压电MEMS超声换能器如何解决解决频率控制难题?

MEMS/传感技术

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超声波传感技术被广泛应用于工业、医疗等领域,如成像、测距、测流量等。与传统的压电陶瓷超声换能器相比,压电MEMS超声换能器(PMUT)具有体积小、功耗低、CMOS工艺兼容性等优点。众所周知,PMUT的发射/接收灵敏度与其谐振频率控制是相互制约的:更薄的振膜可以提高单位面积下的灵敏度,但同时会加剧残余应力和尺寸偏差对谐振频率的负面影响。因此,一般情况下高灵敏度的PMUT面临着严峻的频率控制难题;尤其对于空气耦合型PMUT,其较低的带宽对频率控制能力提出更严格的要求和极大的挑战。

据麦姆斯咨询报道,近日,天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室MEMS课题组的研究人员在IEEE Journal of Microelectromechanical Systems期刊Letter板块发表了题为“Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducers With Superior Frequency Control”的论文(10.1109/JMEMS.2023.3305461)。该论文提出的PMUT方案解决了频率控制与高灵敏度相互制约的难题,介绍了相关理论以及新方案的设计、制造和测试表征结果。

超声换能器


Tapered Cantilever Cluster PMUT(TCCP)方案

超声换能器

TCCP方案实物照片及加工流程

据论文通讯作者张孟伦和庞慰教授介绍,这项研究工作提出的TCCP(Tapered Cantilever Cluster PMUT)方案可以释放振膜的残余应力,同时精确定义振膜边界,从而实现优越的频率控制水平。测试结果表明,TCCP方案的晶圆级频率一致性和目标频率偏差分别达到0.8%和1%,与传统的CCP(Circular Clamped PMUT)设计方案相比,其频率控制能力提升了1个数量级。据了解,这是全球首次展示达标1%的频率控制水平。

超声换能器

频率控制性能测试和能力对比

此外,这种新方案不需要SOI硅片和trimming频率调整工艺,同时降低了应力控制工艺要求,因此易于实现大批量高良率制造,具有显著的成本效益。它提供了一种高性能、低成本的解决方案,将大幅提升压电MEMS超声换能器在超声波气体流量计、波束形成阵列等应用中的竞争力。

编辑:黄飞

 

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