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(yōu)點(diǎn)及其作用，以及實(shí)際生活中的應(yīng)用，以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中兩種常見的薄膜結(jié)構(gòu)的分析，對(duì)其核心技術(shù)MEMS（微電子技術(shù)）也有所概括。

關(guān)鍵詞：PMUT; ?MEMS ;氮化鋁薄膜

一.MEMS技術(shù)部分

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

㈠圓片級(jí)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(qiáng)氧化劑（如7：3混合的濃硫酸和雙氧水）去除所有有機(jī)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(jī)剩余物污染，這一步會(huì)產(chǎn)生薄氧化層，如有必要?jiǎng)t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(zhì)量的氧化物（在純氧，850-1150度進(jìn)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(shí)該區(qū)域不會(huì)氧化，其他部分會(huì)覆蓋上氧化硅。

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

⑥薄膜積淀：

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

2.化學(xué)氣相積淀CVD：先驅(qū)材料導(dǎo)入加熱反應(yīng)爐，襯底表面的化學(xué)反應(yīng)導(dǎo)致薄膜積淀。3.電積淀：電鍍，是電化學(xué)過程。

4.旋轉(zhuǎn)涂布。

5.溶膠-凝膠積淀。

⑦圓片鍵合：將兩個(gè)圓片牢固的結(jié)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(zhuǎn)移

①光學(xué)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(fù)膠（未曝光區(qū)域被溶解去除）和正膠（曝光區(qū)域被溶解去除）。

②掩膜制作：1.用光學(xué)圖形發(fā)生器，2.用電子束刻寫設(shè)備。

③濕法刻蝕：

1.各向異性濕法化學(xué)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(hù)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(shí)，會(huì)出現(xiàn)和晶向相關(guān)的刻蝕速率差異。原理是用OH基團(tuán)侵入破壞硅-硅鍵。

3.濕法刻蝕的?？蹋弘娀瘜W(xué)停刻（加陽極電勢(shì)生成氧化膜），P+?？蹋橘|(zhì)?？?/p>

④干法刻蝕

1.氣浴刻蝕：XeF2 對(duì)硅刻蝕，對(duì)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(chǎn)生的電離物質(zhì)轟擊硅片，既可以濺射去除表面材料，還能化學(xué)反應(yīng)使得表面原子轉(zhuǎn)化成揮發(fā)物質(zhì)被抽走。

3.反應(yīng)離子深刻蝕：利用輝光放電副作用，通過化學(xué)交聯(lián)形式產(chǎn)生聚合物質(zhì)。

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(shè)計(jì)出避免出現(xiàn)邊條的器件凸起圖形。

2.化學(xué)機(jī)械拋光

3.聚合物平整化

4.光刻膠反刻

二.PMUT的特點(diǎn)和應(yīng)用

㈠什么是PMUT（壓電超聲傳感器）

PMUT基于微機(jī)械技術(shù)（MEMS）：MEMS技術(shù)是集微型傳感器，微型執(zhí)行器以及信號(hào)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(jī)電一體化系統(tǒng)技術(shù)。

PMUT（壓電微機(jī)械超聲換能器）是利用壓電材料對(duì)環(huán)境進(jìn)行聲學(xué)測(cè)繪的微系統(tǒng)。與散裝超聲波設(shè)備相比，PMUT更易于集成，，它們體積小，分辨率高。與電容微系統(tǒng)（CMUT）相比，PMUT需要低電壓。

通過用電壓驅(qū)動(dòng)PMUT，聲波被傳輸?shù)街車臍怏w或液體中。被掃描的物體會(huì)反射聲波。反射信號(hào)將啟動(dòng)PMUT。微系統(tǒng)壓電層振動(dòng)并產(chǎn)生傳感器信號(hào)。通過測(cè)量PMUT驅(qū)動(dòng)和反射信號(hào)之間的時(shí)間延遲，可以分析微系統(tǒng)與目標(biāo)的距離。PMUT傳感器和執(zhí)行器的陣列排列可以繪制環(huán)境地圖。

㈡PMUT的優(yōu)點(diǎn)

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(fèi)品中使其具備超聲波檢測(cè)能力。

2.高精度距離測(cè)量性能和寬視場(chǎng)：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(yīng)用：全新的 MEMS 超聲波傳感器是無人機(jī)及機(jī)器人等應(yīng)用注定要選擇的產(chǎn)品。它們也是智能音箱等智慧家庭產(chǎn)品的理想選擇。

㈢PMUT的應(yīng)用：感應(yīng)測(cè)距

最新的 AR/VR 系統(tǒng)使用飛行時(shí)間 （ToF） 技術(shù)來測(cè)量與某個(gè)物體的距離，超聲波傳感器吸引了極大關(guān)注。 ToF 技術(shù)基于光線、紅外線或超聲波從發(fā)射到被物體反射后返回傳感器之間的時(shí)間差，來測(cè)量與物體的距離。無論是光學(xué)還是紅外線 ToF 技術(shù)，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(cè)量，也不適合測(cè)量與玻璃或其他透明物體的距離。超聲波 ToF 技術(shù)可以精確測(cè)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(shù)也不會(huì)受到物體的光照條件、尺寸和顏色的影響。

三.PMUT的設(shè)計(jì)

㈠氮化鋁薄膜MEMS壓電超聲換能器設(shè)計(jì)和應(yīng)用

1.設(shè)計(jì)：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(yīng)離子刻蝕

2.機(jī)械特性：諧振頻率420kHz，振幅133nm/V，Q=52，機(jī)電耦合系數(shù)=0.85%

3.PMUT用于超聲多普勒測(cè)量：基于包絡(luò)線的超聲多普勒測(cè)量方法，大幅降低采樣率，且綜合了脈沖-回波法的優(yōu)點(diǎn)。

4.PMUT用于超聲測(cè)距：針對(duì)聲壓過小的問題，設(shè)計(jì)了更大發(fā)射功率的減薄PMUT陣列。

5.PMUT用于薄膜諧振器：進(jìn)行機(jī)械門運(yùn)算。具有光學(xué)開關(guān)以及聲學(xué)傳感器運(yùn)用的光明前景，為高速諧振式機(jī)械開關(guān)提供了實(shí)現(xiàn)可能。

㈡空氣中高靈敏度壓電微機(jī)械超聲換能器

本文利用高壓脈沖調(diào)制的鋯鈦酸鉛（PZT）薄膜實(shí)現(xiàn)了一種在空氣中工作的pMUT陣列。高壓脈沖對(duì)PZT極化更為有效，壓電常數(shù)d31提高到105pm/V。得益于這種高性能PZT薄膜和優(yōu)化的結(jié)構(gòu)，所制備的pMUT（500×300μm）在其諧振頻率（482khz）下實(shí)現(xiàn)了807nm/V位移靈敏度，無需直流偏移。與以往報(bào)道的PZT-pMUTs相比，即使薄膜較小，其靈敏度也優(yōu)于它們。并對(duì)空氣傳輸性能進(jìn)行了評(píng)價(jià)。一個(gè)pMUT元件能夠在10毫米的空氣中產(chǎn)生63.分貝的聲壓級(jí)，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(chǎn)品中的實(shí)際應(yīng)用前景。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉鑫鑫. 氮化鋁薄膜MEMS壓電超聲換能器設(shè)計(jì)及應(yīng)用[D].浙江大學(xué)，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(qū)鄭州大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院本科生

孫文斌，男，漢族，河南省滎陽市，鄭州市中原區(qū)鄭州大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院本科生

（鄭州大學(xué) ?河南鄭州 ?450000）