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%。

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。

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。

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。

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。