压电超声换能器（PMUT）简单介绍

王蕾硕 孙文斌

摘 要：本文介绍了什么是压电超声换能器，压电超声换能器的优点及其作用，以及实际生活中的应用，以及结构设计中两种常见的薄膜结构的分析，对其核心技术MEMS（微电子技术）也有所概括。

关键词：PMUT;  MEMS ;氮化铝薄膜

一.MEMS技术部分

微细加工技术（MEMS）基于平面技术，其中两个主要方面的关键微制作技术：圆盘级工艺（包括圆片键合）和图形转移（包括各向异性和各向同性刻蚀），图形转换包括两步：光学曝光过程和物理/化学方法形成图形的过程。

㈠圆片级工艺

①衬底：可选择单晶硅，单晶石英，玻璃，熔（非晶）石英，砷化镓

②圆片清洗：

1.强氧化剂（如7：3混合的浓硫酸和双氧水）去除所有有机污染。

2.用比例5：1：1的水，双氧水和氢氧化铵组成的混合溶液去除无机剩余物污染，这一步会产生薄氧化层，如有必要则用HF去除。

3.用6：1：1的水，盐酸和双氧水混合溶液去除各种离子型污染。

③硅片氧化：硅可以表面形成一层高质量的氧化物（在纯氧，850-1150度进行），随着氧化层增长，氧化速度越来越慢。

④局部氧化：硅片局部覆盖氮化硅时该区域不会氧化，其他部分会覆盖上氧化硅。

⑤掺杂：把少量杂质加到半导体晶体里替换原来位置原子的工艺，可改变材料的导电特性。

⑥薄膜积淀：

1.物理气相积淀PVD，主要是两个方法，蒸发（对金属表面用入射电子加热蒸发，气化原子流就会到达晶片）和溅射（等离子体辉光放电）。

2.化学气相积淀CVD：先驱材料导入加热反应炉，衬底表面的化学反应导致薄膜积淀。3.电积淀：电镀，是电化学过程。

4.旋转涂布。

5.溶胶-凝胶积淀。

⑦圆片键合：将两个圆片牢固的结合在一起。三种工艺：直接键合，阳极键合，中间层键合。

㈡图形转移

①光学刻蚀：利用光刻胶，分为接触式光刻和投影式光刻。曝光后光刻胶变化有两种形式，负胶（未曝光区域被溶解去除）和正胶（曝光区域被溶解去除）。

②掩膜制作：1.用光学图形发生器，2.用电子束刻写设备。

③湿法刻蚀：

1.各向异性湿法化学刻蚀：制作了图形的衬底浸入溶液，侵蚀衬底的暴露部分，留下保护的部分。

2.各向异性湿法腐蚀：在用一定的刻蚀液刻蚀单晶材料时，会出现和晶向相关的刻蚀速率差异。原理是用OH基团侵入破坏硅-硅键。

3.湿法刻蚀的停刻：电化学停刻（加阳极电势生成氧化膜），P+停刻，介质停刻

④干法刻蚀

1.气浴刻蚀：XeF2 对硅刻蚀，对金屬和二氧化硅不敏感。

2.等离子体辅助刻蚀：等离子体辉光放电产生的电离物质轰击硅片，既可以溅射去除表面材料，还能化学反应使得表面原子转化成挥发物质被抽走。

3.反应离子深刻蚀：利用辉光放电副作用，通过化学交联形式产生聚合物质。

⑤加法工艺-剥离：用于等离子蚀刻法难以加工的金属材料。

⑥平整化

1.边条：很难去除，最好设计出避免出现边条的器件凸起图形。

2.化学机械抛光

3.聚合物平整化

4.光刻胶反刻

二.PMUT的特点和应用

㈠什么是PMUT（压电超声传感器）

PMUT基于微机械技术（MEMS）：MEMS技术是集微型传感器，微型执行器以及信号处理和控制电路，甚至接口电路，通信和电源于一体的微米尺寸机电一体化系统技术。

PMUT（压电微机械超声换能器）是利用压电材料对环境进行声学测绘的微系统。与散装超声波设备相比，PMUT更易于集成，，它们体积小，分辨率高。与电容微系统（CMUT）相比，PMUT需要低电压。

