高性能ZnO基压电微机械超声换能器（pMUT）的I型隔膜设计、制造与表征

《Micromachines》：High-Performance ZnO-Based Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducers with an I-Shaped Diaphragm: Design, Fabrication, and Characterization

　　

为了同时提升压电微机械超声换能器（piezoelectric micromachined ultrasonic transducers, pMUTs）的成像分辨率与灵敏度，本研究开发了一种具有I型复合隔膜的pMUT。与传统的矩形隔膜结构相比，I型结构通过去除两条长边边缘处的压电层、同时保留其余部分而形成。该设计有效降低了压电薄膜的残余应力，并同时提高了pMUT的灵敏度与谐振频率。此外，与现有的孔刻蚀或槽刻蚀等残余应力释放结构不同——后者会使隔膜不再连续并出现贯穿厚度方向的孔或槽——本设计仅刻蚀了压电层。因此，复合隔膜无需额外的封装要求，且避免了贯穿孔结构所涉及的复杂密封问题。研究人员对基于ZnO和基于AlN的pMUT进行了多方面的综合比较。仿真结果表明，在发射灵敏度、接收灵敏度和回路增益方面，ZnO基pMUT均优于AlN基pMUT。在此基础上，研究人员成功制备并表征了具有I型隔膜的ZnO基pMUT。该pMUT的性能在电子氟化液（FC-3283）中进行了评估。结果表明，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），回路增益为?68.6 dB，?6 dB带宽为10.65%。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可观的应用潜力。

**论文解读：ZnO基I型隔膜pMUT的设计、制备与性能研究**

**一、研究背景与问题**

超声波动由于具有方向性好、穿透力强以及声能易于聚焦等特点，在水下探测、医学诊断和工业检测等领域具有重要应用价值。作为超声系统的核心器件，换能器实现机电能量的双向转换。随着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、更小尺寸和更高灵敏度的方向发展。基于微机电系统（MEMS）工艺的微机械超声换能器（MUT）能够在实现高频工作的同时具备体积小、集成度高、可靠性好和批量成本低等优势。其中，压电微机械超声换能器（pMUT）相较于电容式微机械超声换能器（cMUT），无需直流偏置、机电耦合系数高、与外围读出电路兼容性好，且受寄生电容影响小，因而成为研究热点。

成像分辨率和灵敏度是pMUT的核心性能指标。较高的工作频率通常有利于提升成像分辨率，但在给定器件尺寸下，谐振频率与灵敏度之间存在固有矛盾，难以同时提升。为改善pMUT性能，研究者们尝试了多种途径，包括改变隔膜几何形状、降低弯曲刚度、调整电极覆盖面积等。在传统pMUT结构中，也有通过在隔膜上刻蚀孔或槽来释放残余应力、增大振动幅度的方法。例如2019年Chen等人在方形隔膜上制备V形通孔以释放工艺残余应力，仿真表明器件声压级可提高23 dB。然而，这类通孔结构在液相环境中需要额外的密封工艺，严重限制了其工程应用。

针对上述问题，研究人员在前期工作中提出了一种新型“I型”隔膜pMUT结构。该结构相较传统矩形隔膜，去除了两条长边边缘处的压电层，仅刻蚀压电层而保留隔膜的连续性和完整密封性，从而有效释放残余应力，同时避免了通孔结构带来的复杂封装密封问题。基于4 μm厚的PZT压电层制备的器件已验证了该结构的有效性，其谐振频率较传统矩形隔膜提高15.28%，回路增益提升3 dB。然而，PZT基pMUT的最佳回路增益对应8 μm厚的PZT层，受限于当前工艺成熟度，厚膜PZT的制备和图形化仍较困难，难以逼近理论最优性能。因此，为进一步提升灵敏度，本文系统比较了ZnO和AlN两种常用压电材料在I型隔膜pMUT中的器件性能，并最终选择性能更优的ZnO开展器件的制备与表征研究。

**二、研究内容与主要结论**

本文围绕I型复合隔膜pMUT的结构优化、材料选择、工艺制造和性能测试展开。通过有限元方法（FEM）对ZnO基和AlN基pMUT进行了数值仿真，在统一结构参数约束下优化压电层厚度，并分析发射灵敏度级、接收灵敏度级和回路增益。仿真结果表明，ZnO基pMUT在各项关键性能指标上均优于AlN基pMUT，且最优ZnO厚度仅比AlN厚1 μm，可通过磁控溅射工艺方便制备。随后，研究人员设计了完整的MEMS工艺流程，成功制备了ZnO基I型隔膜pMUT芯片，并在电子氟化液（FC-3283）中对其谐振频率、发射灵敏度、接收灵敏度和带宽进行了表征。实测结果显示，该器件在FC-3283中的谐振频率为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），回路增益为?68.6 dB，?6 dB带宽为10.65%。与文献报道的同类器件相比，该器件在归一化发射灵敏度、工作频率和接收灵敏度方面均实现了综合提升，且隔膜单元尺寸仅为0.11 mm×0.07 mm，有利于高密度阵列集成。该研究验证了I型隔膜结构在释放薄膜残余应力、增强压电层有效弯曲变形方面的有效性，显著提高了机电转换效率和声辐射能力，为高频高灵敏度pMUT阵列的设计与应用提供了技术参考。

