工字形复合振膜ZnO基压电微机械超声换能器：实现高频高灵敏度的协同优化

《Micromachines》：Fermi-Level-Tuned Nitrogen-Doped Carbon Nanotubes for Improved Electron Transport in Formamidinium-Rich Perovskite Solar Cells

　　

为了同时提高压电微机械超声换能器（pMUT）的成像分辨率和灵敏度，本研究开发了一种具有工字形（I-shaped）复合振膜的pMUT。与传统的矩形振膜结构相比，工字形结构通过去除两个长边边缘的压电层而保留其余部分形成。通过这一设计，压电薄膜的残余应力得到有效降低，同时提升了pMUT的灵敏度和谐振频率。此外，与现有的孔蚀或槽蚀等残余应力释放结构不同——这些结构中振膜不再是连续薄膜且存在贯穿厚度的孔洞或沟槽——本设计的刻蚀仅限于压电层。因此，复合振膜无需额外的封装要求，也规避了通孔结构复杂的密封问题。研究人员从多个方面对基于ZnO和基于AlN的pMUT进行了全面比较。仿真结果表明，基于ZnO的pMUT在发射灵敏度、接收灵敏度和环路增益方面均优于基于AlN的同类器件。在此基础上，成功制备并表征了具有工字形振膜的ZnO基pMUT。该pMUT的性能在电子氟化液（FC-3283）中进行了评估。结果显示，该器件表现出10 MHz的谐振频率，发射灵敏度级为173.5 dB（re 1 μPa/V），接收灵敏度级为?242.1 dB（re 1 V/μPa），环路增益为?68.6 dB，以及10.65%的?6 dB带宽。这些结果表明，在高工作频率下实现了高灵敏度，为高频、高灵敏度pMUT阵列的设计与应用提供了技术参考，并在水下探测、超声成像等领域展现出巨大的应用潜力。

一、研究背景与现存问题

超声波因其方向性好、穿透性强、易于聚焦声能等特点，在水下探测、医学诊断和工业检测中具有重要应用价值。作为超声系统的核心元件，换能器负责双向机电能量转换。随着对高分辨率成像和微纳尺度检测需求的不断增长，换能器正朝着更高工作频率、更小型化和更高灵敏度的方向发展。基于微机电系统技术的微机械超声换能器能够实现高频工作，同时具备体积小、集成度高、可靠性好和批量成本低等优势。

在MEMS超声换能器中，压电微机械超声换能器相较于电容式微机械超声换能器无需直流偏置，具有高机电耦合系数、与外围读出电路兼容性好、受寄生电容影响小等优点，成为研究热点。然而，成像分辨率和灵敏度是pMUT的核心性能指标，更高的谐振频率通常带来更好的分辨率，但在给定器件尺寸下，谐振频率与灵敏度之间存在固有的权衡关系，难以同时提升。传统上，研究者通过修改振膜几何形状、降低弯曲刚度或调整电极覆盖面积来改善性能，也有通过在振膜上刻蚀孔或槽来释放残余应力、增大振动幅度的方法，但这些通孔结构在液相环境中需要额外的密封工艺，限制了工程应用。

二、研究内容与意义

针对上述挑战，研究人员此前提出了一种新型“工字形”（I-shaped）振膜结构的pMUT。与传统矩形振膜相比，工字形结构去除了两条长边边缘的压电层，保留了中间部分。这种图形化设计能在制造过程中有效释放残余应力，从而增加振膜振动幅度，同时由于工字形振膜的高弯曲刚度，保持了较高的谐振频率。此外，仅刻蚀压电层，不产生贯穿振膜的通孔或沟槽，避免了复杂密封问题。先前基于4 μm厚PZT的实验验证了该结构的有效性，但PZT基pMUT的环路增益在厚度为8 μm时才达到最大，受限于当前工艺成熟度，厚膜PZT的制备和图形化仍具挑战。因此，为进一步提升灵敏度，本文系统比较了另外两种常用压电材料ZnO和AlN的器件性能。仿真表明ZnO基pMUT在发射灵敏度、接收灵敏度和环路增益等关键指标上优于AlN基器件。在此基础上，研究人员成功制备并表征了所提出的ZnO基工字形复合振膜pMUT，实测器件综合性能良好，为高频高灵敏度pMUT的设计和应用提供了技术参考，在水下探测、超声成像等领域展现了巨大潜力。

