AlN薄膜压电微机械超声换能器的设计与优化

由于现有的超声换能器多以锆钛酸铅(Pb(Zr 1-xTi x)O 3)和氧化锌(ZnO)材料为压电薄膜,而锆钛酸铅(PZT)含铅,氧化锌存在污染互补金属氧化物半导体制造的问题,对此设计了以氮化铝材料作为压电层的圆形双叠片弯曲振动压电超声微机械换能器。对换能器工作原理进行了分析,建立了有限元模型,针对换能器的尺寸参数进行了有限元仿真。研究发现,换能器谐振频率与各层厚度成正比,与换能器半径的平方成反比;当上电极半径为换能器半径的65%左右时,换能器的谐振振幅最大;当振动层硅和压电层氮化铝的厚度比为0.6左右时,其谐振振幅也最大。对优化后的换能器进行仿真,并与原模型进行了对比。结果表明,空气中的工作频率为9.21 MHz,机电耦合系数在空气中从21.44%提高至27.16%,在水中从3.55%提高至11.93%。这些结论为医疗成像探头的研究提供了基础数据。

基于压电微机械超声换能器的扫描式手势识别传感器

超声手势识别是实现非接触交互的重要方式之一。基于压电微机械超声换能器(PMUT)的手势识别传感器具有功耗低、体积小、不受环境光影响等优点,当前主要是基于PMUT阵列的方式实现,提出了一种基于单振元PMUT的扫描式手势识别传感器。该传感器由PMUT及电磁驱动单元组成,设计并制备了1.6 mm×1.6 mm的单振元PMUT,振膜半径为500μm,谐振频率为108 kHz,完成了PMUT与电磁驱动单元集成,电磁驱动单元驱动PMUT实现手势扫描,利用多层感知机(MLP)模型完成了手势识别测试。实验结果表明:该扫描式手势识别传感器可实现检测距离为150~600 mm、角度为180°范围内的6种手势识别,平均识别准确率最高为85.66%。

声压增强型压电微机械超声换能器

压电微机械超声波换能器(PMUT)在医疗成像、测距、无损检测和流量感应等领域有着广阔的应用前景。针对传统结构PMUT输出声压较低的问题,该文提出了一种集成亥姆霍兹谐振腔的声压增强型PMUT。构建了声压增强型PMUT的等效电路模型,模拟并对比分析了声压增强型PMUT和传统PMUT的轴上声压。结果表明在70 kHz谐振频率下,声压增强型PMUT沿z轴的输出声压比传统的PMUT沿z轴的输出声压高约42%。测距结果表明,集成了亥姆霍兹谐振腔的PMUT最远测距能力达到2.62 m,比传统结构的PMUT提升了27%。这种结构为PMUT在提升测距能力和拓宽应用场景方面提供了一种新思路。

基于压电微机械超声换能器的液体密度测量传感器

液体产品的密度检测是审核产品品质的重要手段之一。针对当前传统密度检测装置体积大、功耗高、不易在线检测的问题,该文设计并制作了一种基于压电微机械超声换能器(PMUT)的液体密度测量传感器。该传感器由两个PMUT(半径为500μm,空气中谐振频率为136 kHz)组成,分别作为发射端与接收端。实验测试结果表明,该传感器的谐振频率与液体密度成线性关系,在776~1150 kg/m^(3)密度范围内具有良好的响应,其灵敏度为17 Hz/kg/m^(3)。

基于PZT薄膜的高频压电式微机械超声换能器的仿真与制备

压电式微机械超声换能器(PMUT)是当前生物医学超声成像领域的研究热点.锆钛酸铅(PbZrO_(3)-PbTiO_(3),PZT)压电薄膜是近年来微机械超声换能器使用的核心压电材料.基于PZT压电薄膜,使用有限元软件COMSOL Multiphysics创建了三维有限元仿真模型,并在(0,1)模态下研究了压电薄膜结构的几何参数,其谐振频率达到222.12 MHz,有效机电耦合系数(keff)为5.13%.采用光刻和刻蚀方法制备了PZT压电薄膜的PMUT单元原型器件.该器件的空腔结构完整,谐振频率在(0,1)模态下为25.87 MHz,仿真与测试结果相似,振动模态较纯,振动位移性能较好.研究结果表明:采用PZT压电薄膜的PMUT在高分辨率、高频医学超声成像中具有较好的应用前景.

