據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，新加坡國(guó)立大學(xué)（National University of Singapore）和新加坡科技研究局（A*STAR）微電子研究所的研究人員組成的團(tuán)隊(duì)在Microsystems & Nanoengineering期刊上發(fā)表了題為“Thin-film PMUTs: a review of over 40 years of research”的綜述論文，該論文的通訊作者為新加坡國(guó)立大學(xué)的Chengkuo Lee副教授。

薄膜PMUT一直是微超聲專家的重要研究課題，本文對(duì)其研究進(jìn)展進(jìn)行了簡(jiǎn)要綜述。通過嚴(yán)格的調(diào)研，確定該領(lǐng)域的工作始于近44年前功能性壓電薄膜材料的原始發(fā)展。迄今為止，已有三家大型公司將薄膜PMUT大規(guī)模商業(yè)化。這種商業(yè)化體現(xiàn)了來自四大洲的70多個(gè)不同的中心、研究機(jī)構(gòu)在這些器件的設(shè)計(jì)、制造和功能的巨大發(fā)展方面做出的廣泛貢獻(xiàn)。

這篇綜述以簡(jiǎn)短而全面的方式涵蓋了這些重要貢獻(xiàn)；特別是，本文向讀者介紹了全球PMUT前景、其主要設(shè)計(jì)原理、制造方法、非常規(guī)但有用的PMUT設(shè)計(jì)以及分類應(yīng)用，描述并討論了用于PMUT的薄膜壓電材料的性能對(duì)比及其明確的目標(biāo)應(yīng)用，以啟發(fā)計(jì)劃研發(fā)PMUT的MEMS設(shè)計(jì)人員。此外，每個(gè)相關(guān)章節(jié)都以作者過去在這一研究領(lǐng)域的知識(shí)和專業(yè)知識(shí)以及仔細(xì)的文獻(xiàn)調(diào)研結(jié)果為基礎(chǔ)，對(duì)未來進(jìn)行了明確的預(yù)測(cè)。簡(jiǎn)而言之，這篇綜述為任何有興趣了解這些微型器件的人們提供了一站式的省時(shí)指南。

PMUT的演變：從過去到現(xiàn)在

作為一種換能器，與商業(yè)化的塊體厚膜超聲換能器相比，PMUT具有三個(gè)主要優(yōu)勢(shì)：（a）其只需要相對(duì)較低的驅(qū)動(dòng)電壓來產(chǎn)生每單位面積的單位聲壓（Pa/V/mm2），使其適用于便攜式低功耗應(yīng)用；（b）由于與周圍環(huán)境的有效阻抗匹配，其可以在空氣和水中工作；（c）可以被制成微小的外形，從而增強(qiáng)了其對(duì)空間限制應(yīng)用的適用性。

圖1a顯示了微加工制造的PMUT的示意圖。圖1b顯示了由作者團(tuán)隊(duì)制造的不同的PMUT芯片，這些芯片都具有獨(dú)特的適用性。通過觀察PMUT的研究歷史，可以發(fā)現(xiàn)研究人員在材料開發(fā)、創(chuàng)新PMUT設(shè)計(jì)和應(yīng)用方面已經(jīng)取得了巨大的進(jìn)步。圖1c是里程碑式工作成果的圖示。在這些里程碑式的工作成果中，一些進(jìn)一步的貢獻(xiàn)已被列為所附2D列表中的特色貢獻(xiàn)（見圖1d）。

圖1 PMUT及其演變

根據(jù)文獻(xiàn)統(tǒng)計(jì)顯示，全世界有近70個(gè)地方在開展PMUT研究工作，它們遍布四大洲（包括大學(xué)和機(jī)構(gòu)/公司）。從廣泛開展PMUT研究的地點(diǎn)數(shù)量來看，亞洲、歐洲、北美、澳大利亞分別有30、18、21、1個(gè)PMUT熱點(diǎn)（圖2a）。從發(fā)表的文獻(xiàn)來看，其數(shù)量呈指數(shù)級(jí)增長(zhǎng)，從2012年發(fā)表的14篇（圖2b）增加到2021年的79篇，這表明研究人員在這一領(lǐng)域創(chuàng)造新成果的需求不斷增加。

圖2 PMUT全球研發(fā)概況

延伸閱讀：《微機(jī)械超聲換能器專利態(tài)勢(shì)分析-2023版》

PMUT已被三家公司商業(yè)化（圖2c）：高通（Qualcomm）、TDK和Exo Imaging。高通公司開發(fā)了首款商用手機(jī)屏下PMUT（稱為3D聲波傳感器），用于識(shí)別3D指紋。TDK已將與專用集成電路（ASIC）集成的PMUT商業(yè)化，并將其命名為CH101和CH201，分別適用于1.2米和5米范圍內(nèi)的飛行時(shí)間（ToF）測(cè)距。Exo Imaging開發(fā)了一款名為Cello的手持式超聲成像原型機(jī)，其中包含4096個(gè)用于多諧波成像的低功率PMUT。

