8英寸硅晶圆可量产的超高灵敏度MEMS超声换能器

来源：MEMS

编辑：感知芯视界 Link

超声传感器利用超声波在空气、水等介质中的传播特性实现物理量的感知，例如通过超声波飞行时间（ToF）测量距离、通过多普勒原理测量速度、通过超声波衰减程度判断材质等，目前广泛应用于汽车倒车雷达、工业自动化、指纹识别、人体成像等领域。伴随着超声传感技术的不断发展演进，人体存在检测、电池包检测、材质识别、手势识别、液位测量、流量测量等新式传感以及汽车智能座舱、汽车ADAS系统、智能仪表、智能门锁、智慧家电、可穿戴设备、机器人（无人机和扫地机等）等新式使用场景也逐渐进入人们的生活。

 

超声传感器通过核心元件——超声换能器（也称超声探头）发射和接收超声波，实现电学信号和超声信号的相互转换。传统的块体型压电陶瓷超声换能器已经统治超声传感领域近八十年，其笨重、低集成度、一致性较差的固有缺陷愈发限制了超声传感技术在新应用场景的发展进程。压电MEMS超声换能器（PMUT）作为替换传统技术的最有力竞争者之一，从上世纪90年代到今天一直得到人们的广泛关注。前人开发的压电MEMS超声换能器虽然尺寸较小，但最关键的灵敏度指标还未达到传统的超声探头水平，且并未展示出高良率和一致性（频率、声压等）的优势，因此一直没有达到人们期待的发展高度，严重阻碍了MEMS技术对传统块体型压电陶瓷技术的替代步伐和超声传感技术的应用深度、广度。

据麦姆斯咨询报道，近期，天津大学精密测试技术及仪器全国重点实验室庞慰课题组在MEMS超声换能器研发上取得突破性进展。课题组人员成功开发出基于薄膜AlN材料的超高灵敏度压电MEMS超声换能器，同时大幅提升了基于8英寸晶圆的MEMS超声换能器的良率和频率一致性。相关研究成果以“Ultrahigh-Sensitivity Coupled Cantilever and Dual-Cavity Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducers”为题于2024年5月在行业顶尖期刊IEEE Electron Device Letters（EDL）上发表，并入选封面Highlight论文。

 

据该论文通讯作者张孟伦和庞慰教授介绍，高度集成化的系统对超声传感模块以及超声换能器尺寸提出越来越苛刻的要求，但系统的智能化和数字化同时要求超声换能器性能不随尺寸减小而打折扣，该论文提出的压电MEMS换能器展现出全面的优越性能，在保持小尺寸的前提下，其灵敏度超越行业标杆村田压电陶瓷探头一个数量级以上（Table I）。高性能、小尺寸、低成本的压电MEMS超声换能器将在智能家居、智能汽车、智能终端、智慧城市、智慧安防、能源环境、工业生产、医疗健康等领域大放异彩，成为推动超声传感行业全面洗牌和快速革新的“宝藏”技术，而这项突破性工作取得的创新成果便是开启该宝藏的密钥。

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审核编辑 黄宇