基于AlN的压电MEMS超声换能器阵列*

王 强, 杨婷婷, 薛小斌, 臧俊斌, 张增星, 薛晨阳

(中北大学 仪器科学与动态测试教育部重点实验室，山西 太原 030051)

0 引 言

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[1，2]。随着微机电系统(micro-electro-mechanical system,MEMS)技术的日益进步，MEMS超声换能器取得了长足的进步。MEMS超声换能器相比于传统的超声换能器展示出了许多优势，如体积小，功耗低，可批量制造，一致性好[3]。目前MEMS超声换能器主要有电容式MEMS超声换能器和压电式超声换能器两种[4]。电容式MEMS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(AlN)。虽然AlN的压电系数较PZT低，但AlN的介电常数更小，这使得用AlN可以达到比PZT更高的性能。

本文设计了一种以AlN为压电材料的超声换能器阵列，通过有限元分析和理论推导对其进行了动态性能分析。用安捷伦精密阻抗分析仪Aglient4284测量了所加工的压电MEMS超声换能器的阻抗曲线，推导出其机电耦合系数为0.16 %。

1 压电式超声换能器的工作原理

图1为MEMS超声换能器的结构示意图，器件由两部分组成：Mo/AlN/Mo压电层和刻蚀有空腔的SOI衬底。

图1 MEMS超声换能器的结构示意

在外加电场V的作用下，压电层中的应变可以用应变—电荷本构方程得出

[εxxεyyεzzεxyεxzεxy]=dTV

(1)

式中d为AlN的耦合矩阵，ε为压电层中的应变

当电场沿着z方向时，εxx=εyy=d31Vzεzz=d33Vz。压电层在z方向拉伸，而在x,y两个方向收缩。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。

2 动态性能分析

2.1 模态分析

模态分析可用于确定超声换能器工作时的振动特性。超声换能器工作在谐振频率下向周围介质发送声波。图2为超声换能器的前四阶谐振频率的模态图。从图中可以看出在一阶模态下超声换能器有着最大的振幅和最大的表面平均速度，因而可以实现更高的声耦合。

图2 超声换能器的前四阶模态

2.2 一阶谐振频率

对于平面膜来说其一阶谐振频率为

(2)

通常可以通过改变空腔的半径和振动薄膜的厚度来改变超声换能器的谐振频率，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。如图3所示。

图3 谐振频率的影响因素

2.3 声场传输

薄膜振动产生的轴向声压可以表示为

(3)

式中c0为声速，u0为振动速度的幅值，ρ0为密度，kw为波数，r为距离声源的距离。图4是在COMSOL中超声换能器施加幅值为1 V、频率为0.2 MHz的激励电源时的声场传播的示意图。

图4 声场传播示意

2.4 应力分析

在外加电场V下，压电层中径向和切向的应力分别为[5]

(4)

(5)

式中p为换能器所受到的载荷，E和υ为压电材料的杨氏模量和泊松比，a为空腔半径，r为上电极半径，zp为压电层的中平面与振动膜的中性面的距离，D为振动膜的的抗弯刚度。

为了提高超声换能器发射声场的效率，上电极的边缘应位于压电层中应力为0的地方

σr(r)+σθ(r)=0

(6)

图5是在COMSOL中超声换能器施加幅值为1 V、频率为0.2 MHz的激励电源时压电层中的应力云图，可以看出在空腔半径的70 %处应力的符号出现了反转，与理论计算结果一致。

图5 电源激励下压电层的应力云图

3 实验测试

3.1 形貌测试

经过MEMS标准工艺加工后，压电MEMS超声换能器阵列在共聚焦显微镜下如图6所示。

图6 共聚焦显微镜下超声换能器的正面

所加工的超声换能器阵列为4×4，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。

3.2 阻抗曲线测试

用安捷伦精密阻抗分析仪Aglient4284测试所加工的超声换能器其阻抗—频率曲线，结果如图7所示。

图7 压电超声换能器的阻抗曲线

机电耦合系数是用来表征换能器的电能与机械能转化效率的一个重要参数，可以从阻抗谱线计算得出[6]

(7)

式中fa和fr分别为反谐振频率和谐振频率，图7中反谐振频率和谐振频率分别为2.38 MHz和2.36 MHz。代入式(7)，计算得到的机电耦合系数为1.6 %。

4 结束语

本文通过有限元仿真软件COMSOL Multiphysics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，优化了上电极的半径。对所加工的压电超声换能器测量其阻抗曲线并计算出机电耦合系数为1.6 %，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。