"怀长期主义，聊医工科技"
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| 今天的文章中，超哥为大家介绍一种基于低成本PZT薄膜的空气耦合压电微加工超声换能器（pMUT）阵列的制造方法。传统的空气耦合超声换能器通常体积较大，限制了其在超声触觉反馈和声学悬浮等应用中的商业化。本研究采用溶胶-凝胶法作为种子层，并通过射频溅射（RF sputtering）生长PZT薄膜，成功解决了传统PZT薄膜在制造过程中由于热膨胀不匹配而导致的裂纹问题。制造的PZT薄膜具有高剩余极化值（113.35 μC/cm²）和较低的矫顽场（211.6 kV/cm），展现了优异的压电性能。基于此薄膜，研究人员设计并制造了工作频率为40-60 kHz的pMUT阵列，通过有限元法（FEM）优化了pMUT的设计结构。实验结果表明，pMUT阵列在3厘米距离处的最大声压达到87.4 Pa，这是目前已知的低于100 kHz的空气耦合pMUT阵列中的最高声压，显示出其在中频超声应用中的巨大潜力。该研究为高效低成本的超声技术应用提供了新的解决方案，具有广泛的应用前景，特别是在触觉反馈和声学悬浮领域。 |
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随着半导体技术的发展，用于大规模相控阵列的控制和驱动电路已经变得更加廉价和紧凑，这使得空气耦合超声换能器阵列的应用成为可能。空气耦合超声换能器被广泛应用于超声触觉反馈和声学悬浮等领域。然而，目前的空气耦合超声换能器体积较大，限制了这些应用的商业化。为了解决这个问题，研究者提出了压电微加工超声换能器（pMUT）来取代传统的超声换能器。尽管PZT（铅锆钛酸盐）薄膜是pMUT中最常用的压电材料，但现有的PZT薄膜制造方法较为昂贵，且需要稀有金属。因此，本研究提出了一种低成本且可靠的PZT薄膜制造方法。
PZT薄膜制造方法
为了降低PZT薄膜的制造成本并提高其可靠性，研究人员采用了商业化的溶胶-凝胶溶液作为种子层，然后通过射频溅射法生长主PZT薄膜。这一方法能够降低薄膜的热膨胀匹配问题，并且减少了昂贵溶胶-凝胶溶液的使用。通过这种方法，研究人员成功地实现了具有较高剩余极化（113.35 μC/cm²）和较低的矫顽场（211.6 kV/cm）的PZT薄膜。
(a) 研究提出的 pMUT 结构。(b) 提出的 pMUT 的有限元模型侧视图。
pMUT的设计与优化
在PZT薄膜制造完成后，研究人员设计并制造了工作频率为40-60 kHz的pMUT和pMUT阵列。通过有限元法（FEM）对pMUT的结构参数进行了优化，确保了设备能够在高效率下工作。为了测试其性能，研究人员使用标准麦克风测量了3厘米距离处的声压值。结果表明，pMUT的最大声压为0.764 Pa/V，谐振频率为52.2 kHz，而pMUT阵列的最大声压达到87.4 Pa。这是目前已知的低于100 kHz的空气耦合pMUT阵列中的最高声压值，显示了该PZT薄膜沉积方法在高声压中频超声应用中的巨大潜力。
通过将单个 pMUT 替换为声源来模拟 pMUT 阵列的方法。Pm 是在 pMUT 上方 3 厘米处测得的声压。P0 是发射源的初始声压，它是通过 Pm 计算得到的
空气耦合pMUT阵列的性能
通过对pMUT阵列的进一步实验，研究人员发现，pMUT阵列在驱动电压为50 VPP时，3厘米距离处的声压达到了87.4 Pa，这比其他空气耦合pMUT阵列的输出声压要高。该阵列的工作频率为52.2 kHz，表明其非常适用于超声触觉反馈和声学悬浮等应用。
研究还表明，当输入信号为12.5 VPP时，pMUT阵列的声压效率为6.912 Pa/V，这进一步展示了该阵列在不同电压和距离下的高效性能。通过模拟和实际测量结果，研究人员对阵列的声压分布进行了对比，并发现该阵列能够有效聚焦声波，提升声压输出。
pMUT 的制造过程。SOI = 硅基绝缘体；BOE = 缓冲氧化物刻蚀；ICP = 感应耦合等离子体
性能评估与应用前景
本研究的pMUT阵列具有超高声压输出，尤其适用于中频超声应用，如触觉反馈和声学悬浮。与其他基于PZT的pMUT阵列相比，本研究提出的阵列具有更高的输出声压，且结构更加紧凑，易于控制。与使用氮化铝（AlN）作为驱动材料的pMUT阵列相比，尽管其工作频率较低，但在空气中传播的效率更高，且声压衰减较慢。这使得该PZT薄膜制造方法在超声触觉反馈和声学悬浮等领域具有广泛的应用前景。
(a) 未聚焦的 725 µm 半径 pMUT 阵列的模拟声压分布。(b) 未聚焦的 725 µm 半径 pMUT 阵列的实测声压分布。(c) 聚焦的 725 µm 半径 pMUT 阵列的模拟声压分布。
结论
本研究提出了一种新型的PZT薄膜制造方法，成功解决了PZT薄膜在高温下热膨胀匹配问题，并展示了其在压电传感器和驱动器中的应用潜力。该方法不仅降低了生产成本，还提高了PZT薄膜的极化性能，使其在超声波触觉反馈和声学悬浮等领域具有广泛应用的可能。通过优化pMUT阵列的设计，研究人员成功地展示了具有高输出声压和优异性能的pMUT阵列，显示出这一技术在未来中频超声应用中的巨大潜力。
参考文献
Lin, Jia-Ling, Ya-Han Liu, Chien-Lun Kao, Shao-Wei Wu, Han-Jen Hsu, Hsiao-Chi Lin, Chih-Ying Li, Chun-Yuan Chen, Yenog-Her Wang, and Chih-Hsien Huang. "Air-coupled piezoelectric micromachined ultrasonic transducer array based on low-cost and large remnant polarization PZT thin film." (2024).
"怀长期主义，聊医工科技"
我是超哥，超声行业17年老伙计，做过研发，搞过生产，趟过市场，开过（在开）公司；越野跑爱好者；工作狂；沟通粗暴直接；严苛完美主义者；起伏皆为过往；信奉长期主义和第一性原则；欢迎来聊来组局...
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