**三、关键技术方法**

本研究主要采用了以下关键技术方法：有限元数值仿真方法，对I型复合隔膜pMUT的谐振频率、振动模态、发射灵敏度级和接收灵敏度级进行模拟优化，并通过薄板振动理论验证建模精度；MEMS微纳加工工艺，包括SOI晶圆热氧化、磁控溅射沉积ZnO压电薄膜、等离子体增强化学气相沉积（PECVD）SiO₂绝缘层、化学机械平坦化（CMP）、深反应离子刻蚀（DRIE）形成背腔并释放复合隔膜；激光多普勒测振仪（LDV）表征器件在空气中的机械振动特性；以及基于标准水听器的液体环境灵敏度对比测试方法，在电子氟化液FC-3283中测量发射灵敏度级和接收灵敏度级。样本器件为自主制备的ZnO基I型隔膜pMUT芯片，芯片有源区面积为260 μm×580 μm，封装后器件尺寸为0.25 cm×0.25 cm。

**四、研究结果**

**4.1 谐振频率测量。** 利用Polytec MSA-600激光多普勒测振仪测量了pMUT在空气中的振动特性。在10 V驱动电压下，测得器件在空气中的谐振频率为10.71 MHz，对应最大振动位移为17.45 pm，振动模态为一阶模态，与仿真结果一致。测量值与仿真值存在5.4 MHz偏差，主要归因于DRIE刻蚀垂直度不足导致隔膜尺寸增大7%，以及残余应力和实际材料参数与仿真值的偏差，这些因素分别使谐振频率下降约52%和48%。

**4.2 灵敏度测量。** 为模拟实际液体工作环境，在FC-3283中进行了器件性能测试。采用对比法，以标准NH0500针式水听器和V311浸入式探头为参考，分别测量接收灵敏度和发射灵敏度。测试中发射频率设为10 MHz，输入10周期正弦脉冲，峰峰值电压为1.2 V。经校准，所制备pMUT的接收灵敏度级为?242.1 dB（re 1 V/μPa，含24.91 dB放大），发射灵敏度级为173.5 dB（re 1 μPa/V，等效距离5 mm）。由发射灵敏度曲线的FFT分析得到?6 dB带宽为10.65%，且器件在FC-3283中的谐振频率为10 MHz，与空气中测量值偏差0.71 MHz，表明厚隔膜pMUT的谐振频率受流体介质影响较小。声场扫描结果显示该器件具有指向性声场特性。

**4.3 性能对比。** 将所制备器件与文献报道的多种pMUT进行归一化性能比较。由于发射灵敏度Sv与测量距离r相关，采用Sv·r值（单位Pa·m/V）统一比较。所制备器件的归一化发射灵敏度为2.37 Pa·m/V，超过所有参考器件；与相似频率的AlN基pMUT（0.156 Pa·m/V）相比约高15倍，与PZT基pMUT（0.0436 Pa·m/V）相比约高54倍，较传统低频大尺寸PVDF压电换能器高出两到三个数量级。接收灵敏度方面，所制备器件达到0.782 mV/kPa，优于AlN基和LiNbO₃基pMUT。同时，其工作频率为10 MHz，隔膜尺寸仅为0.11 mm×0.07 mm，为高密度阵列集成和便携式系统小型化提供了结构基础。

**五、讨论与结论**

本研究表明，通过I型隔膜设计有效地释放了压电薄膜的残余应力，增强了压电薄膜的有效弯曲变形，使pMUT在较高谐振频率下仍能保持较高灵敏度。仿真和实验共同验证了ZnO基I型隔膜pMUT在发射灵敏度、接收灵敏度和回路增益方面优于AlN基对应器件。所制备器件在FC-3283中表现出10 MHz的谐振频率、173.5 dB的发射灵敏度级、?242.1 dB的接收灵敏度级、?68.6 dB的回路增益和10.65%的?6 dB带宽。性能对比进一步表明，该器件在谐振频率、发射灵敏度和接收灵敏度方面均获得良好性能，缓解了传统结构中频率与灵敏度之间的固有矛盾，实现了高频与高灵敏度的协同优化。在实际应用中，更高的发射灵敏度可提高水下探测或通信的作用距离和抗干扰能力，或在医学成像中增大穿透深度、改善图像质量并降低驱动功耗。本工作不仅验证了I型隔膜结构的有效性，也展示了该pMUT在水下探测、超声成像等领域的应用潜力。