壓電超聲換能器（PMUT）簡單介紹

王蕾碩 孫文斌

摘 要：本文介紹了什么是壓電超聲換能器，壓電超聲換能器的優點及其作用，以及實際生活中的應用，以及結構設計中兩種常見的薄膜結構的分析，對其核心技術MEMS（微電子技術）也有所概括。

關鍵詞：PMUT; ?MEMS ;氮化鋁薄膜

一.MEMS技術部分

微細加工技術（MEMS）基于平面技術，其中兩個主要方面的關鍵微制作技術：圓盤級工藝（包括圓片鍵合）和圖形轉移（包括各向異性和各向同性刻蝕），圖形轉換包括兩步：光學曝光過程和物理/化學方法形成圖形的過程。

㈠圓片級工藝

①襯底：可選擇單晶硅，單晶石英，玻璃，熔（非晶）石英，砷化鎵

②圓片清洗：

1.強氧化劑（如7：3混合的濃硫酸和雙氧水）去除所有有機污染。

2.用比例5：1：1的水，雙氧水和氫氧化銨組成的混合溶液去除無機剩余物污染，這一步會產生薄氧化層，如有必要則用HF去除。

3.用6：1：1的水，鹽酸和雙氧水混合溶液去除各種離子型污染。

③硅片氧化：硅可以表面形成一層高質量的氧化物（在純氧，850-1150度進行），隨著氧化層增長，氧化速度越來越慢。

④局部氧化：硅片局部覆蓋氮化硅時該區域不會氧化，其他部分會覆蓋上氧化硅。

⑤摻雜：把少量雜質加到半導體晶體里替換原來位置原子的工藝，可改變材料的導電特性。

⑥薄膜積淀：

1.物理氣相積淀PVD，主要是兩個方法，蒸發（對金屬表面用入射電子加熱蒸發，氣化原子流就會到達晶片）和濺射（等離子體輝光放電）。

2.化學氣相積淀CVD：先驅材料導入加熱反應爐，襯底表面的化學反應導致薄膜積淀。3.電積淀：電鍍，是電化學過程。

4.旋轉涂布。

5.溶膠-凝膠積淀。

⑦圓片鍵合：將兩個圓片牢固的結合在一起。三種工藝：直接鍵合，陽極鍵合，中間層鍵合。

㈡圖形轉移

①光學刻蝕：利用光刻膠，分為接觸式光刻和投影式光刻。曝光后光刻膠變化有兩種形式，負膠（未曝光區域被溶解去除）和正膠（曝光區域被溶解去除）。

②掩膜制作：1.用光學圖形發生器，2.用電子束刻寫設備。

③濕法刻蝕：

1.各向異性濕法化學刻蝕：制作了圖形的襯底浸入溶液，侵蝕襯底的暴露部分，留下保護的部分。

2.各向異性濕法腐蝕：在用一定的刻蝕液刻蝕單晶材料時，會出現和晶向相關的刻蝕速率差異。原理是用OH基團侵入破壞硅-硅鍵。

3.濕法刻蝕的停刻：電化學停刻（加陽極電勢生成氧化膜），P+停刻，介質停刻

④干法刻蝕

1.氣浴刻蝕：XeF2 對硅刻蝕，對金屬和二氧化硅不敏感。

2.等離子體輔助刻蝕：等離子體輝光放電產生的電離物質轟擊硅片，既可以濺射去除表面材料，還能化學反應使得表面原子轉化成揮發物質被抽走。

3.反應離子深刻蝕：利用輝光放電副作用，通過化學交聯形式產生聚合物質。

⑤加法工藝-剝離：用于等離子蝕刻法難以加工的金屬材料。

⑥平整化

1.邊條：很難去除，最好設計出避免出現邊條的器件凸起圖形。

2.化學機械拋光

3.聚合物平整化

4.光刻膠反刻

二.PMUT的特點和應用

㈠什么是PMUT（壓電超聲傳感器）

PMUT基于微機械技術（MEMS）：MEMS技術是集微型傳感器，微型執行器以及信號處理和控制電路，甚至接口電路，通信和電源于一體的微米尺寸機電一體化系統技術。

PMUT（壓電微機械超聲換能器）是利用壓電材料對環境進行聲學測繪的微系統。與散裝超聲波設備相比，PMUT更易于集成，，它們體積小，分辨率高。與電容微系統（CMUT）相比，PMUT需要低電壓。

