基于PMN-PT壓電復(fù)合振動(dòng)膜的PMUT仿真與結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析

近年來(lái)，微機(jī)械超聲換能器（MUT）技術(shù)一直處于快速發(fā)展階段。與傳統(tǒng)的塊體型超聲換能器相比，MUT具有體積小、質(zhì)量小、集成度高及成本低等特點(diǎn)，因此已經(jīng)成為當(dāng)前超聲換能器領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)方向之一。其中，壓電式微機(jī)械超聲換能器（PMUT）具有易與水和空氣聲阻抗匹配，以及集成度高的特性，引起了學(xué)者的廣泛關(guān)注。PMUT在醫(yī)療成像、手勢(shì)識(shí)別、內(nèi)窺成像和指紋識(shí)別等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用，而靈敏度等性能是影響其成像質(zhì)量的主要因素。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，為了獲得性能良好的PMUT，中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所和中國(guó)科學(xué)院大學(xué)的研究人員對(duì)基于鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛（PMN-PT）圓形壓電復(fù)合振動(dòng)膜的PMUT等效電路模型進(jìn)行了分析，并采用有限元法對(duì)該P(yáng)MUT進(jìn)行了仿真分析，從而得到了其發(fā)射電壓響應(yīng)和接收靈敏度等性能指標(biāo)。隨后，研究人員調(diào)研了不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)PMUT性能的影響，為PMUT的結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了一定的指導(dǎo)。相關(guān)研究成果以“壓電微機(jī)械超聲換能器仿真與結(jié)構(gòu)優(yōu)化”為題發(fā)表在《壓電與聲光》期刊上。

PMUT有限元分析

壓電材料是影響PMUT性能的主要因素之一，常用的壓電材料有氮化鋁（AlN）、鋯鈦酸鉛（PZT）和氧化鋅（ZNO）。PMN-PT壓電材料是一種新型復(fù)合鈣鈦礦型弛豫鐵電材料，具有比PZT更高的壓電常數(shù)和機(jī)電耦合系數(shù)，且介電損耗因子僅為PZT的1/3。因此，該研究選用PMN-PT作為PMUT的壓電層。圖1為基于PMN-PT圓形壓電復(fù)合振動(dòng)膜的PMUT結(jié)構(gòu)示意圖。其振動(dòng)膜為圓形，直徑為80 μm，由器件硅層（厚度為5 μm）、熱氧層（厚度為0.3 μm）及壓電層（PMN-PT）組成。

圖1 基于PMN-PT壓電復(fù)合振動(dòng)膜的PMUT結(jié)構(gòu)示意圖

隨后，研究人員對(duì)該P(yáng)MUT的圓形復(fù)合振動(dòng)膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行了幾何建模，并在水域周圍設(shè)置了完美匹配層。其中，水域的半徑為200 μm，完美匹配層的厚度為20 μm。建模完成后，研究人員設(shè)置了該模型的物理場(chǎng)邊界條件。此外，為了對(duì)比不同壓電層厚度對(duì)PMUT靈敏度的影響，研究人員在建模過程中對(duì)PMN-PT壓電層的厚度進(jìn)行了參數(shù)化掃描，并以0.2 μm為間隔，在3.3 μm ~ 5.3 μm內(nèi)取值，對(duì)PMN-PT振膜結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元仿真分析。

圖2 PMUT半結(jié)構(gòu)截面圖

PMUT發(fā)射電壓響應(yīng)

圖3為具有不同厚度的PMN-PT壓電層的PMUT的發(fā)射電壓響應(yīng)曲線。從圖中可以看出，當(dāng)PMN-PT壓電層的厚度逐漸增加時(shí)，PMUT的發(fā)射電壓響應(yīng)呈現(xiàn)先增大后降低的趨勢(shì)。當(dāng)PMN-PT壓電層的厚度為4.5 μm時(shí)，PMUT的發(fā)射電壓響應(yīng)達(dá)到最大值（191.6 dB）。

圖3 具有不同厚度的PMN-PT壓電層的PMUT的發(fā)射電壓響應(yīng)曲線

PMUT接收靈敏度

圖4為具有不同厚度的PMN-PT壓電層的PMUT的接收靈敏度曲線。從圖中可以看出，隨著PMN-PT壓電層厚度的增加，PMUT的接收靈敏度基本呈線性上升趨勢(shì)。

圖4 具有不同厚度的PMN-PT壓電層的PMUT的接收靈敏度曲線圖

PMUT回路增益（損耗）

回路增益（損耗）可以定義為PMUT的實(shí)際接收電壓與輸入電壓之比，它能綜合反映PMUT的發(fā)射電壓響應(yīng)和接收靈敏度，從而表征PMUT在發(fā)射和接收過程中的損耗。圖5為具有不同厚度的PMN-PT壓電層的PMUT的回路增益（損耗）曲線圖。從圖中可以看出，隨著PMN-PT壓電層厚度的增加，PMUT的回路增益（損耗）呈上升趨勢(shì)，當(dāng)PMN-PT壓電層的厚度為5.1 μm時(shí)，PMUT的回路增益（損耗）達(dá)到最大值（-64.5 dB）。

圖5 具有不同厚度的PMN-PT壓電層的PMUT的回路增益（損耗）曲線

綜上所述，該研究采用等效電路模型以及有限元方法對(duì)基于PMN-PT圓形壓電復(fù)合振動(dòng)膜的PMUT進(jìn)行了結(jié)構(gòu)和性能優(yōu)化，為設(shè)計(jì)具有良好性能的PMUT提供了參考。

審核編輯：劉清