PMUT設(shè)計(jì)基礎(chǔ)

PMUT通過離面振動(dòng)來發(fā)射/接收聲音，它們通常以圓形制造。在其振動(dòng)基頻下，振型最好通過改進(jìn)的拋物線形狀來捕獲（圖3a）。PMUT結(jié)構(gòu)由重要的兩層：器件層和壓電有源層構(gòu)成（圖3b）。在結(jié)構(gòu)上，PMUT可以表現(xiàn)為板、膜或兩者兼而有之。板的振動(dòng)聲學(xué)響應(yīng)是由彎曲剛度決定的（圖3c），而膜的響應(yīng)是由預(yù)張力決定的（圖3d）。

在功能方面，PMUT可以分為三類——發(fā)射器、接收器和收發(fā)器——系統(tǒng)級(jí)模型最適合解釋它們。利用代表壓電機(jī)電耦合的理想轉(zhuǎn)換器，集總參數(shù)模型將電域和力聲域耦合。圖3h為發(fā)射器模型，圖3i為接收器模型。

圖3 PMUT設(shè)計(jì)基礎(chǔ)可根據(jù)PMUT結(jié)構(gòu)和功能分為兩類

圖4a顯示了迄今為止PMUT所使用的各種薄膜壓電材料：（i）氧化鋅（ZnO）；（ii）鋯鈦酸鉛（PZT）；（iii）聚偏二氟乙烯-三氟乙烯P(VDF)-TrFE；（iv）氮化鋁（AlN）；（v）15%的鈧摻雜AlN（Sc0.15AlN）；（vi）PZT纖維外延膜；和（vii）鈮酸鉀鈉（KNN），文中對(duì)其性能作了對(duì)比和討論。

在制造方面，PMUT陣列可大致分為剛性陣列和柔性陣列。剛性陣列具有零適形性，并且目標(biāo)應(yīng)用不要求表面可附著性，而柔性陣列可以是部分到完全適形的。剛性PMUT可通過體微加工技術(shù)和表面微加工技術(shù)制備，如圖4b和4c所示。柔性PMUT陣列可分為具有剛性單元的柔性陣列和全柔性陣列，其制造工藝流程如圖4d和4e所示。

圖4 PMUT制造工藝流程示意圖

特殊PMUT

研究人員描述了結(jié)構(gòu)和功能上的非常規(guī)PMUT，將其大致分為結(jié)構(gòu)改進(jìn)型PMUT和柔性PMUT，如圖5a和圖5b所示。PMUT在結(jié)構(gòu)上進(jìn)行了修改，以提高其各種參數(shù)方面的性能水平，包括彎曲/發(fā)射靈敏度、指向性和帶寬。最近，可穿戴傳感器的開發(fā)出現(xiàn)了激增現(xiàn)象。PMUT已經(jīng)進(jìn)行了明智的改進(jìn)，以開發(fā)具有可穿戴性和適應(yīng)各種表面拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的額外優(yōu)勢(shì)的柔性陣列。

圖5 特殊PMUT可分為結(jié)構(gòu)改進(jìn)型PMUT和柔性PMUT

PMUT應(yīng)用

PMUT應(yīng)用可分為發(fā)射器、接收器和收發(fā)器。作為發(fā)射器，PMUT產(chǎn)生超聲，并已應(yīng)用于治療學(xué)、醫(yī)療保健、通信和觸覺等領(lǐng)域，如圖6a所示。作為接收器，PMUT接收超聲，適用于光聲（PA）成像、PA檢測(cè)、開關(guān)、通信和能量收集等領(lǐng)域，如圖6b所示。作為收發(fā)器，PMUT發(fā)射和接收超聲；此外，它們可以采用差分驅(qū)動(dòng)傳感方案作為頻移器件，或者可以作為彼此面對(duì)的孿生器件的發(fā)射-接收對(duì)，應(yīng)用如圖6c所示。

圖6 PMUT應(yīng)用

綜上所述，這篇簡(jiǎn)明的綜述為自PMUT制造之初以來進(jìn)行的重要工作提供了一個(gè)完整的參考，并使讀者全面了解PMUT歷史、當(dāng)前進(jìn)展、其設(shè)計(jì)及其在各種應(yīng)用中的潛力。盡管PMUT帶來了新的超聲革命，但與其它技術(shù)類似，其也有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。其優(yōu)點(diǎn)已在前面討論過。與傳統(tǒng)的壓電換能器相比，其缺點(diǎn)包括無法產(chǎn)生高強(qiáng)度超聲波、后端相對(duì)復(fù)雜以及新企業(yè)在資金和時(shí)間方面的投資成本較高。盡管存在這些限制，但PMUT有望在未來幾年繼續(xù)生存和繁榮，并且有望被同行研究人員和企業(yè)家應(yīng)用于開發(fā)適合推動(dòng)MEMS超聲革命的有意義應(yīng)用。

審核編輯：劉清