超声换能器已被广泛应用于物体检测、无损检测（NDT）、生物医学成像和治疗等。与块体型超声换能器相比，占位面积小的压电式微机械超声换能器（PMUT）具有低功耗和宽带宽的优势，可用于消费电子产品和物联网（IoT）等多种领域，例如ToF测距、手势识别、指纹传感和3D成像。然而，这些小型PMUT传感器的输出声压相对较低，这限制了其在各种应用中的信号传输。如果要扩大PMUT在隔空触觉、扬声器和声镊等领域中的使用，主要挑战在于实现高声压级（SPL）输出。
PMUT的发射特性主要由其机械结构设计和有源压电材料决定，对更高性能的追求促使对新材料的需求不断增加。
据麦姆斯咨询报道，近日，美国加州大学伯克利分校（University of California，Berkeley）、东南大学、西安交通大学等机构的研究人员组成的团队提出了一种基于溅射铌酸钾钠K0.34Na0.66NbO3（KNN）薄膜的空气耦合PMUT，其在低驱动电压下具有高声压级输出。测试结果表明，单个KNN PMUT原型在4 Vp-p驱动下的谐振频率为106.3 kHz，并表现出以下优异特性：（1）3.74 μm/V电压下的大振幅；（2）在10 cm处达到105.5 dB/V的高声学RMS声压级，比类似频率下基于氮化铝（AlN）的PMUT高5-10倍。为了突出这种高声压级KNN PMUT的优势，研究人员展示了其在触觉、扬声器和测距仪中的潜在应用。具体而言，（1）使用15 × 15 KNN PMUT阵列通过脉宽调制（PWM）以人类感知范围内的频率产生触觉刺激；（2）使用振幅调制（AM）方案将谐振频率接近可听范围的单个PMUT作为扬声器进行测试；（3）基于脉冲回波测量，将单个PMUT作为机载测距仪，证明其具有良好的收发能力。因此，这种新型高声压级和低驱动电压的PMUT可进一步扩展到其它需要高声压和小型化设计的应用中。上述研究成果以“High sound pressure piezoelectric micromachined ultrasonic transducers using sputtered potassium sodium niobate”为题发表于Microsystems & Nanoengineering期刊。
PMUT通过“电-机械-声”耦合将电激励信号转化为声波。如图1a所示，工作振膜通常由压电层和弹性层构成，称为单压电晶片振膜（unimorph diaphragm）。当外部电场施加到振膜上时，压电层通过逆压电效应产生面内应变。弹性层将整个层叠的中性面偏离压电层的中面，产生弯矩，从而导致振膜发生离面位移。当施加交流电压（AC）时，振膜沿横向周期性振动，即所谓的挠曲模式。这种机械振动推动周围介质粒子振动，最终向环境发射声波。
图1 KNN PMUT结构及制造工艺
KNN PMUT的制造工艺流程如图1c所示：（i）在绝缘体上硅（SOI）晶圆上沉积底部电极和KNN薄膜；（ii）沉积顶部电极并进行图案化；（iii）蚀刻KNN薄膜以形成通孔；（iv）形成氧化物硬掩模并进行承载晶圆（handle wafer）键合；（v）背面蚀刻Si，以埋入的氧化物作为蚀刻终止点；（vi）去除承载晶圆和氧化物层。
研究人员对制造的KNN PMUT进行了表征，结果如图2所示。图2a显示了使用X射线衍射（XRD）对溅射KNN薄膜的晶体结构进行的检测。图2b显示了具有不同孔径的PMUT器件的背面图像，展示了设计和制造不同谐振频率器件的灵活性。图2c中的光学俯视图突出了PMUT的良好表面形貌。图2d-f中的横截面扫描电子显微镜（SEM）图像显示了清晰的背面硅腔、紧密堆叠的Pt/RuO2/KNN/Pt/ZnO/SiO2/Si多层振膜结构以及各层的厚度（1.9 μm厚的KNN和5.2 μm厚的Si器件层）。
图2 KNN PMUT表征结果
接着，研究人员对制造的KNN PMUT进行了电气、机械和声学特性研究，结果如图3所示。
图3 KNN PMUT电气、机械和声学特性
触觉界面可以通过刺激位于皮肤下的机械感受器来提供触觉反馈，从而丰富人机交互。近年来，隔空触觉刺激因其快速致动、精细的时空分辨率和不受皮肤表面变化影响等方面的优势而备受关注。然而，基于块体型超声换能器的非接触式触觉系统具有非常大的外形尺寸（宽度达数十厘米），使其不适合手持式或穿戴式应用。
研究人员提出了一种由15 × 15 KNN PMUT阵列构成的隔空触觉界面装置。如图4a所示，PMUT阵列产生的超声波在空气中传播，到达空气-皮肤界面时会在机械感受器上引起振动，从而产生触觉感知。该PMUT阵列原型覆盖总面积为2 cm × 2 cm，声压场评估显示，阵列在没有波束聚焦的情况下，其自然焦点距离振膜表面约为15 mm（如图4b所示）。发射的超声波通过脉宽调制方案被调制为低频信号，因为机械感受器无法感知超声频率信号。图4c显示了激励信号，其载波频率为92.4 kHz，与PMUT阵列的谐振频率相符。该信号被调制为200 Hz，这是机械感受器更敏感的频率范围内的信号。KNN PMUT的发射性能在不同电压下进行了分析，结果汇总于图4d中。
图4 KNN PMUT阵列作为触觉执行器的性能评估
此外，在仅12 Vp-p的驱动电压下，KNN PMUT的发射灵敏度为120.8 Pa/cm²/V，至少是相似频率下AlN PMUT的两倍。由于达到的压力超过1 kPa的最小感知阈值，90%的志愿者在测试中都实现了即时的非接触触觉刺激，感受到了类似风感的触觉体验。
最后，研究人员还进行了单个KNN PMUT分别作为扬声器和机载测距仪的性能评估。
综上所述，这项研究提出了一种基于溅射的KNN的PMUT，其中KNN薄膜在001取向上表现出良好的晶体质量，具有较高的压电系数。使用单个KNN PMUT（在4 Vp-p下谐振频率为106.3 kHz）来评估发射性能，获得了高达3.74 μm/V的大振幅和2.52 m/s/V的速度。得益于高表面速度，在轴向距离1 cm处可获得132.3 dB SPL的输出声压，在轴向距离10 cm处达到111.6 dB SPL。相应的发射灵敏度比最先进的基于AlN的PMUT高出5-10倍。其潜在应用包括声学冷却、便携式和穿戴式超声成像、心血管和水肿监测、血管内超声成像（IVUS）、体外和间质高强度聚焦超声（HIFU）、无损检测、流量计、水下成像、粒子操纵和声镊。
未来的研究方向可能包括：通过结构设计增强多域耦合效应并扩展带宽，优化封装设计以改善与环境的声耦合，开发定制电子设备以提高驱动效率，以及针对实际应用开展环境敏感性和长期可靠性研究。
论文链接：
https://doi.org/10.1038/s41378-024-00841-y
