了高达6 m的距离感测，是迄今为止最远的感测距离。
该研究成果已经以“ScAlN Film-Based Piezoelectric Micromechanical Ultrasonic Transducers with Dual-Ring Structure for Distance Sensing”为题发表于Micromachines期刊，论文通讯作者为中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所轻量化实验室研究员李加东。
（a）本研究所提出PMUT的横截面和顶部示意图；（b）典型传感器的等效电路模型；（c）边缘结构示意图。
（a~e）该PMUT器件的制造工艺流程；（f）PMUT顶部SEM图像。
下图展示了研究人员开发的距离传感系统的框图。该系统由集成在单个PCB上的运算放大器、带通滤波器和收发器信号开关组成。当系统处于发射模式时，系统会发出30个脉冲串，以其谐振频率（91 kHz）激发PMUT，从而产生声压波。随后，系统切换到接收模式，由PMUT接收声波并将其转换为电压信号。前端的运算放大器（OPA）放大信号，然后由带通滤波器（BPF）滤除放大器中的带外噪声。最后，返回信号显示在示波器上。示波器可显示回波信号的电压振幅和系统噪声，以及超声波的飞行时间。通过提取最大回波信号振幅所在的时间，可以计算出到障碍物的距离。
距离传感系统框图
距离测量实验装置
总结来说，研究人员报道了一种具有特殊双环结构25%钪掺杂AlN膜的PMUT，能够实现6 m距离传感，这是迄今为止长距离传感PMUT的新记录。该PMUT的谐振频率为91 kHz，薄膜中心的振幅达到2.87 μm/V，比传统结构高出约四倍。其电阻抗测量显示出良好的电气性能，机电耦合系数为9.8%。单个PMUT能够同时充当发射器和接收器，展示了其测距能力。
测距结果表明，这种新型PMUT的最大感测距离超过了已有报道的所有PMUT。综合考虑所有结果，这种PMUT有望成为传统块体压电换能器最有前景的替代方案，进而在产品开发和功能设计中发挥重要作用，助力实现更广泛的距离传感应用。
论文链接：
https://doi.org/10.3390/mi14030516
