微機械超聲換能器（MUT）是利用MEMS技術制備的一種新型超聲換能器。其中，壓電式微機械超聲換能器（PMUT）被廣泛應用于超聲成像系統。單個PMUT通常不能滿足實際應用中的多方面要求，而PMUT陣列則可以。因此，設計更精良的PMUT陣列是提高超聲成像質量的關鍵因素。此外，由于從三維圖像中可以獲取更詳細的信息，近年來，研究人員越來越重視對三維超聲成像系統的開發，而二維PMUT面陣是能夠實現三維超聲成像的重要器件，因此，國內外眾多研究機構都對二維PMUT面陣展開了研究。
據麥姆斯咨詢報道，近期，中北大學的研究人員研制了基于行列尋址（RCA）的14 × 14二維PMUT曲面陣列，其能夠以行列尋址的方式發射和接收超聲信號，并且能夠對體模進行成像，在超聲成像領域有廣闊的應用前景。相關研究成果以“基于行列尋址的壓電超聲換能器柔性曲面陣的研制”為題發表在《微納電子技術》期刊上。
PMUT結構
如圖1a所示，構成單個PMUT陣元的基本組件包括外殼、壓電材料、背襯材料、匹配層、電極和導線等。PMUT陣列則由多個單陣元組成（圖1b）。
圖1 PMUT單陣元及陣列結構圖
PMUT曲面陣列制備
研究人員首先將尺寸為4 cm × 4 cm的鋯鈦酸鉛（PZT）壓電陶瓷片與柔性印刷電路板（PCB）鍵合，隨后使用劃片機將鍵合后的壓電陶瓷片劃成2.45 mm × 2.45 mm的陣元，劃片溝槽寬度（2個陣元間的間距）約為350 μm。接著，研究人員在溝槽內填充環氧樹脂膠，之后將陣元粘在曲面模具上，并在陣元上濺射金屬形成上電極，從而制備出二維PMUT曲面陣列，其曲率半徑為10 cm。最后，研究人員將該PMUT曲面陣列采用行列尋址的方式進行接線，相比于傳統全連接的方式，其接線數目顯著減少，從而極大地降低了接線難度及成本。
圖2 PMUT曲面陣列制備流程圖
圖3 焊線封裝后的PMUT曲面陣列
PMUT曲面陣列性能測試
將焊線封裝后的PMUT曲面陣列放入水中進行超聲信號的發射和接收性能測試，測試結果表明，其能夠以行列尋址的方式發射和接收超聲信號，并且能夠在穿透體模的情況下進行超聲信號的發射和接收。此外，將該PMUT曲面陣列連接數據采集系統進行反射成像測試，測試結果表明，其能夠實現脈沖回波成像。因此，這項研究制備的PMUT曲面陣列在超聲成像領域具有廣闊的應用前景，并且可以為后續研制直徑為20 cm的柱面陣列提供參考。
論文信息：
DOI：10.13250/j.cnki.wndz.2023.05.017
