薄膜PMUT研究进展综述

据麦姆斯咨询报道，近日，新加坡国立大学（National University of Singapore）和新加坡科技研究局（A*STAR）微电子研究所的研究人员组成的团队在Microsystems & Nanoengineering期刊上发表了题为“Thin-film PMUTs: a review of over 40 years of research”的综述论文，该论文的通讯作者为新加坡国立大学的Chengkuo Lee副教授。

薄膜PMUT一直是微超声专家的重要研究课题，本文对其研究进展进行了简要综述。通过严格的调研，确定该领域的工作始于近44年前功能性压电薄膜材料的原始发展。迄今为止，已有三家大型公司将薄膜PMUT大规模商业化。这种商业化体现了来自四大洲的70多个不同的中心、研究机构在这些器件的设计、制造和功能的巨大发展方面做出的广泛贡献。

这篇综述以简短而全面的方式涵盖了这些重要贡献；特别是，本文向读者介绍了全球PMUT前景、其主要设计原理、制造方法、非常规但有用的PMUT设计以及分类应用，描述并讨论了用于PMUT的薄膜压电材料的性能对比及其明确的目标应用，以启发计划研发PMUT的MEMS设计人员。此外，每个相关章节都以作者过去在这一研究领域的知识和专业知识以及仔细的文献调研结果为基础，对未来进行了明确的预测。简而言之，这篇综述为任何有兴趣了解这些微型器件的人们提供了一站式的省时指南。

PMUT的演变：从过去到现在

作为一种换能器，与商业化的块体厚膜超声换能器相比，PMUT具有三个主要优势：（a）其只需要相对较低的驱动电压来产生每单位面积的单位声压（Pa/V/mm²），使其适用于便携式低功耗应用；（b）由于与周围环境的有效阻抗匹配，其可以在空气和水中工作；（c）可以被制成微小的外形，从而增强了其对空间限制应用的适用性。

图1a显示了微加工制造的PMUT的示意图。图1b显示了由作者团队制造的不同的PMUT芯片，这些芯片都具有独特的适用性。通过观察PMUT的研究历史，可以发现研究人员在材料开发、创新PMUT设计和应用方面已经取得了巨大的进步。图1c是里程碑式工作成果的图示。在这些里程碑式的工作成果中，一些进一步的贡献已被列为所附2D列表中的特色贡献（见图1d）。

图1 PMUT及其演变

根据文献统计显示，全世界有近70个地方在开展PMUT研究工作，它们遍布四大洲（包括大学和机构/公司）。从广泛开展PMUT研究的地点数量来看，亚洲、欧洲、北美、澳大利亚分别有30、18、21、1个PMUT热点（图2a）。从发表的文献来看，其数量呈指数级增长，从2012年发表的14篇（图2b）增加到2021年的79篇，这表明研究人员在这一领域创造新成果的需求不断增加。

图2 PMUT全球研发概况

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PMUT已被三家公司商业化（图2c）：高通（Qualcomm）、TDK和Exo Imaging。高通公司开发了首款商用手机屏下PMUT（称为3D声波传感器），用于识别3D指纹。TDK已将与专用集成电路（ASIC）集成的PMUT商业化，并将其命名为CH101和CH201，分别适用于1.2米和5米范围内的飞行时间（ToF）测距。Exo Imaging开发了一款名为Cello的手持式超声成像原型机，其中包含4096个用于多谐波成像的低功率PMUT。

PMUT设计基础

PMUT通过离面振动来发射/接收声音，它们通常以圆形制造。在其振动基频下，振型最好通过改进的抛物线形状来捕获（图3a）。PMUT结构由重要的两层：器件层和压电有源层构成（图3b）。在结构上，PMUT可以表现为板、膜或两者兼而有之。板的振动声学响应是由弯曲刚度决定的（图3c），而膜的响应是由预张力决定的（图3d）。

在功能方面，PMUT可以分为三类——发射器、接收器和收发器——系统级模型最适合解释它们。利用代表压电机电耦合的理想转换器，集总参数模型将电域和力声域耦合。图3h为发射器模型，图3i为接收器模型。

图3 PMUT设计基础可根据PMUT结构和功能分为两类

图4a显示了迄今为止PMUT所使用的各种薄膜压电材料：（i）氧化锌（ZnO）；（ii）锆钛酸铅（PZT）；（iii）聚偏二氟乙烯-三氟乙烯P(VDF)-TrFE；（iv）氮化铝（AlN）；（v）15%的钪掺杂AlN（Sc0.15AlN）；（vi）PZT纤维外延膜；和（vii）铌酸钾钠（KNN），文中对其性能作了对比和讨论。

在制造方面，PMUT阵列可大致分为刚性阵列和柔性阵列。刚性阵列具有零适形性，并且目标应用不要求表面可附着性，而柔性阵列可以是部分到完全适形的。刚性PMUT可通过体微加工技术和表面微加工技术制备，如图4b和4c所示。柔性PMUT阵列可分为具有刚性单元的柔性阵列和全柔性阵列，其制造工艺流程如图4d和4e所示。

图4 PMUT制造工艺流程示意图

特殊PMUT

研究人员描述了结构和功能上的非常规PMUT，将其大致分为结构改进型PMUT和柔性PMUT，如图5a和图5b所示。PMUT在结构上进行了修改，以提高其各种参数方面的性能水平，包括弯曲/发射灵敏度、指向性和带宽。最近，可穿戴传感器的开发出现了激增现象。PMUT已经进行了明智的改进，以开发具有可穿戴性和适应各种表面拓扑结构的额外优势的柔性阵列。

图5 特殊PMUT可分为结构改进型PMUT和柔性PMUT

PMUT应用

PMUT应用可分为发射器、接收器和收发器。作为发射器，PMUT产生超声，并已应用于治疗学、医疗保健、通信和触觉等领域，如图6a所示。作为接收器，PMUT接收超声，适用于光声（PA）成像、PA检测、开关、通信和能量收集等领域，如图6b所示。作为收发器，PMUT发射和接收超声；此外，它们可以采用差分驱动传感方案作为频移器件，或者可以作为彼此面对的孪生器件的发射-接收对，应用如图6c所示。

图6 PMUT应用

综上所述，这篇简明的综述为自PMUT制造之初以来进行的重要工作提供了一个完整的参考，并使读者全面了解PMUT历史、当前进展、其设计及其在各种应用中的潜力。尽管PMUT带来了新的超声革命，但与其它技术类似，其也有其优点和缺点。其优点已在前面讨论过。与传统的压电换能器相比，其缺点包括无法产生高强度超声波、后端相对复杂以及新企业在资金和时间方面的投资成本较高。尽管存在这些限制，但PMUT有望在未来几年继续生存和繁荣，并且有望被同行研究人员和企业家应用于开发适合推动MEMS超声革命的有意义应用。

审核编辑：刘清