在过去的70年里，超声换能器已广泛应用于工业和生物医学领域，例如无损评估、医学成像和非侵入性治疗等。然而，商用空气耦合超声换能器通常体积庞大，难以集成到消费电子产品中，从而阻碍了空中超声应用的进一步发展。
据麦姆斯咨询报道，近期，由台湾国立成功大学Chih-Hsien Huang副教授和Yeong-Her Wang特聘教授领导的科研团队开发了第一个使用溶胶-凝胶锆钛酸铅（PZT）薄膜的空气耦合压电式微机械超声换能器（PMUT），从而助力空中超声应用的实现。首先，研究人员确定了制备高剩余极化强度PZT薄膜的沉积条件。然后，采用圆板模型设计了谐振频率接近40 kHz的空气耦合PMUT。本文所提出的PMUT阵列的输出压力可以满足大多数空中超声应用的要求。相关研究成果以“Development of an Air-Coupled Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducer Using Sol-Gel PZT Thin Film for Fast-Prototyping”为题发表在IEEE Open Journal of Ultrasonics, Ferroelectrics, and Frequency Control期刊上。
为了验证这种基于溶胶-凝胶PZT薄膜的PMUT，这项研究使用商业前驱体沉积PZT薄膜作为PMUT的致动层。根据先前的研究，Pt和PZT的热膨胀系数相似，可以防止快速热退火过程中出现裂纹。因此，在本研究中，通过电子束蒸发将20nm Ti和250nm Pt沉积到Si衬底上，其中Ti用作粘合层。下图显示了使用溶胶-凝胶法沉积PZT薄膜的过程。在优化了溶胶-凝胶PZT薄膜的沉积工艺后，研究人员证明了使用该薄膜制备40 kHz PMUT的可行性。
基于溶胶-凝胶法的PZT薄膜的制备过程
本文所提出PMUT的结构
以溶胶-凝胶PZT薄膜为压电层制备PMUT的工艺流程如下图所示。为了研究用所提出的方法制作PMUT阵列的可行性，本研究建立了基于k-Wave的仿真平台来评估PMUT阵列的声压。
使用溶胶-凝胶PZT薄膜作为致动层制备PMUT的工艺流程
研究人员按照设计制作了半径为600 ~ 775 μm的PMUT，并评估了其输出声压。其中，当以10 Vpp驱动时，半径为725 μm的PMUT在上方3 cm的最大声压输出为4.42 Pa，共振频率为40.48 kHz。利用k-Wave工具箱计算了半径为725 μm的溶胶-凝胶PMUT相控阵的输出压力。当聚焦在11 × 11像素PMUT阵列上方3 cm处时，输出压力达到365.62 Pa。因此，所提出的PMUT阵列的输出声压可以满足大多数空中超声应用的要求。
PMUT的正面和背面空腔的照片
11 × 11像素PMUT阵列焦平面（阵列上方3 cm）的模拟声压分布。PMUT的半径为725 μm，单元间距为1700 μm。
总而言之，这项研究通过展示一种使用溶胶-凝胶PZT薄膜制备空气耦合PMUT的新方法，提供了一种具有良好的可靠性且对设备要求低的PMUT空中超声解决方案。首先，优化了溶胶-凝胶法沉积PZT薄膜的工艺。本文所提出的PZT薄膜的d₃₁为−33.9 pC/N。接下来，使用圆板模型确定PMUT的尺寸。最后，对所制备的PMUT进行了测试，并发现其与模拟结果一致。其中，当在40.48 kHz下由50 Vpp正弦波驱动时，半径为725 μm的PMUT在其上方3cm处的最大输出压力为4.42 Pa。为了进一步研究PMUT阵列的输出压力，在18.45 mm × 18.45 mm的区域内构建了11 × 11像素725 μm PMUT阵列的k-Wave模型。当将声波聚焦在虚拟PMUT阵列上方3 cm处时，模拟输出声压达到365.624 Pa。这一结果符合使用超声波产生触觉的标准。因此，所提出的方法也可以应用于其它对声压要求较低的空中超声应用，例如物体检测和粒子操控。总之，这项工作展示了第一个使用溶胶-凝胶PZT的空气耦合PMUT，并揭示了其在空中超声应用中的潜力。
论文链接：
https://ieeexplore.ieee.org/document/10521570
