基于AIN压电材料的MEMS超声换能器阵列

超声换能器在许多领域都被广泛应用，如医学成像、无损检测、目标识别等领域。MEMS超声换能器主要有电容式MEMS超声换能器和压电式MEMS超声换能器两种。电容式超声换能器可以达到较高的机电耦合系数，但是也需要小的空气间隔和大的偏置电压，制造难度较大。压电式超声换能器则不需要偏置电压也可以工作。目前广泛应用的压电材料主要是锆钛酸铅（PZT）和氮化铝（AIN）。虽然AIN的压电系数较PZT低，但AIN的介电常数更小，这使得用AIN可以达到比PZT更高的性能。

据麦姆斯咨询报道，针对目前超声换能器机电耦合系数较低的问题，中北大学研究人员设计了一种基于AIN压电材料的MEMS超声换能器阵列，以提高机电耦合系数。通过对其阻抗曲线进行测量，推导出其机电耦合系数为1.6%，展现出良好的工程应用前景。相关研究成果已发表于《传感器与微系统》期刊。

该压电MEMS超声换能器由两部分组成：Mo/AIN/Mo压电层和刻蚀有空腔的SOI衬底。其工作原理是当电场为交变电场时，压电层做周期性地拉伸与收缩，从而向环境发出声信号。

MEMS超声换能器的结构示意图

研究人员通过有限元仿真软件结合MEMS超声换能器的理论推导，对所设计的压电MEMS超声换能器做了模态分析、谐振频率分析和应力分析。通过COMSOL Multiphysics模态分析，确定了MEMS超声换能器工作在一阶模态下有最大的振幅和最大的表面平均速度，可以实现更高的声耦合。由于谐振频率与空腔的半径的平方成反比，空腔半径的变化对谐振频率的影响更大，一般通过改变空腔的半径来使超声换能器工作在所期望的频率。为了提高超声换能器发射声场的效率，研究人员进一步优化了上电极的半径，通过对超声换能器在工作状态时的应力分析，计算出当上电极半径为空腔半径的70%时，超声换能器有最大的发射声场效率。

超声换能器的前四阶模态

声场传播示意

电源激励下压电层的应力云图

该压电MEMS超声换能器通过MEMS标准工艺加工，为4×4阵列，其空腔半径为50 μｍ，相比于单个超声换能器，阵列式的机电耦合系数会有效地增加。研究人员通过网络分析仪对超声换能器的阻抗曲线进行测量，从中推导出其机电耦合系数为1.6%，展现出良好的工程应用前景。

共聚焦显微镜下超声换能器的正面

该项研究为后续压电MEMS超声换能器的设计与应用提供了一定的参考价值。

编辑：黄飞