壓電微機械超聲換能器（PMUT）具有尺寸小、結構緊湊、形狀可調、易與電路集成、適于2D相控和3D成像、無需直流偏壓、響應速度快及不受電磁干擾等特點，適用于空氣介質中的聲波發射和接收。PMUT的核心換能元件壓電薄膜采用氧化鋅（ZnO）、鋯鈦酸鉛（PZT）和氮化鋁（AlN）等，其中AlN薄膜能與CMOS兼容，可實現與ASIC單片集成，且具有較小的介電常數，近年來逐漸成為研究熱點；而通過在AlN中摻雜鈧（Sc）可有效提升薄膜的壓電常數，為器件接收靈敏度優化提供了關鍵路徑。
據麥姆斯咨詢報道，針對空氣介質中低頻聲信號的高精度接收需求，中國電科芯片技術研究院等聯合研究團隊，提出了一種基于PMUT的開縫式壓電MEMS聲接收器新結構，并分析了開縫數量對諧振頻率和電壓輸出的影響規律。相關研究成果以“一種低頻高靈敏度壓電MEMS聲接收器設計”為題發表在《壓電與聲光》期刊上。
這項研究提出的壓電MEMS聲接收器基本結構包含硅基底、氧化硅、硅基板、下電極、壓電層、上電極和焊盤等部分，通過壓電層可實現電能與機械能之間的相互轉換。硅襯底部分空腔的存在，使由被動層、壓電層和電極等組成的多層薄膜結構形成了懸空的振膜結構，振膜的彎曲振動可發射和接收超聲波。
圖1 壓電MEMS聲接收器結構剖面圖
圖2 開縫結構示意圖
圖3 開縫結構實物圖
模態分析數據表明，在結構尺寸不變的情況下，通過開縫可使壓電MEMS聲接收器諧振頻率由65.6 kHz降低到37.2 kHz。利用有限元仿真，可得到諧振頻率和輸出電壓隨開縫數量的變化規律，研究人員團隊選擇利用8條開縫結構，制備了基于摻鈧AlN壓電薄膜的MEMS聲接收器樣品。經測試，樣品的諧振頻率結果為29.3 kHz，實現了低頻化設計目標。靈敏度測試數據表明，在20 ~ 30 kHz內測得最高靈敏度高于-60 dB，在低頻段實現了高靈敏度。
圖4 導納頻響曲線實測數據圖
圖5 靈敏度實測頻響曲線
這項研究通過創新性地引入開縫式結構，結合摻鈧AlN壓電薄膜的高壓電性能，成功實現了基于PMUT的壓電MEMS聲接收器的低頻化與高靈敏度協同優化，為空氣介質中低頻聲信號的高精度接收提供了新的結構設計思路。
論文信息：
DOI: 10.11977/j.issn.1004-2474.2025.01.004