基于压电式微机械超声换能器阵列的无线能量传输设计

利用氮化铝薄膜压电微机械换能器(PMUT)的生物兼容和CMOS电路兼容特性,提出了一种基于上述换能器阵列的声学无线能量传输方法。为了得到最佳的输出性能,对PMUT的结构进行了优化设计,采用派瑞林封装保护PMUT的空腔和表面结构,分析了PMUT在不同介质中的电学和频率性能,采用高密度并联阵列降低器件阻抗、提高了总输出电流,对PMUT及其应用电路进行了设计与仿真。PMUT在压电薄膜层与钼底电极厚度比在2∶3至1∶2,顶电极与空腔半径比为0.7时获得最大输出性能,当空腔半径控制在35μm至43μm时,PMUT在水中的谐振频率约为2 MHz。本研究为设计高灵敏度、小型化、无毒无铅的无线能量传输系统提供了一种高集成度、高生物兼容的解决方案。

压电MEMS超声换能器研究进展

MEMS(micro-electromechanical systems)超声换能器(MEMS ultrasonic transducer,简称MUT)是采用微电子和微机械加工技术制作的新型超声换能器。与传统超声换能器相比,MUT具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、频率控制灵活、频带宽、灵敏度高以及易于与电路集成和实现智能化等特点。是超声换能器的重要的研究方向之一。MUT的研究主要包括压电MUT(piezoelectric MUT,简称PMUT)和电容MUT(capacitiveMUT,简称CMUT)两个方面。本文概述了PMUT研究的发展进程和研究成果,展望了PMUT的研究和应用前景。

MEMS压电超声换能器二维阵列的制备方法

针对超声换能器阵列中阵元密度难以提升和工艺重复性差等问题,提出了一种基于硅-硅键合技术的MEMS压电超声换能器二维阵列的制备方法,并采用该方法制备了阵元间距小至150μm的密排二维换能器阵列。阵列中每个声学单元均为由上电极、压电材料(PZT)层、下电极和支撑层组成的多层膜结构,并通过其弯曲振动模式实现超声波的发射和接收。制备样品的测试结果表明,采用该方法制作MEMS压电超声换能器阵列,具有阵元间距小、工艺流程可靠、成品率高、一致性好、工作频率(2.45MHz)与设计值(2.5MHz)的吻合度高等优点,适用于医学成像等高频超声成像系统。

电容MEMS超声换能器研究进展

MEMS(micro-electromechanical systems)超声换能器(MEMS ultrasonic transducer,简称MUT)是采用微电子和微机械加工技术制作的新型超声换能器。与传统超声换能器相比,MUT具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、频率控制灵活、频带宽、灵敏度高以及易于与电路集成和实现智能化等特点。是超声换能器的重要的研究方向之一。MUT的研究主要包括压电MUT(piezoelectric MUT,简称PMUT)和电容MUT(capacitiveMUT,简称CMUT)两个方面。本文概述了CMUT研究的发展进程和研究成果,展望了CMUT的研究和应用前景。

基于ScAlN薄膜的高频PMUT阵列的设计与制造

高频压电微机械超声换能器(PMUT)应用于各种场景,如指纹识别、无损检测、医疗成像。在当前非侵入式血管成像应用中,存在换能器使用锆钛酸铅压电陶瓷(PZT)及局限于1-D PMUT阵列的问题。设计并制作了一种基于ScAlN材料压电薄膜的2D-PMUT阵列。为了进一步得到阵列最佳的输出性能,降低栅瓣影响,设计了间距为波长的1/2(300μm)的并联六边形阵列,增大了填充因子,降低了阻抗,提高了输出电流。采用SOI晶片作为PMUT的基本结构,设计了微机电系统(MEMS)工艺流程,并完成了晶片制作。通过扫描电子显微镜和聚焦离子束切割确定PMUT的形貌和结构尺寸,并且测得在水中的谐振频率为2.36 MHz。仿真与测试结果表明,测试误差为9.2%,位移灵敏度较好,有望满足非侵入式血管成像应用需求。

