基于悬臂梁和PDMS软弹簧的压电式微机械超声换能器，面向空中测距应用
2025-05-24 21:53:40   来源：麦姆斯咨询   评论：0   点击：

基于悬臂梁的压电式微机械超声换能器（PMUT）尽管具有良好的抗应力性能和高发射/接收灵敏度优势，但制造缺陷引起的异步振动和由此导致的长振动衰减尾波，严重限制了其在脉冲回波应用中作为收发器的潜力。

据麦姆斯咨询报道，近日，华中科技大学余洪斌教授课题组提出了一种创新的后处理工艺软连接策略。在这种情况下，特定的储液结构被专门集成到基于悬臂梁的PMUT设计中，在此帮助下，液态PDMS（聚二甲基硅氧烷）可以被精确地施加并自发驱动，通过毛细效应密封已经释放的悬臂梁之间的气隙。固化后，PDMS将从液态转变为固态，并作为软连接弹簧连接相邻悬臂梁，迫使其同步振动。同时，该处理工艺不会改变现有的制造工艺流程，对PMUT原有的性能影响很小。鉴于这种简单而有效的处理方法，所提出的策略在开发用于空中测距的高性能PMUT方面显示出巨大的前景。相关研究成果以“Cantilever beam-based piezoelectric micromachined ultrasonic transducer with post processing soft interconnecting strategy for in-air rangefinding”为题发表在Microsystems & Nanoengineering期刊上。

在这项工作中，所提出的基于悬臂梁的PMUT由四个相同的三角形压电悬臂梁组成，它们排列成方形，并电连接在一起以同时驱动。PMUT制备完成后，通过点胶机将液态PDMS注入直径为120 μm的储液器中，在毛细管力的驱动下，液态PDMS会自动填充到气隙区域。在该步骤中，由于PDMS在液态下具有低表面能和低杨氏模量（750 kPa），并且在固态下具有优异的弹性，因此选择PDMS作为密封材料。完全固化后，固态PDMS将充当一个软弹簧，连接相邻悬臂梁，并迫使它们同步振动。研究人员通过理论分析和有限元仿真研究了这种后处理策略的有效性。

本研究所开发的PMUT示意图

PMUT的制造结果

随后，研究人员对PUMT的机械响应和声学性能进行了表征，结果表明，处理后的PMUT器件成功地抑制了异步振动，并显著减少了振动衰减尾波。

PMUT发射声压测量结果

基于密封PMUT，研究人员构建了一个自收发距离测量装置。在实验中，为当前的PMUT设计了一个集传输/接收切换、信号放大和带通滤波功能于一体的前端电路。在随后的脉冲回波测距实验中，在69.2 kHz谐振频率、40 Vpp 40周期正弦信号驱动下，实现了270.8 mm ~ 3.8 m的距离探测范围，并且发散角接近170°。

自收发PMUT测距仪的实验装置

PMUT的衰减信号和测距

总而言之，研究人员提出了一种新型基于悬臂梁和PDMS软连接的PMUT，具有专门设计的储液结构，其中液体PDMS可以通过毛细效应自发地密封已经释放的悬臂梁之间的气隙。固化的PDMS将作为软弹簧连接相邻悬臂梁，以抑制其异步振动。首先通过理论分析和有限元仿真研究了这种后处理策略的有效性，随后通过机械和声学响应测量结果进行了验证。同时，通过与最先进的同类产品的性能比较，虽然当前PMUT的有效隔膜面积最小，但最大的距离检测能力已在实验中成功证明。基于该处理方法工艺简单且性能显著提高，同样的策略也可用于开发超声波传感器阵列，以进一步提高测距仪的性能，并实现手势识别和3D物体探测等扩展应用。值得注意的是，PDMS作为一种聚合物材料，暴露在紫外线（UV）辐射下可能会发生老化。因此，在实际应用中，应采取适当的封装措施，尽量减少强紫外线照射。

由于制造尺寸误差，特别是背腔蚀刻过程中产生的PMUT的横向尺寸偏差和硅器件层厚度的偏差，制造的PMUT器件的谐振频率与仿真结果存在明显偏差。未来，将研究工艺优化，以提高器件性能的一致性；此外，还可以将实际工艺参数纳入仿真模型，以进一步提高其精度。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41378-025-00939-x

延伸阅读：

《微机械超声换能器专利态势分析-2023版》

《压电式微机械超声换能器（PMUT）期刊文献检索与分析-2022版》