三、关键技术方法

1. 1.
   有限元法仿真优化：采用有限元法对ZnO和AlN两种材料的工字形复合振膜pMUT进行数值仿真，统一结构参数约束，优化压电层厚度，分析发射灵敏度、接收灵敏度和环路增益。通过薄板振动理论验证建模精度，计算方振膜pMUT在空气和乙醇介质中的谐振频率并与仿真对比确认可靠性。
2. 2.
   MEMS微纳加工工艺：设计了基于SOI晶圆的完整工艺流程，包括热氧化形成SiO₂层、溅射图形化底部Al电极、磁控溅射沉积5 μm厚ZnO压电层并图形化、等离子体增强化学气相沉积SiO₂绝缘层、剥离工艺定义顶部Al电极、化学机械平坦化减薄背面硅层、沉积图形化Al硬掩模、深反应离子刻蚀背面硅直至埋氧层形成空腔并释放复合振膜。
3. 3.
   激光多普勒测振仪表征：在空气中利用Polytec MSA-600激光多普勒测振仪测量pMUT的机械振动，获取位移频谱和谐振频率及振型。
4. 4.
   液体环境灵敏度测试平台：在电子氟化液FC-3283中搭建测试平台，采用标准NH0500针式水听器和V311浸没探头，通过比较法测量接收灵敏度，并利用自制pMUT作为发射换能器测量发射灵敏度，通过快速傅里叶变换分析获得频率响应和?6 dB带宽，并通过计算机控制XY步进电机扫描声场分布。

四、研究结果

4.1 谐振频率测量

在空气中利用LDV测量显示，pMUT的谐振频率为10.71 MHz，对应最大振动位移17.45 pm，振动模式为一阶模态，与仿真结果一致。但与空气中仿真值存在5.4 MHz偏差，主要归因于DRIE刻蚀垂直度不佳导致振膜尺寸扩大约7%（仿真显示此因素使谐振频率降低约52%）以及薄膜沉积引入的残余应力和实际材料参数与仿真值的差异（使谐振频率降低约48%）。

4.2 灵敏度测量

在FC-3283液体环境中，设置发射频率10 MHz、10周期正弦脉冲激励、峰峰值电压1.2 V。经校准，自制pMUT输出幅度22.64 mV，标准水听器输出11.7 mV对应灵敏度0.404 μV/Pa，由此推导出自制pMUT的接收灵敏度为0.782 mV/kPa，接收灵敏度级为?242.1 dB（re 1 V/μPa，含24.91 dB放大）。发射灵敏度测试中，在等效距离5 mm处测得发射灵敏度级为173.5 dB（re 1 μPa/V）。频率响应分析显示?6 dB带宽为10.65%，在FC-3283中的谐振频率为10 MHz，与空气中相差0.71 MHz，表明较厚振膜的pMUT其谐振频率受周围流体介质影响较小。声场扫描（距离5 mm、范围2 mm×2 mm）表明该pMUT具有指向性特征。

4.3 性能比较

将所研制器件与已有报道进行归一化对比，以发射灵敏度与距离乘积S_v·r（单位Pa·m/V）为指标，本器件达到2.37 Pa·m/V，远超所列参考器件：约为相似频率AlN基pMUT的15倍、PZT基器件的54倍，相较于常规低频大尺寸PVDF基压电换能器优势达两到三个数量级。接收灵敏度为0.782 mV/kPa，优于AlN基和LiNbO₃基pMUT。振膜单元尺寸仅为0.11 mm×0.07 mm，为高密度阵列集成提供了结构基础。

五、讨论与结论

讨论部分总结：本研究开发的ZnO基工字形结构pMUT有效释放了残余应力并增强了压电薄膜的有效弯曲变形，使得在较高谐振频率下保持较高灵敏度。仿真表明ZnO基pMUT在发射灵敏度级、接收灵敏度级和环路增益等关键指标上优于AlN基器件。实测器件在FC-3283中谐振频率10 MHz，发射灵敏度级173.5 dB（re 1 μPa/V），接收灵敏度级?242.1 dB（re 1 V/μPa），环路增益?68.6 dB，?6 dB带宽10.65%，验证了结构设计和材料选择的可行性。性能对比表明所提pMUT在谐振频率、发射灵敏度和接收灵敏度方面取得了良好表现，证实该器件缓解了传统结构中频率与灵敏度之间的固有矛盾，同时提高了工作频率，实现了高频与高灵敏度的协同优化。在实际应用中，这有助于有效提升水下应用的探测或通信距离及抗干扰能力，或改善医学成像的穿透深度和图像质量。

结论部分翻译：本研究开发了一种具有工字形振膜的pMUT，有效释放了压电薄膜的残余应力，使换能器能够同时实现较高的谐振频率和灵敏度。仿真结果表明，ZnO基pMUT在发射灵敏度、接收灵敏度和环路增益方面均优于AlN基同类器件。通过优化结构参数和关键制备工艺，成功完成了ZnO基pMUT的制备和性能表征。测量结果显示，在FC-3283中，所制备器件的谐振频率为10 MHz，发射灵敏度级为173.5 dB（re 1 μPa/V），接收灵敏度级为?242.1 dB（re 1 V/μPa），环路增益为?68.6 dB，?6 dB带宽为10.65%。与已有报道的器件相比，本研究的换能器在保持紧凑振膜尺寸的同时，在发射灵敏度、工作频率和接收灵敏度方面实现了全面提升，解决了传统设计中频率与灵敏度之间的固有矛盾。这些结果不仅证实了工字形振膜构型的有效性，也凸显了所提pMUT在水下探测、超声成像等领域的应用潜力。