近年來，微機械超聲換能器（MUT）技術一直處于快速發展階段。與傳統的塊體型超聲換能器相比，MUT具有體積小、質量小、集成度高及成本低等特點，因此已經成為當前超聲換能器領域研究的熱點方向之一。其中，壓電式微機械超聲換能器（PMUT）具有易與水和空氣聲阻抗匹配，以及集成度高的特性，引起了學者的廣泛關注。PMUT在醫療成像、手勢識別、內窺成像和指紋識別等領域有著重要的應用，而靈敏度等性能是影響其成像質量的主要因素。

據麥姆斯咨詢報道，為了獲得性能良好的PMUT，中國科學院聲學研究所和中國科學院大學的研究人員對基于鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛（PMN-PT）圓形壓電復合振動膜的PMUT等效電路模型進行了分析，并采用有限元法對該PMUT進行了仿真分析，從而得到了其發射電壓響應和接收靈敏度等性能指標。隨后，研究人員調研了不同的結構參數對PMUT性能的影響，為PMUT的結構優化提供了一定的指導。相關研究成果以“壓電微機械超聲換能器仿真與結構優化”為題發表在《壓電與聲光》期刊上。

PMUT有限元分析

壓電材料是影響PMUT性能的主要因素之一，常用的壓電材料有氮化鋁（AlN）、鋯鈦酸鉛（PZT）和氧化鋅（ZNO）。PMN-PT壓電材料是一種新型復合鈣鈦礦型弛豫鐵電材料，具有比PZT更高的壓電常數和機電耦合系數，且介電損耗因子僅為PZT的1/3。因此，該研究選用PMN-PT作為PMUT的壓電層。圖1為基于PMN-PT圓形壓電復合振動膜的PMUT結構示意圖。其振動膜為圓形，直徑為80 μm，由器件硅層（厚度為5 μm）、熱氧層（厚度為0.3 μm）及壓電層（PMN-PT）組成。

圖1 基于PMN-PT壓電復合振動膜的PMUT結構示意圖

隨后，研究人員對該PMUT的圓形復合振動膜結構進行了幾何建模，并在水域周圍設置了完美匹配層。其中，水域的半徑為200 μm，完美匹配層的厚度為20 μm。建模完成后，研究人員設置了該模型的物理場邊界條件。此外，為了對比不同壓電層厚度對PMUT靈敏度的影響，研究人員在建模過程中對PMN-PT壓電層的厚度進行了參數化掃描，并以0.2 μm為間隔，在3.3 μm ~ 5.3 μm內取值，對PMN-PT振膜結構進行了有限元仿真分析。

圖2 PMUT半結構截面圖

PMUT發射電壓響應

圖3為具有不同厚度的PMN-PT壓電層的PMUT的發射電壓響應曲線。從圖中可以看出，當PMN-PT壓電層的厚度逐漸增加時，PMUT的發射電壓響應呈現先增大后降低的趨勢。當PMN-PT壓電層的厚度為4.5 μm時，PMUT的發射電壓響應達到最大值（191.6 dB）。

圖3 具有不同厚度的PMN-PT壓電層的PMUT的發射電壓響應曲線

PMUT接收靈敏度

圖4為具有不同厚度的PMN-PT壓電層的PMUT的接收靈敏度曲線。從圖中可以看出，隨著PMN-PT壓電層厚度的增加，PMUT的接收靈敏度基本呈線性上升趨勢。

圖4 具有不同厚度的PMN-PT壓電層的PMUT的接收靈敏度曲線圖

PMUT回路增益（損耗）

回路增益（損耗）可以定義為PMUT的實際接收電壓與輸入電壓之比，它能綜合反映PMUT的發射電壓響應和接收靈敏度，從而表征PMUT在發射和接收過程中的損耗。圖5為具有不同厚度的PMN-PT壓電層的PMUT的回路增益（損耗）曲線圖。從圖中可以看出，隨著PMN-PT壓電層厚度的增加，PMUT的回路增益（損耗）呈上升趨勢，當PMN-PT壓電層的厚度為5.1 μm時，PMUT的回路增益（損耗）達到最大值（-64.5 dB）。

圖5 具有不同厚度的PMN-PT壓電層的PMUT的回路增益（損耗）曲線

綜上所述，該研究采用等效電路模型以及有限元方法對基于PMN-PT圓形壓電復合振動膜的PMUT進行了結構和性能優化，為設計具有良好性能的PMUT提供了參考。

審核編輯：劉清