在超声波领域，水听器可被描述为用于将水下声压转换为电信号的器件。人们可以用瞬时声压、声强度、峰值压缩（P+）和峰值稀疏（P-）压力等来表征水听器中的超声换能器。如今，无论发射换能器的尺寸、频率和工作距离如何，开发适用于高性能生物医学应用的水听器已成为当今的一项挑战。一些研究人员和公司正在应对这一挑战。在此背景下，微机电系统（MEMS）行业的快速发展使得开发和研究基于微机械超声换能器（MUT）的小型新型水听器系统的潜力成为可能。
据麦姆斯咨询报道，近期，西班牙巴塞罗那自治大学（UAB）的科研团队提出了一种基于PMUT-on-CMOS的微型单芯片水听器，其具有高接收灵敏度和低噪声。该系统基于三种不同的Sc9.5%Al90.5%N PMUT几何结构：（a）边长为80 μm的正方形；（b）尺寸为60 μm x 40 μm的长方形；（c）外径为80 μm的环形，可在离传感器非常近的距离进行声学测量。每个器件都与增益为25 dB的CMOS低噪声放大器（LNA）单芯片集成。此次开发的水听器原型在水中进行了验证，ONDA的两个商用水听器（HGL-0085和HNC-0200）被用于参考。实验结果表明，（a）、（b）和（c）的平均接收灵敏度分别为-234 dB re 1V/Pa（相当于1.9 V/MPa）、-234.6 dB re 1V/Pa（相当于1.86 V/MPa）和-238.3 dB re 1V/Pa（相当于1.22 V/MPa）。这些结果证明了所提出的PMUT-on-CMOS具有高性能，可用于表征高频超声换能器的微型水听器。上述研究成果以“A Single-chip AlScN PMUTs-on-CMOS hydrophone”为题发表于IEEE Sensors Journal期刊。
本文所提出的PMUT-on-CMOS水听器基于三种不同几何形状（方形、矩形和环形）的PMUT，这些PMUT与CMOS电路单片集成。Silterra公司的商用MEMS-on-CMOS平台已通过PMUT器件验证，被用于制造该水听器原型。
图1（a）顶部显示了基于PMUT-on-CMOS的单个水听器的总体框图。输入的超声波由 PMUT转换，其顶部电极连接到接收通道（RX），底部电极接地。RX模块由一个增益为25 dB的CMOS LNA和一个用于测试的50 Ω输出缓冲器构成。总接收面积很小（6 x 10⁻⁴ mm²），这确保了紧凑的设计，在本研究中，总面积将受到PMUT尺寸的限制。图1（a）底部显示了集成在CMOS LNA前端和电焊盘上的PMUT的最终布局。用作水听器的PMUT用青色标出。所有的PMUT都是固支结构。
图1 PMUT-on-CMOS水听器设计
图1（b）显示了单个PMUT-on-CMOS器件的横截面示意图。它由通过PECVD沉积的9.5% Sc掺杂AlN（Sc9.5%Al90.5%N）的600 nm单晶层组成，并夹在两个Al电极之间，顶部和底部电极的厚度分别为200 nm和150 nm。最后的PMUT层是1500 nm的Si3N4，它被用作为金属电极提供绝缘和防水功能的弹性层。
研究人员使用OPTEL的商用超声换能器（直径为5 mm、中心频率为5 MHz）作为发射元件，对水听器的声学特性进行了表征，实验设置如图2所示。ONDA的两个商用水听器（连接到各自的前置放大器）和单芯片PMUT-on-CMOS水听器被用于测量声压。
图2 水听器的水下实验设置
图3显示了每个单个PMUT-on-CMOS和商用水听器的接收灵敏度（dB re 1V/μPa），以便进行比较。结果显示，所提出的PMUT-on-CMOS水听器实现了高接收灵敏度，在1 MHz至10 MHz的带宽上，方形、矩形和环形PMUT的平均值分别为-234 dB re 1V/μPa（相当于1.9 V/MPa）、-234.6 dB re 1V//μPa（相当于1.86 V/MPa）和-238.3 dB re 1V/μPa（相当于1.22 V/MPa）。商用水听器的灵敏度是从ONDA的给定校准中提取的，在这两种情况下都考虑了前置放大器增益。单看方形PMUT-on-CMOS水听器，其平均接收灵敏度比HGL-0085（尺寸几乎相同）高30 dB，比HNC-0200（尺寸小60%）高15 dB，显示了所提出的PMUT-on-CMOS水听器的潜力。
图3 不同水听器的实验接收灵敏度曲线
最小可测量声压由噪声等效声压（NEP）描述。于是，研究人员通过计算出NEP来估算水听器可测量的最小声压水平。根据计算结果，所提出的PMUT-on- CMOS水听器能够检测到声压值更小的声信号。此外，对于矩形和环形PMUT-on-CMOS水听器，其接收灵敏度可获得低于200 Pa的NEP，而ONDA水听器则无法做到这一点。测量结果表明，PMUT-on-CMOS水听器在接收加载灵敏度和噪声等效声压方面优于同等尺寸的商用水听器。
综上所述，这项研究提出了一种基于微型PMUT-on-CMOS的新型MEMS水听器。所提出的单芯片水听器（面积为1.9 mm x 1.5 mm）提供三种设计（方形、矩形和环形PMUT），与CMOS-LNA放大器单片集成。初步原型在水中进行了表征，并与ONDA的两款商用水听器HGL-0085和HNC-0200进行了比较，主要结果显示出其具有竞争力的价值。文中总结了PMUT-on-CMOS LNA作为水听器工作的主要特性以及与一些商用产品的比较。PMUT-on-CMOS水听器所实现的高灵敏度约为-236 dB（考虑到三个PMUT-on-CMOS的平均值），而尺寸几乎相同的水听器（HGL-0085 + 前置放大器）的灵敏度为-266 dB，或更大的水听器（HNC-0200 + 前置放大器）的灵敏度为-247 dB。另一个优点是噪声等效压力（NEP），PMUT-on-CMOS系统可以检测到低于150 Pa的声压水平。
这种基于PMUT与CMOS电路单片集成的水听器设计新方法，为在单个芯片上开发多个独立的读取点开辟了道路，从而为声场检测开辟了新的策略，这种水听器具有高灵敏度、低噪声的特点，并且能够将其放置在靠近发射源的位置。
论文信息：DOI: 10.1109/JSEN.2024.3401455