一种基于动态pMUT的距离与方向双向检测方法

超声波传感器是移动机器人广泛采用的空间感知手段。为了提高空间感知范围,现有移动机器人常采取多传感器组合的方式,导致感知系统体积大、功耗高、系统复杂。提出了一种基于动态压电微机械超声换能器(pMUT)的检测方法,实现了单颗器件的双向检测功能,使测量范围在小体积、低功耗情况下获得成倍的增加。该方法利用压电薄膜双向振动的特点得到超声波双向回波信号,从而获取两个方向的测量距离。测试表明,使用该方法后单向测量范围基本不变,能准确测量两个方向上障碍物的距离,并在动态情况下反映障碍物对应方向。该方法有助于简化感知系统,有望在微型机器避障等方面发挥重要作用。

国外医疗超声换能器的应用、研究和发展

医疗超声换能器或基阵不仅直接影响到医疗超声图像的质量,同时也决定了系统设备的应用。医疗超声换能器的研究和开发,涉及声学技术,基阵空间处理,信号处理,微电子技术,材料科学,测量和加工工艺等多个领域。本文对国外医疗超声换能器的应用和国外最近的研究和发展,作一个综述和介绍。本文分为3个部分。第1部分,根据目前医疗超声图像设备的应用,介绍医疗超声换能器的种类;本文的第2部分,介绍最近十几年以来,医疗超声换能器在技术上已经经历和正在经历的3个具有重要影响的发展;本文的最后部分,将介绍国外医疗超声换能器发展的一个重要趋向。

压电AlN MEMS的新进展

Si基微电子机械系统(MEMS)经过三十余年的发展已进入智能微系统的发展阶段,已成为当今MEMS技术创新发展的主流。当今半导体材料技术的科研已进入超宽禁带半导体的探索开发阶段,超宽禁带半导体AlN不但在功率电子学有较好的前景,而且AlN薄膜具有较好的压电性能,与CMOS工艺相兼容,压电AlN MEMS首先在手机应用的射频谐振器、滤波器方面取得突破,实现量产,近年来压电AlN MEMS已成为MEMS技术创新发展的热点。介绍了压电AlN MEMS在掺杂薄膜材料制备、新器件结构设计、新工艺、可靠性和应用创新等方面的最新进展,包含掺钪AlN薄膜研制、AlN薄膜多层结构、AlScN薄膜性能、AlN薄膜制备;体声波(BAW)谐振器与固体安装谐振器(SMR)、薄膜体声波谐振器(FBAR)和薄膜压电MEMS、轮廓模式谐振器(即兰姆波谐振器)、混合谐振器、AlN压电微机械超声换能器(PMUT)等结构创新;有利于CMOS集成,批量高可靠,压电AlN薄膜的晶圆量产,AlScN器件工艺优化;AlN MEMS热疲劳和抗辐照;谐振器与滤波器、能量收集器、物质和生物传感与检测、指纹传感器、图像器和麦克风、通信、微镜传感、柔性传感等方面研究成果。分析和评价了压电AlN MEMS关键技术进步和发展态势。

压电AlN MEMS的新进展(续)

Si基微电子机械系统(MEMS)经过三十余年的发展已进入智能微系统的发展阶段,已成为当今MEMS技术创新发展的主流。当今半导体材料技术的科研已进入超宽禁带半导体的探索开发阶段,超宽禁带半导体AlN不但在功率电子学有较好的前景,而且AlN薄膜具有较好的压电性能,与CMOS工艺相兼容,压电AlN MEMS首先在手机应用的射频谐振器、滤波器方面取得突破,实现量产,近年来压电AlN MEMS已成为MEMS技术创新发展的热点。介绍了压电AlN MEMS在掺杂薄膜材料制备、新器件结构设计、新工艺、可靠性和应用创新等方面的最新进展,包含掺钪AlN薄膜研制、AlN薄膜多层结构、AlScN薄膜性能、AlN薄膜制备;体声波(BAW)谐振器与固体安装谐振器(SMR)、薄膜体声波谐振器(FBAR)和薄膜压电MEMS、轮廓模式谐振器(即兰姆波谐振器)、混合谐振器、AlN压电微机械超声换能器(PMUT)等结构创新;有利于CMOS集成,批量高可靠,压电AlN薄膜的晶圆量产,AlScN器件工艺优化;AlN MEMS热疲劳和抗辐照;谐振器与滤波器、能量收集器、物质和生物传感与检测、指纹传感器、图像器和麦克风、通信、微镜传感、柔性传感等方面研究成果。分析和评价了压电AlN MEMS关键技术进步和发展态势。

