近年來，基于MEMS的超聲換能器技術一直處于快速發展和增長階段，廣泛應用于醫療陣列成像、手勢識別、內窺成像、指紋識別等領域。

超聲換能器主要分為壓電微機械超聲換能器(PMUT)和電容微機械超聲換能器(CMUT)。PMUT結構主要為微加工的壓電復合多層振動膜，超聲波的發射和接收通過振膜的彎曲振動來實現，因易與水和空氣聲阻抗匹配，集成度高，受到廣泛關注。對PMUT而言，發射電壓響應和接收靈敏度是影響其成像質量的關鍵因素。

據麥姆斯咨詢報道，中國科學院聲學研究所聲場聲信息國家重點實驗室的研究人員通過對基于PMN-PT圓形壓電復合振動膜的PMUT發射和接收等效電路模型進行分析，并通過有限元法研究了壓電層PMN-PT厚度對PMUT性能的影響，為PMUT的結構優化提供了更多思路。相關研究成果已發表于《壓電與聲光》期刊。

壓電材料是影響PMUT性能的主要因素之一，常用的壓電材料有AIN、PZT和ZnO。PMN-PT壓電材料是一種新型復合鈣鈦礦型弛豫鐵電材料，具有比PZT更高的壓電常數和機電耦合系數，且介電損耗因子僅為PZT的1/3。

該項研究中，研究人員選用PMN-PT作為PMUT的壓電層。為了對比不同壓電層厚度對PMUT靈敏度的影響，在建模過程中對壓電層PMN-PT厚度進行參數化掃描，以0.2 μm為間隔，在3.3~5.3 μm內取值，對PMN-PT振膜結構進行有限元仿真分析。

PMUT接收靈敏度等效電路圖

PMUT的結構示意圖

仿真結果表明，當壓電層PMN-PT厚度逐漸增加時，發射電壓響應級先增大后降低。當壓電層PMN-PT厚為4.5 μm(厚度為基底厚度的90%)時，換能器的發射電壓響應級最大，達到191.6 dB;隨著壓電層PMN-PT厚度的增加，換能器的接收靈敏度級基本呈線性上升趨勢，回路增益(損耗)也呈上升趨勢，當壓電層PMN-PT厚度為5.1 μm(厚度為基底厚度的102%)時，回路增益(損耗)最大，達到-64.50 dB。

不同壓電層PMN-PT厚度的PMUT的發射電壓響應級曲線

不同壓電層PMN-PT厚度的PMUT的接收靈敏度級曲線圖

不同壓電層PMN-PT厚度的PMUT的回路增益(損耗)曲線

綜合而言，通過調整壓電材料并進行結構優化可以有效提高PMUT的靈敏度，該研究為設計開發更高靈敏度的PMUT提供了一定的指導。

審核編輯：湯梓紅