通過用電壓驅動PMUT，聲波被傳輸到周圍的氣體或液體中。被掃描的物體會反射聲波。反射信號將啟動PMUT。微系統壓電層振動并產生傳感器信號。通過測量PMUT驅動和反射信號之間的時間延遲，可以分析微系統與目標的距離。PMUT傳感器和執行器的陣列排列可以繪制環境地圖。

㈡PMUT的優點

1.千分之一的尺寸，百分之一的功耗：這種微型傳感器尺寸微小，可以集成到緊湊的消費品中使其具備超聲波檢測能力。

2.高精度距離測量性能和寬視場：盡管尺寸小巧，這種全新的 MEMS 超聲波傳感器仍具有卓越的性能。

3.極其廣泛的潛在應用：全新的 MEMS 超聲波傳感器是無人機及機器人等應用注定要選擇的產品。它們也是智能音箱等智慧家庭產品的理想選擇。

㈢PMUT的應用：感應測距

最新的 AR/VR 系統使用飛行時間 （ToF） 技術來測量與某個物體的距離，超聲波傳感器吸引了極大關注。 ToF 技術基于光線、紅外線或超聲波從發射到被物體反射后返回傳感器之間的時間差，來測量與物體的距離。無論是光學還是紅外線 ToF 技術，雖然它們非常精確，但在存在障礙物的情況下都無法用于測量，也不適合測量與玻璃或其他透明物體的距離。超聲波 ToF 技術可以精確測量與物體的距離，即便這些物體具有很高的反射性，而且這種技術也不會受到物體的光照條件、尺寸和顏色的影響。

三.PMUT的設計

㈠氮化鋁薄膜MEMS壓電超聲換能器設計和應用

1.設計：比較小的波束角（能量集中，不能太小不然旁瓣大），半徑300um，頻率400kHz，波長85mm;加工工藝：PiezoMUPs工藝加工，五層掩膜，基底用深反應離子刻蝕

2.機械特性：諧振頻率420kHz，振幅133nm/V，Q=52，機電耦合系數=0.85%

3.PMUT用于超聲多普勒測量：基于包絡線的超聲多普勒測量方法，大幅降低采樣率，且綜合了脈沖-回波法的優點。

4.PMUT用于超聲測距：針對聲壓過小的問題，設計了更大發射功率的減薄PMUT陣列。

5.PMUT用于薄膜諧振器：進行機械門運算。具有光學開關以及聲學傳感器運用的光明前景，為高速諧振式機械開關提供了實現可能。

㈡空氣中高靈敏度壓電微機械超聲換能器

本文利用高壓脈沖調制的鋯鈦酸鉛（PZT）薄膜實現了一種在空氣中工作的pMUT陣列。高壓脈沖對PZT極化更為有效，壓電常數d31提高到105pm/V。得益于這種高性能PZT薄膜和優化的結構，所制備的pMUT（500×300μm）在其諧振頻率（482khz）下實現了807nm/V位移靈敏度，無需直流偏移。與以往報道的PZT-pMUTs相比，即使薄膜較小，其靈敏度也優于它們。并對空氣傳輸性能進行了評價。一個pMUT元件能夠在10毫米的空氣中產生63.分貝的聲壓級，只有2伏的輸入。所提出的高性能pMUT顯示了它在便攜式電子產品中的實際應用前景。

參考文獻：

[1]劉鑫鑫. 氮化鋁薄膜MEMS壓電超聲換能器設計及應用[D].浙江大學，2019.

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

作者簡介：

王蕾碩，男，漢族，河南鄭州，鄭州市中原區鄭州大學機械與動力工程學院本科生

孫文斌，男，漢族，河南省滎陽市，鄭州市中原區鄭州大學機械與動力工程學院本科生

（鄭州大學 ?河南鄭州 ?450000）