超声波马达的发展──国内最新动态

基于最新参考文献与ＩＮＴＥＲＮＥＴ网络查询，本文提出超声马达或压电驱动器在我国科技领域最新的研究成果及其未来走向。其中，能够引起研究人员兴趣的尖端性领域包括；超声马达的微型化；具有多个自由度的压电驱动器；具有新颖结构的压电驱动器；超声马达的振动实验测试；高分辨率的压电驱动器；超声马达的使用寿命；超声马达的动力学模型等。

硅微ZnO压电薄膜传声器的研制

本文介绍了一种利用ZnO压电薄膜为换能器的硅微压电薄膜传声器的制备,并且对微机械加工工艺过程进行了较为详细的描述。本文对传声器的部分结构进行改进,与通常设计相比较大幅提高了传声器的性能,1000Hz基准频率的灵敏度达到-85dB(相对于1V/Pa),500Hz到10000Hz的频率响应的平坦度在±3dB范围内。

AlN薄膜PMUT阵列指向性仿真分析与阵列优化

由于氮化铝压电薄膜相对较低的压电常数限制了氮化铝基微机械超声换能器的发展和应用,因此针对该问题研究了氮化铝基微机械超声换能器阵列的指向性。首先依据瑞利原理计算了换能器阵的远场声压以及归一化指向性函数;进而仿真分析了阵元半径、阵元间距、阵元数量以及工作频率等因素对阵列波束宽度、方向锐度角和旁瓣级的影响,并对换能器阵进行了优化;最后根据优化结果、面积和填充效率等因素进行综合考虑,确定了换能器阵的最终结构尺寸,并对其声压分布进行了可视化仿真。仿真结果表明,优化后换能器阵具有较为理想的声压分布,指向性良好,主瓣尖锐,主瓣的-3 dB波束宽度为9°左右,旁瓣级为0.228左右。

压电型微驱动器

提出了一种新的微纳米传动机构及其传动比的设计计算方法，并为实验所验证．介绍了一种亚微米量级的闭环测控系统，工作稳定可靠，测控精度高，为微驱动器的研制成功打下了坚实基础，确保其性能技术指标达到了设计要求．

基于MEMS声发射传感器的齿轮故障检测系统

声发射传感器广泛应用于装备实时健康检测,而传统使用的压电陶瓷换能器存在体积大、能耗高、难集成及成本高等问题,因此设计了基于ScAlN的六边形压电薄膜声发射传感器。该传感器的体积为Φ18 mm×6 mm,在40~500 kHz带宽内,其表面波和纵波灵敏度均高于60 dB[Ref.V/(m/s)]。通过匹配层设计和封装后,搭建了齿轮故障检测系统,能有效区分正常齿轮和断齿信号。测试结果表明,基于微机电系统(MEMS)的压电薄膜声发射传感器可同时兼顾高灵敏度和微型化,在齿轮故障诊断方面具有较高的可靠性和准确性。

高频医用超声换能器的研究现状及发展趋势

超声换能器(也称超声探头)是医疗超声设备的关键部件之一,其特性的好坏直接影响甚至会限制到整个设备的性能。随着压电材料和微机电系统(简称MEMS)技术的不断发展,尺寸小、质量轻、频带宽、高分辨率、高频率、高灵敏度将是医用超声换能器未来主要的发展方向。综述目前国内外高频医用超声换能器的应用发展状况,重点探讨了其国内外发展的现状差异和主要问题,并根据高频医用超声换能器的现状对其未来的发展趋势进行展望。