通过用电压驱动PMUT，声波被传输到周围的气体或液体中。被扫描的物体会反射声波。反射信号将启动PMUT。微系统压电层振动并产生传感器信号。通过测量PMUT驱动和反射信号之间的时间延迟，可以分析微系统与目标的距离。PMUT传感器和执行器的阵列排列可以绘制环境地图。

㈡PMUT的优点

1.千分之一的尺寸，百分之一的功耗：这种微型传感器尺寸微小，可以集成到紧凑的消费品中使其具备超声波检测能力。

2.高精度距离测量性能和宽视场：尽管尺寸小巧，这种全新的 MEMS 超声波传感器仍具有卓越的性能。

3.极其广泛的潜在应用：全新的 MEMS 超声波传感器是无人机及机器人等应用注定要选择的产品。它们也是智能音箱等智慧家庭产品的理想选择。

㈢PMUT的应用：感应测距

最新的 AR/VR 系统使用飞行时间 （ToF） 技术来测量与某个物体的距离，超声波传感器吸引了极大关注。 ToF 技术基于光线、红外线或超声波从发射到被物体反射后返回传感器之间的时间差，来测量与物体的距离。无论是光学还是红外线 ToF 技术，虽然它们非常精确，但在存在障碍物的情况下都无法用于测量，也不适合测量与玻璃或其他透明物体的距离。超声波 ToF 技术可以精确测量与物体的距离，即便这些物体具有很高的反射性，而且这种技术也不会受到物体的光照条件、尺寸和颜色的影响。

三.PMUT的设计

㈠氮化铝薄膜MEMS压电超声换能器设计和应用

1.设计：比较小的波束角（能量集中，不能太小不然旁瓣大），半径300um，频率400kHz，波长85mm;加工工艺：PiezoMUPs工艺加工，五层掩膜，基底用深反应离子刻蚀

2.机械特性：谐振频率420kHz，振幅133nm/V，Q=52，机电耦合系数=0.85%

3.PMUT用于超声多普勒测量：基于包络线的超声多普勒测量方法，大幅降低采样率，且综合了脉冲-回波法的优点。

4.PMUT用于超声测距：针对声压过小的问题，设计了更大发射功率的减薄PMUT阵列。

5.PMUT用于薄膜谐振器：进行机械门运算。具有光学开关以及声学传感器运用的光明前景，为高速谐振式机械开关提供了实现可能。

㈡空气中高灵敏度压电微机械超声换能器

本文利用高压脉冲调制的锆钛酸铅（PZT）薄膜实现了一种在空气中工作的pMUT阵列。高压脉冲对PZT极化更为有效，压电常数d31提高到105pm/V。得益于这种高性能PZT薄膜和优化的结构，所制备的pMUT（500×300μm）在其谐振频率（482khz）下实现了807nm/V位移灵敏度，无需直流偏移。与以往报道的PZT-pMUTs相比，即使薄膜较小，其灵敏度也优于它们。并对空气传输性能进行了评价。一个pMUT元件能够在10毫米的空气中产生63.分贝的声压级，只有2伏的输入。所提出的高性能pMUT显示了它在便携式电子产品中的实际应用前景。

参考文献：

[1]刘鑫鑫. 氮化铝薄膜MEMS压电超声换能器设计及应用[D].浙江大学，2019.

[2]Tao Wang， Takeshi Kobayashi， Chengkuo Lee. Highly sensitive piezoelectric micromachined ultrasonic transducer operated in air. 2016， 11（10）：558-562.

作者简介：

王蕾硕，男，汉族，河南郑州，郑州市中原区郑州大学机械与动力工程学院本科生

孙文斌，男，汉族，河南省荥阳市，郑州市中原区郑州大学机械与动力工程学院本科生

（郑州大学  河南郑州  450000）