基于懸臂梁的壓電式微機械超聲換能器（PMUT）盡管具有良好的抗應力性能和高發射/接收靈敏度優勢，但制造缺陷引起的異步振動和由此導致的長振動衰減尾波，嚴重限制了其在脈沖回波應用中作為收發器的潛力。
據麥姆斯咨詢報道，近日，華中科技大學余洪斌教授課題組提出了一種創新的后處理工藝軟連接策略。在這種情況下，特定的儲液結構被專門集成到基于懸臂梁的PMUT設計中，在此幫助下，液態PDMS（聚二甲基硅氧烷）可以被精確地施加并自發驅動，通過毛細效應密封已經釋放的懸臂梁之間的氣隙。固化后，PDMS將從液態轉變為固態，并作為軟連接彈簧連接相鄰懸臂梁，迫使其同步振動。同時，該處理工藝不會改變現有的制造工藝流程，對PMUT原有的性能影響很小。鑒于這種簡單而有效的處理方法，所提出的策略在開發用于空中測距的高性能PMUT方面顯示出巨大的前景。相關研究成果以“Cantilever beam-based piezoelectric micromachined ultrasonic transducer with post processing soft interconnecting strategy for in-air rangefinding”為題發表在Microsystems & Nanoengineering期刊上。
在這項工作中，所提出的基于懸臂梁的PMUT由四個相同的三角形壓電懸臂梁組成，它們排列成方形，并電連接在一起以同時驅動。PMUT制備完成后，通過點膠機將液態PDMS注入直徑為120 μm的儲液器中，在毛細管力的驅動下，液態PDMS會自動填充到氣隙區域。在該步驟中，由于PDMS在液態下具有低表面能和低楊氏模量（750 kPa），并且在固態下具有優異的彈性，因此選擇PDMS作為密封材料。完全固化后，固態PDMS將充當一個軟彈簧，連接相鄰懸臂梁，并迫使它們同步振動。研究人員通過理論分析和有限元仿真研究了這種后處理策略的有效性。
本研究所開發的PMUT示意圖
PMUT的制造結果
隨后，研究人員對PUMT的機械響應和聲學性能進行了表征，結果表明，處理后的PMUT器件成功地抑制了異步振動，并顯著減少了振動衰減尾波。
PMUT發射聲壓測量結果
基于密封PMUT，研究人員構建了一個自收發距離測量裝置。在實驗中，為當前的PMUT設計了一個集傳輸/接收切換、信號放大和帶通濾波功能于一體的前端電路。在隨后的脈沖回波測距實驗中，在69.2 kHz諧振頻率、40 Vpp 40周期正弦信號驅動下，實現了270.8 mm ~ 3.8 m的距離探測范圍，并且發散角接近170°。
自收發PMUT測距儀的實驗裝置
PMUT的衰減信號和測距
總而言之，研究人員提出了一種新型基于懸臂梁和PDMS軟連接的PMUT，具有專門設計的儲液結構，其中液體PDMS可以通過毛細效應自發地密封已經釋放的懸臂梁之間的氣隙。固化的PDMS將作為軟彈簧連接相鄰懸臂梁，以抑制其異步振動。首先通過理論分析和有限元仿真研究了這種后處理策略的有效性，隨后通過機械和聲學響應測量結果進行了驗證。同時，通過與最先進的同類產品的性能比較，雖然當前PMUT的有效隔膜面積最小，但最大的距離檢測能力已在實驗中成功證明。基于該處理方法工藝簡單且性能顯著提高，同樣的策略也可用于開發超聲波傳感器陣列，以進一步提高測距儀的性能，并實現手勢識別和3D物體探測等擴展應用。值得注意的是，PDMS作為一種聚合物材料，暴露在紫外線（UV）輻射下可能會發生老化。因此，在實際應用中，應采取適當的封裝措施，盡量減少強紫外線照射。
由于制造尺寸誤差，特別是背腔蝕刻過程中產生的PMUT的橫向尺寸偏差和硅器件層厚度的偏差，制造的PMUT器件的諧振頻率與仿真結果存在明顯偏差。未來，將研究工藝優化，以提高器件性能的一致性；此外，還可以將實際工藝參數納入仿真模型，以進一步提高其精度。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41378-025-00939-x
