8英寸硅晶圓可量產(chǎn)的超高靈敏度MEMS超聲換能器

編輯：感知芯視界 Link

超聲傳感器利用超聲波在空氣、水等介質(zhì)中的傳播特性實(shí)現(xiàn)物理量的感知，例如通過超聲波飛行時(shí)間（ToF）測(cè)量距離、通過多普勒原理測(cè)量速度、通過超聲波衰減程度判斷材質(zhì)等，目前廣泛應(yīng)用于汽車倒車?yán)走_(dá)、工業(yè)自動(dòng)化、指紋識(shí)別、人體成像等領(lǐng)域。伴隨著超聲傳感技術(shù)的不斷發(fā)展演進(jìn)，人體存在檢測(cè)、電池包檢測(cè)、材質(zhì)識(shí)別、手勢(shì)識(shí)別、液位測(cè)量、流量測(cè)量等新式傳感以及汽車智能座艙、汽車ADAS系統(tǒng)、智能儀表、智能門鎖、智慧家電、可穿戴設(shè)備、機(jī)器人（無人機(jī)和掃地機(jī)等）等新式使用場景也逐漸進(jìn)入人們的生活。

全球超聲傳感市場規(guī)模分析（來源：Yole）

新興的超聲傳感應(yīng)用場景（來源：TDK）

超聲傳感器通過核心元件——超聲換能器（也稱超聲探頭）發(fā)射和接收超聲波，實(shí)現(xiàn)電學(xué)信號(hào)和超聲信號(hào)的相互轉(zhuǎn)換。傳統(tǒng)的塊體型壓電陶瓷超聲換能器已經(jīng)統(tǒng)治超聲傳感領(lǐng)域近八十年，其笨重、低集成度、一致性較差的固有缺陷愈發(fā)限制了超聲傳感技術(shù)在新應(yīng)用場景的發(fā)展進(jìn)程。壓電MEMS超聲換能器（PMUT）作為替換傳統(tǒng)技術(shù)的最有力競爭者之一，從上世紀(jì)90年代到今天一直得到人們的廣泛關(guān)注。前人開發(fā)的壓電MEMS超聲換能器雖然尺寸較小，但最關(guān)鍵的靈敏度指標(biāo)還未達(dá)到傳統(tǒng)的超聲探頭水平，且并未展示出高良率和一致性（頻率、聲壓等）的優(yōu)勢(shì)，因此一直沒有達(dá)到人們期待的發(fā)展高度，嚴(yán)重阻礙了MEMS技術(shù)對(duì)傳統(tǒng)塊體型壓電陶瓷技術(shù)的替代步伐和超聲傳感技術(shù)的應(yīng)用深度、廣度。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近期，天津大學(xué)精密測(cè)試技術(shù)及儀器全國重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室龐慰課題組在MEMS超聲換能器研發(fā)上取得突破性進(jìn)展。課題組人員成功開發(fā)出基于薄膜AlN材料的超高靈敏度壓電MEMS超聲換能器，同時(shí)大幅提升了基于8英寸晶圓的MEMS超聲換能器的良率和頻率一致性。相關(guān)研究成果以“Ultrahigh-Sensitivity Coupled Cantilever and Dual-Cavity Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducers”為題于2024年5月在行業(yè)頂尖期刊IEEE Electron Device Letters（EDL）上發(fā)表，并入選封面Highlight論文。

EDL封面Highlight論文

Table I?超聲探頭的靈敏度對(duì)比

據(jù)該論文通訊作者張孟倫和龐慰教授介紹，高度集成化的系統(tǒng)對(duì)超聲傳感模塊以及超聲換能器尺寸提出越來越苛刻的要求，但系統(tǒng)的智能化和數(shù)字化同時(shí)要求超聲換能器性能不隨尺寸減小而打折扣，該論文提出的壓電MEMS換能器展現(xiàn)出全面的優(yōu)越性能，在保持小尺寸的前提下，其靈敏度超越行業(yè)標(biāo)桿村田壓電陶瓷探頭一個(gè)數(shù)量級(jí)以上（Table I）。高性能、小尺寸、低成本的壓電MEMS超聲換能器將在智能家居、智能汽車、智能終端、智慧城市、智慧安防、能源環(huán)境、工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療健康等領(lǐng)域大放異彩，成為推動(dòng)超聲傳感行業(yè)全面洗牌和快速革新的“寶藏”技術(shù)，而這項(xiàng)突破性工作取得的創(chuàng)新成果便是開啟該寶藏的密鑰。

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