压电微机械超声换能器(PMUT)设计

近年来，基于MEMS的超声换能器技术一直处于快速发展和增长阶段，广泛应用于医疗阵列成像、手势识别、内窥成像、指纹识别等领域。

超声换能器主要分为压电微机械超声换能器(PMUT)和电容微机械超声换能器(CMUT)。PMUT结构主要为微加工的压电复合多层振动膜，超声波的发射和接收通过振膜的弯曲振动来实现，因易与水和空气声阻抗匹配，集成度高，受到广泛关注。对PMUT而言，发射电压响应和接收灵敏度是影响其成像质量的关键因素。

据麦姆斯咨询报道，中国科学院声学研究所声场声信息国家重点实验室的研究人员通过对基于PMN-PT圆形压电复合振动膜的PMUT发射和接收等效电路模型进行分析，并通过有限元法研究了压电层PMN-PT厚度对PMUT性能的影响，为PMUT的结构优化提供了更多思路。相关研究成果已发表于《压电与声光》期刊。

压电材料是影响PMUT性能的主要因素之一，常用的压电材料有AIN、PZT和ZnO。PMN-PT压电材料是一种新型复合钙钛矿型弛豫铁电材料，具有比PZT更高的压电常数和机电耦合系数，且介电损耗因子仅为PZT的1/3。

该项研究中，研究人员选用PMN-PT作为PMUT的压电层。为了对比不同压电层厚度对PMUT灵敏度的影响，在建模过程中对压电层PMN-PT厚度进行参数化扫描，以0.2 μm为间隔，在3.3~5.3 μm内取值，对PMN-PT振膜结构进行有限元仿真分析。

PMUT接收灵敏度等效电路图

PMUT的结构示意图

仿真结果表明，当压电层PMN-PT厚度逐渐增加时，发射电压响应级先增大后降低。当压电层PMN-PT厚为4.5 μm(厚度为基底厚度的90%)时，换能器的发射电压响应级最大，达到191.6 dB;随着压电层PMN-PT厚度的增加，换能器的接收灵敏度级基本呈线性上升趋势，回路增益(损耗)也呈上升趋势，当压电层PMN-PT厚度为5.1 μm(厚度为基底厚度的102%)时，回路增益(损耗)最大，达到-64.50 dB。

不同压电层PMN-PT厚度的PMUT的发射电压响应级曲线

不同压电层PMN-PT厚度的PMUT的接收灵敏度级曲线图

不同压电层PMN-PT厚度的PMUT的回路增益(损耗)曲线

综合而言，通过调整压电材料并进行结构优化可以有效提高PMUT的灵敏度，该研究为设计开发更高灵敏度的PMUT提供了一定的指导。

审核编辑：汤梓红