压电式MEMS超声换能器（PMUT）优化设计与制造
2026-11-08 20:30:46 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
这项研究采用PVDF压电材料和微加工技术制备了一种经过优化设计的压电式MEMS超声换能器（PMUT），在生物力学传感应用中表现出高灵敏度、高能量转换效率和高工作可靠性。
随着医疗诊断、工业监测和智能感知技术的不断发展，市场对高效、可规模化生产且具有成本效益的超声换能器系统的需求日益受到关注。压电式超声换能器现已成为多种传感技术中的关键组成部分，广泛应用于生物医学仪器、超声成像和无损检测等领域。在这些应用中，能量转换效率直接影响系统的整体性能。然而，尽管压电式超声换能器具有较高的能量转换效率，但仍存在一些不足，主要包括制造成本高、组装工艺复杂、机械特性较脆以及可规模化生产能力较差等问题。
为解决上述问题，压电式MEMS超声换能器（PMUT）成为制造商的一种理想选择。与传统的压电块体型超声换能器相比，PMUT具有微型化程度高、集成度高以及机电性能更优等优势。据麦姆斯咨询报道，近期，研究人员对PMUT展开了设计与制造协同优化研究，实验测试结果显示，优化后的PMUT在灵敏度、稳定性和工作可靠性等关键性能指标上均有显著提升。研究表明，PMUT具有成本效益高、结构紧凑和性能优异等特点，可作为一种具有竞争力的替代方案，应用于生物医学诊断、工业传感和结构健康监测等领域。上述研究成果以“Synergistic Optimization of Piezoelectric Transducers”为题发表于国际会议ICASS 2026。
基于COMSOL软件的PMUT器件设计
研究人员采用COMSOL软件对PMUT器件的几何结构和材料参数进行设计与仿真优化，以实现其在生物医学应用中的最佳性能和灵敏度。研究表明，结构优化和材料优化对于增强信号强度、同时保证机械稳定性具有重要作用。本研究选用聚偏二氟乙烯（PVDF）作为压电材料。PVDF具有优异的压电性能、良好的柔性和生物相容性，同时具备质量轻、耐化学腐蚀以及易于加工等特点，因此适合作为生物医学应用中的传感材料。
为确定PMUT的最佳工作条件，采用固有频率分析以确定其自然谐振频率。在仿真模型中，将PVDF压电层附着于硅衬底上。固有频率分析旨在研究PMUT的振动模态，以获得能够最大限度保证信号保真度的工作条件。仿真计算得到PMUT的基频为6.7562 kHz，处于适用于生理参数监测且噪声干扰较低的频率范围内。
此外，研究人员还对PMUT在生理运动引起的机械形变作用下所产生的感应电压进行了计算。具体而言，通过对胸壁施加机械载荷，模拟胸壁运动引起的形变，并分析由此产生的电势分布。计算得到的电势为3.22 × 10⁻³ V，这验证了该PMUT的灵敏度，以及用于体内无创生理参数监测的潜力。
制造工艺与PMUT器件原型
该PMUT按照预先设计的工艺流程进行开发，以实现较高的制造精度、功能耐久性和结构精确性。制造工艺流程首先从衬底的选择与预处理开始。为此，首先对硅晶圆进行彻底清洗，以去除晶圆表面的各类有机物和金属污染物。随后，通过可控氧化工艺在衬底表面形成一层薄的绝缘层，以实现电隔离并提高材料的长期稳定性。接下来，采用光刻工艺形成预定的图形结构。具体而言，首先均匀涂覆一层厚度受控的特定涂层材料，随后进行精确的掩模对准。通过受控曝光和显影，将设计好的图形转移至衬底上，从而实现精确的微结构图案化。为获得较高的结构加工质量，使用了干法刻蚀和选择性湿法刻蚀技术。
随后，采用精密涂覆工艺沉积压电层，并对沉积过程进行严格控制，以确保压电层厚度均匀、材料组成均一。沉积完成后，进行退火处理，以增强材料本征压电性能，改善其机电响应特性。通过结构化薄膜沉积工艺，将导电通路集成至薄膜中，并制备经过精确设计的电极结构，以最大限度地提高电荷传输效率和信号传输能力。
通过上述严谨的工艺流程方案，结合计算机建模与精心规划的制造工艺，最终成功制备出一种高性能PMUT，如图1所示。将仿真驱动的设计方法与微加工工艺相结合，充分体现了先进工程技术在生物医学传感领域的应用潜力。
图1 PVDF PMUT器件原型
PMUT器件性能分析与应用
研究人员采用COMSOL软件的多物理场仿真方法，对所设计的PMUT器件进行性能分析。固有频率仿真结果表明，该PMUT的自然谐振频率为6.75762 kHz，处于生物医学应用所需的频率范围内。此外，电势仿真结果表明，在施加1 Pa的压力作用下，PMUT可产生3.22 × 10⁻³ V的输出电压，表明其对生理信号具有较高的灵敏度。仿真与实验测试所得结果如图2所示。电势和固有频率是评价换能器性能的两个重要指标，分别反映其灵敏度和谐振特性。图2展示了这两个性能指标之间的关系，以及固有频率变化对换能器输出电势的影响。固有频率的提高通常伴随着振动模态稳定性的增强，从而有利于在PVDF压电层中更有效地产生电荷。相比之下，电势的波动则反映了材料对外部机械载荷的响应，以及其在生物化学相关应用领域中的传感能力。
图2 PMUT宽度变化对电势和频率的影响
经处理后获得的信号可应用于多种生物医学场景，例如：心脏监测，测量心跳引起的振动以及心率变异性（HRV）。该PMUT非常适合应用于可穿戴健康设备和实时监测系统，可用于患者、运动员的监测或家庭健康应用；也可通过集成无线遥测技术应用于重症监护室（ICU）环境，实现对患者的远程监测。
结论
综上所述，这项研究采用PVDF压电材料和微加工技术制备了一种经过优化设计的PMUT，在生物力学传感应用中表现出高灵敏度、高能量转换效率和高工作可靠性。计算建模与实验测试结果验证了该PMUT能够用于心跳、呼吸等生理参数的实时精确测量。优化后的电极结构与改进的信号处理方法相结合，显著降低了噪声干扰对信号测量的影响。系统化的制造工艺不仅提高了器件的结构鲁棒性，也增强了其规模化生产能力，使其具备应用于下一代生物医学和工业传感领域的潜力。未来研究可重点关注以下方向：进一步实现器件微型化、集成多种传感器件，以及针对特定应用场景开展性能优化。
论文信息：DOI: 10.1109/ICASS69550.2026.11547725
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延伸阅读：
《压电式微机械超声换能器（PMUT）期刊文献检索与分析-2022版》
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