压电MEMS超声换能器如何解决解决频率控制难题？
超声波传感技术被广泛应用于工业、医疗等领域，如成像、测距、测流量等。与传统的压电陶瓷超声换能器相比，压电mems超声换能器（pmut）具有体积小、功耗低、cmos工艺兼容性等优点。众所周知，pmut的发射/接收灵敏度与其谐振频率控制是相互制约的：更薄的振膜可以提高单位面积下的灵敏度，但同时会加剧残余应力和尺寸偏差对谐振频率的负面影响。因此，一般情况下高灵敏度的pmut面临着严峻的频率控制难题；尤其对于空气耦合型pmut，其较低的带宽对频率控制能力提出更严格的要求和极大的挑战。
据麦姆斯咨询报道，近日，天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室mems课题组的研究人员在ieee journal of microelectromechanical systems期刊letter板块发表了题为“piezoelectric micromachined ultrasonic transducers with superior frequency control”的论文（10.1109/jmems.2023.3305461）。该论文提出的pmut方案解决了频率控制与高灵敏度相互制约的难题，介绍了相关理论以及新方案的设计、制造和测试表征结果。
tapered cantilever cluster pmut（tccp）方案
tccp方案实物照片及加工流程
据论文通讯作者张孟伦和庞慰教授介绍，这项研究工作提出的tccp（tapered cantilever cluster pmut）方案可以释放振膜的残余应力，同时精确定义振膜边界，从而实现优越的频率控制水平。测试结果表明，tccp方案的晶圆级频率一致性和目标频率偏差分别达到0.8%和1%，与传统的ccp（circular clamped pmut）设计方案相比，其频率控制能力提升了1个数量级。据了解，这是全球首次展示达标1%的频率控制水平。
频率控制性能测试和能力对比
此外，这种新方案不需要soi硅片和trimming频率调整工艺，同时降低了应力控制工艺要求，因此易于实现大批量高良率制造，具有显著的成本效益。它提供了一种高性能、低成本的解决方案，将大幅提升压电mems超声换能器在超声波气体流量计、波束形成阵列等应用中的竞争力。
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此外，这种新方案不需要soi硅片和trimming频率调整工艺，同时降低了应力控制工艺要求，因此易于实现大批量高良率制造，具有显著的成本效益。它提供了一种高性能、低成本的解决方案，将大幅提升压电mems超声换能器在超声波气体流量计、波束形成阵列等应用中的竞争力。
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