超声换能器在许多领域都有着广泛应用，例如医学成像、无损检测和目标识别等。随着MEMS技术的日益进步，微机械超声换能器（MUT）取得了长足的进步。相比于传统的块体型超声换能器，MUT展示出了许多优势，如体积小、功耗低、可批量制造和一致性好等。其中，电容式微机械超声换能器（CMUT）可以达到较高的机电耦合系数，但是也需要较小的空气间隔和较大的偏置电压，制造难度较大。压电式微机械超声换能器（PMUT）则不需要偏置电压也可以工作。目前广泛应用的压电材料主要是锆钛酸铅（PZT）和氮化铝（AlN）。虽然AlN的压电系数比PZT低，但是AlN的介电常数更小，这使得用AlN可以达到比PZT更高的性能。
据麦姆斯咨询报道，为了获得高性能的PMUT阵列，中北大学的研究人员设计了一种以AlN为压电材料的PMUT阵列，并通过有限元分析和理论推导对其进行了动态性能分析。此外，研究人员利用安捷伦精密阻抗分析仪Aglient 4284测量了所加工的PMUT的阻抗曲线，推导出其机电耦合系数为1.6%。相关研究成果以“基于AlN的压电MEMS超声换能器阵列”为题发表在《传感器与微系统》期刊上。
基于AlN压电材料的PMUT工作原理
图1为基于AlN压电材料的PMUT的结构示意图，其由钼（Mo）/AlN/Mo压电层和刻蚀有空腔的绝缘体上硅（SOI）衬底组成。当外加电场沿着z方向时，压电层在z方向拉伸，在x、y两个方向收缩。当电场为交变电场时，压电层将呈现周期性地拉伸与收缩，从而向环境发出超声信号。
图1 基于AlN压电材料的PMUT结构示意图
基于AlN压电材料的PMUT模态分析
模态分析可用于确定PMUT工作时的振动特性。PMUT工作在谐振频率下时会向周围介质发送超声波。图2为基于AlN压电材料的PMUT的前四阶谐振频率的模态图。从图中可以看出，在一阶模态下，基于AlN压电材料的PMUT有着最大的振幅和最大的表面平均速度，因而可以实现更高的声耦合。
图2 基于AlN压电材料的PMUT前四阶模态示意图
基于AlN压电材料的PMUT一阶谐振频率
通常情况下，可以通过改变空腔的半径和振动薄膜的厚度来改变PMUT的谐振频率，由于谐振频率与空腔半径的平方成反比，空腔半径的变化对谐振频率的影响更大，因此，一般可以通过改变空腔的半径来使PMUT工作在所期望的频率。
图3 基于AlN压电材料的PMUT一阶谐振频率的影响因素
基于AlN压电材料的PMUT声场传播
图4是在COMSOL中对PMUT施加幅值为1 V、频率为0.2 MHz的激励电源时的声场传播示意图。
图4 基于AlN压电材料的PMUT声场传播示意图
基于AlN压电材料的PMUT应力分析
图5是在COMSOL中对PMUT施加幅值为1 V、频率为0.2 MHz的激励电源时压电层中的应力云图。从图中可以看出，在空腔半径的70%处应力的符号出现了反转，与理论计算结果一致。
图5 电源激励下AlN压电层的应力云图
基于AlN压电材料的PMUT形貌表征
经过MEMS标准工艺加工后获得的PMUT阵列在共聚焦显微镜下的观测情况如图6所示，其为4 × 4阵列，空腔半径为50 μm，相比于单个PMUT阵元，阵列式的PMUT机电耦合系数会有效地增加。
图6 共聚焦显微镜下基于AlN压电材料的PMUT正面观测图
基于AlN压电材料的PMUT阻抗曲线测试
研究人员用安捷伦精密阻抗分析仪Aglient 4284测试所加工的PMUT，获得其阻抗-频率曲线如图7所示。
图7 基于AlN压电材料的PMUT阻抗曲线
机电耦合系数是用来表征换能器的电能与机械能转化效率的一个重要参数，可以从阻抗曲线计算得出。从图7中可以得出，基于AlN压电材料的PMUT反谐振频率和谐振频率分别为2.38 MHz和2.36 MHz，进一步计算得到其机电耦合系数为1.6%。
综上所述，该研究通过有限元仿真软件COMSOL Multiphysics结合理论推导，对所设计的基于AlN压电材料的PMUT做了模态分析、谐振频率分析和应力分析，并优化了上电极的半径。此外，通过测量所加工的PMUT的阻抗曲线并计算出其机电耦合系数为1.6%，为后续PMUT的设计与应用提供了一定的参考价值。
论文信息：
DOI：10.13873/J.1000-9787(2022)03-0051-03
