據(jù)麥姆斯咨詢報道，近日，新加坡國立大學（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隊在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立大學的Chengkuo Lee副教授。

薄膜PMUT一直是微超聲專家的重要研究課題，本文對其研究進展進行了簡要綜述。通過嚴格的調研，確定該領域的工作始于近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多個不同的中心、研究機構在這些器件的設計、制造和功能的巨大發(fā)展方面做出的廣泛貢獻。

這篇綜述以簡短而全面的方式涵蓋了這些重要貢獻；特別是，本文向讀者介紹了全球PMUT前景、其主要設計原理、制造方法、非常規(guī)但有用的PMUT設計以及分類應用，描述并討論了用于PMUT的薄膜壓電材料的性能對比及其明確的目標應用，以啟發(fā)計劃研發(fā)PMUT的MEMS設計人員。此外，每個相關章節(jié)都以作者過去在這一研究領域的知識和專業(yè)知識以及仔細的文獻調研結果為基礎，對未來進行了明確的預測。簡而言之，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具有三個主要優(yōu)勢：（a）其只需要相對較低的驅動電壓來產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，從而增強了其對空間限制應用的適用性。

圖1a顯示了微加工制造的PMUT的示意圖。圖1b顯示了由作者團隊制造的不同的PMUT芯片，這些芯片都具有獨特的適用性。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設計和應用方面已經取得了巨大的進步。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，一些進一步的貢獻已被列為所附2D列表中的特色貢獻（見圖1d）。

圖1 PMUT及其演變

根據(jù)文獻統(tǒng)計顯示，全世界有近70個地方在開展PMUT研究工作，它們遍布四大洲（包括大學和機構/公司）。從廣泛開展PMUT研究的地點數(shù)量來看，亞洲、歐洲、北美、澳大利亞分別有30、18、21、1個PMUT熱點（圖2a）。從發(fā)表的文獻來看，其數(shù)量呈指數(shù)級增長，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：《微機械超聲換能器專利態(tài)勢分析-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)了首款商用手機屏下PMUT（稱為3D聲波傳感器），用于識別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米范圍內的飛行時間（ToF）測距。Exo Imaging開發(fā)了一款名為Cello的手持式超聲成像原型機，其中包含4096個用于多諧波成像的低功率PMUT。

PMUT設計基礎

PMUT通過離面振動來發(fā)射/接收聲音，它們通常以圓形制造。在其振動基頻下，振型最好通過改進的拋物線形狀來捕獲（圖3a）。PMUT結構由重要的兩層：器件層和壓電有源層構成（圖3b）。在結構上，PMUT可以表現(xiàn)為板、膜或兩者兼而有之。板的振動聲學響應是由彎曲剛度決定的（圖3c），而膜的響應是由預張力決定的（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)級模型最適合解釋它們。利用代表壓電機電耦合的理想轉換器，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設計基礎可根據(jù)PMUT結構和功能分為兩類

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），文中對其性能作了對比和討論。

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，并且目標應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和表面微加工技術制備，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

研究人員描述了結構和功能上的非常規(guī)PMUT，將其大致分為結構改進型PMUT和柔性PMUT，如圖5a和圖5b所示。PMUT在結構上進行了修改，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已經進行了明智的改進，以開發(fā)具有可穿戴性和適應各種表面拓撲結構的額外優(yōu)勢的柔性陣列。

圖5 特殊PMUT可分為結構改進型PMUT和柔性PMUT

PMUT應用

PMUT應用可分為發(fā)射器、接收器和收發(fā)器。作為發(fā)射器，PMUT產生超聲，并已應用于治療學、醫(yī)療保健、通信和觸覺等領域，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、開關、通信和能量收集等領域，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動傳感方案作為頻移器件，或者可以作為彼此面對的孿生器件的發(fā)射-接收對，應用如圖6c所示。

圖6 PMUT應用

綜上所述，這篇簡明的綜述為自PMUT制造之初以來進行的重要工作提供了一個完整的參考，并使讀者全面了解PMUT歷史、當前進展、其設計及其在各種應用中的潛力。盡管PMUT帶來了新的超聲革命，但與其它技術類似，其也有其優(yōu)點和缺點。其優(yōu)點已在前面討論過。與傳統(tǒng)的壓電換能器相比，其缺點包括無法產生高強度超聲波、后端相對復雜以及新企業(yè)在資金和時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)家應用于開發(fā)適合推動MEMS超聲革命的有意義應用。

審核編輯：劉清