CMOS兼容的超构表面PMUT，增强超声波发射性能
2026-11-01 12:58:11 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
研究人员开发了一种集成超构表面的PMUT，显著提升了电-声能量转换效率，从而大幅改善了发射性能。该PMUT性能特点尤其适用于长距离物体传感以及便携式和植入式设备等要求苛刻的应用场景。
微系统的持续小型化不断推动着传感器和执行器技术的发展，从而产生了对兼具小尺寸与高性能的换能器需求。压电微机械超声换能器（PMUT）采用MEMS技术制造，具有紧凑的尺寸、低功耗、与CMOS兼容性。PMUT基于压电振膜的架构支持大规模阵列的可扩展集成，这一特性对于增强远程测距、流量测量和植入式设备等众多应用中的信号强度和穿透深度至关重要。然而，PMUT较低的发射灵敏度阻碍了其广泛应用。
据麦姆斯咨询报道，上海师范大学张巧珍副教授课题组开发了一种集成超构表面的PMUT，其具有沟槽“轮毂-辐条”结构，并在SiO₂/Pt/PZT/Pt/SiO₂/Si多层堆叠结构上制造而成。实验测量验证了该PMUT设计的有效性，显示机电耦合系数从0.68%增加到2.95%。该器件在10 cm处实现了0.71 Pa/V的发射灵敏度，比传统的设计提高了2.36倍。这些结果，结合具有成本效益的硅基CMOS兼容制造工艺，确立了该超构表面PMUT作为一种高度可行且具有竞争力的技术，适用于下一代超声系统的商业化。相关研究成果以“CMOS-compatible metasurface piezoelectric micromachined ultrasonic transducers for enhanced ultrasonic transmission”为题，发表于Phys. Rev. Applied期刊。
在这项工作中，研究人员开发了一种集成超构表面的PMUT（简称：meta-PMUT）设计。该拓扑结构在PZT压电层上蚀刻出梯形沟槽，在图案化的SiO₂覆盖层中形成相应的轮毂-辐条式超构表面。尽管这种meta-PMUT与常规PMUT使用相同的材料厚度，包括2 μm的SiO₂层、0.1 μm的Pt电极、1 μm的PZT、0.16 μm的SiO₂绝缘层以及400 μm的Si衬底，但其结构布局存在根本性差异。该meta-PMUT具有一个由四条径向辐条连接的“中心轮毂”，而整体空腔尺寸仍保持775 μm的宽度。
（a）传统8×8 PMUT阵列；（b）方形平板式PMUT单元；（c）轮毂-辐条式meta-PMUT单元
该meta-PMUT设计的声学性能通过单个单元响应频谱的频率域仿真进行了评估。meta-PMUT的谐振频率为60.2 kHz，略低于方形平板式PMUT，这归因于梯形沟槽的刚度降低效应。这些沟槽形成多边辐条，将振膜分割成由梁状支撑件围绕的中心板。这种构造使边缘局部刚性增强，同时通过支撑结构最大限度地减少能量损耗，从而将模态应变和动能集中在更柔韧的中心区域，使第一模态更接近活塞。这些结构上的改进大大改善了动态响应。
仿真结果
此外，该meta-PMUT还表现出良好的衬底级特性，硅衬底边缘的仿真位移减少了约123%。这种对衬底振动的抑制表明，密集阵列中的声学串扰减少了，这在成像应用中是一个关键优势，因为阵列单元之间的机械耦合往往会降低空间分辨率。
研究人员还展示了meta-PMUT的制造工艺流程，其与传统方形平板式PMUT的主要区别在于超构表面层的图案化。在定义好压电特征结构后，首先沉积一层2 μm厚的保形SiO₂层，随后进行蚀刻以暴露电极接触点和释放通孔，并引入一个中心排气孔以平衡静压并确保振膜的稳定性。
meta-PMUT的CMOS兼容制造工艺流程及制造结果
电阻抗测量结果证实了能量转换效率的显著提高，meta-PMUT在59.8 kHz处实现了2.95%的机电耦合系数，大幅超过方形平板式PMUT参考器件在85.4 kHz处测得的0.68%。能量转换效率的提升直接转化为优异的声学输出：meta-PMUT在10 cm处实现了0.71 kPa/V的发射灵敏度，相较传统设计提升了2.36倍。除了单个器件的性能之外，meta-PMUT还展示了优异的制造一致性。晶圆级频率测量显示，轮毂-辐条式架构将最大谐振频率的变化降至仅3.7%，远低于在同一晶圆上制造的方形平板式PMUT中观察到的9.8%偏差。这种优异的均匀性证实了沟槽超构表面在减轻工艺引起的残余应力方面的有效性。
实验测试结果
总而言之，研究人员开发了一种集成轮毂-辐条式超构表面的硅基pMUT。该设计在主动放大器件机械位移的同时，策略性地抑制了微加工中常见的残余应力。通过结合仿真与实验结果证实，该方法显著提升了电-声能量转换效率，从而大幅改善了发射性能。这些特性——增强的灵敏度、优异的均匀性以及简便的集成性——使该meta-PMUT成为下一代超声系统商业化应用极具前景的平台，其性能特点尤其适用于长距离物体传感以及便携式和植入式设备等要求苛刻的应用场景。
论文链接：https://doi.org/10.1103/3fll-bmnz
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