超聲換能器在許多領域都被廣泛應用，如醫學成像、無損檢測、目標識別等領域。MEMS超聲換能器主要有電容式MEMS超聲換能器和壓電式MEMS超聲換能器兩種。電容式超聲換能器可以達到較高的機電耦合系數，但是也需要小的空氣間隔和大的偏置電壓，制造難度較大。壓電式超聲換能器則不需要偏置電壓也可以工作。目前廣泛應用的壓電材料主要是鋯鈦酸鉛（PZT）和氮化鋁（AIN）。雖然AIN的壓電系數較PZT低，但AIN的介電常數更小，這使得用AIN可以達到比PZT更高的性能。
據麥姆斯咨詢報道，針對目前超聲換能器機電耦合系數較低的問題，中北大學研究人員設計了一種基于AIN壓電材料的MEMS超聲換能器陣列，以提高機電耦合系數。通過對其阻抗曲線進行測量，推導出其機電耦合系數為1.6%，展現出良好的工程應用前景。相關研究成果已發表于《傳感器與微系統》期刊。
該壓電MEMS超聲換能器由兩部分組成：Mo/AIN/Mo壓電層和刻蝕有空腔的SOI襯底。其工作原理是當電場為交變電場時，壓電層做周期性地拉伸與收縮，從而向環境發出聲信號。
MEMS超聲換能器的結構示意圖
研究人員通過有限元仿真軟件結合MEMS超聲換能器的理論推導，對所設計的壓電MEMS超聲換能器做了模態分析、諧振頻率分析和應力分析。通過COMSOL Multiphysics模態分析，確定了MEMS超聲換能器工作在一階模態下有最大的振幅和最大的表面平均速度，可以實現更高的聲耦合。由于諧振頻率與空腔的半徑的平方成反比，空腔半徑的變化對諧振頻率的影響更大，一般通過改變空腔的半徑來使超聲換能器工作在所期望的頻率。為了提高超聲換能器發射聲場的效率，研究人員進一步優化了上電極的半徑，通過對超聲換能器在工作狀態時的應力分析，計算出當上電極半徑為空腔半徑的70%時，超聲換能器有最大的發射聲場效率。
超聲換能器的前四階模態
聲場傳播示意
電源激勵下壓電層的應力云圖
該壓電MEMS超聲換能器通過MEMS標準工藝加工，為4×4陣列，其空腔半徑為50 μｍ，相比于單個超聲換能器，陣列式的機電耦合系數會有效地增加。研究人員通過網絡分析儀對超聲換能器的阻抗曲線進行測量，從中推導出其機電耦合系數為1.6%，展現出良好的工程應用前景。
共聚焦顯微鏡下超聲換能器的正面
該項研究為后續壓電MEMS超聲換能器的設計與應用提供了一定的參考價值。
論文鏈接：
https://doi.org/10.13873/j.1000-9787(2022)03-0051-03
