压电微机械超声换能器，（Piezoelectric Micromachined Ultrason...。
压电微机械超声换能器，（Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducer，PMUT）是一类通过压电材料的正逆压电效应使压电薄膜振动，从而发射或者接收超声波信号的MEMS器件。当PMUT用于发射超声波时，它是一个执行器；当PMUT用于接收超声波时，它是一个传感器。
PMUT的一个特别之处就在于它既可以做执行器（发射声波），又可以做传感器（接收声波）。这在某种程度上预示着在商业化产品中，完全相同的PMUT器件可承担两个相对立的功能，例如汽车的超声波倒车雷达，无论是一个PMUT自发自收超声波，还是两个完全相同的PMUT一发一收超声波，都使用的是完全规格参数完全相同的器件。这使得PMUT器件从设计到生产、封装、测试、系统化的成本得到极大的降低。除此之外，MEMS标准工艺批量化生产和晶圆级封装的大规模应用，都使得PMUT很适合商业化应用。
除了成本优势以外，PMUT的性能优势也非常凸显。一般而言，执行器和传感器在关键性能指标上是天然互逆的，输出大位移的MEMS执行器很难检测微小振动，而精密的传感类器件如加表陀螺无法输出足够大加速度或角速度。而PMUT作为一个标准器件，它的发射和接收性能正好处在一个适中的平衡点上。作为执行器，其发射声压、振动幅度较大，结构相对比较简单，给设计和工艺带来的难度没有让人想掀桌；而作为传感器，它的灵敏度、信噪比也不低，给电路和算法带来的挑战也没那么令人绝望。
随着晶圆级材料生长技术的慢慢的提升，以及MEMS工艺和生产线的逐渐完备，PMUT的潜力正在进一步被发掘，尤其是材料的均匀性，带来了器件性能的极高一致性，这是颠覆传统压电陶瓷的潜力所在。从设计端向下优化的晶圆级工艺优化，使得PMUT的性能开始吊打现有的陶瓷技术，在慢慢的变多的领域拉开了技术更新换代的序幕。
一般来说，PMUT的基本结构如图1.1(a)所示，从上到下分别为顶电极、压电层、底电极、结构层（弹性层）、基底。中间那一段悬空区域被称为振膜，超声波的发射就是由振膜的上下振动挤压空气形成的。因此，PMUT的工作模态是整个振膜的均匀上下振动，称为B01模态，如图1.1(b)所示。
和大多数压电执行器一样，PMUT结构中的压电层工作在d31模态。压电层的伸张和收缩带动结构层的形变，由此产生超声波。在PMUT中使用较多的压电材料，依然是氮化铝（AlN）和锆钛酸铅（PZT），这两种材料有着较为成熟的商业化生产和应用。在学术圈，一些新材料也在不断被应用于PMUT的研究中，但从目前的研究成果来看，其性能在没有50%以上提高的情况下，成本达到了无法走出实验室的地步。PMUT的结构层，一般为硅。由于成熟的工业制造，以绝缘衬底硅（SOI）作为基底生长压电层用于PMUT制造，慢慢的变成了了一条很成熟的技术路线。
另一种很常见的结构是压电双晶片，如图2.2所示，双层电压层和三层电极。其优点是可以不依托于传统的硅基底，实现更大的发射和接收灵敏度。这是一条比较新的技术路线，实验室中压电双晶片的成果可以经常见到，但是最近国外一产商成功推出了基于双晶片的PMUT飞行时间传感器（TOF），而且已确定进入规模量产和供货阶段，从而让压电双晶片结构看到了商业化的前景。
谐振频率，多数PMUT的工作点还是设置在谐振频率上。这样的设计有一个最大的优点，输出能力强。此外，工作在谐振频率上，可以把PMUT等效成一个谐振器，无论在仿真设计，还是在等效电路的分析上，都可以极大地简化模型的复杂度。
发射声压，作为超声波发射器件，这个指标是很重要的。由于超声检测大多是要检测回波的，回波强度越大信号处理越容易，因此就需要发射声压足够大。
接收灵敏度，超声波在遇到声阻抗有差异的界面时会有一部分反射回来，检测这部分回波能轻松实现距离检测、超声成像等功能，因此接收灵敏度也是越高越好。
其他主要指标包括总谐波失真（THD）、信噪比（SNR）、声压级（SPL）、填充系数（FF）、精度、分辨率、带宽、功耗、指向性等。
PMUT在不同的应用中，分为单管和阵列。单管就是单一一个PMUT构成的MEMS器件，单管器件一般频率较低，输出和带载能力较强，适合超声波的发射。另一种是PMUT阵列器件，阵列就是多个PMUT排布在一起形成一个器件，阵列器件一般频率较高，超声波传播范围大、接收检测精度高，适合成像类需要横向分辨率的应用。
PMUT的单管器件结构格外的简单，就是一个实心振膜。这种简单结构的优点是可靠性和一致性高，设计、工艺、封装都非常容易。但缺点也显而易见，结构刚度较高，振动位移小。
因此，要逐步提高传统PMUT的性能，满足多种应用的指标，就要对传统PMUT进行一些差异化设计。这些差异化设计，有来自器件设计层面的，也有来自制造工艺层面的。这些优化在满足差异化需求的同时，也有效规避了知识产权方面的麻烦。
这里介绍一些文献中的PMUT单管设计，其设计思路各不相同，总的来说，根据不同的应用场景和性能需求，在设计上会对PMUT的机械结构可以进行调整，以满足其应用的需要。
这个设计的特别之处在于采用四条支撑梁将PMUT振膜支撑起来，还做成了4个一组的阵列，可以想见其优点是降低了振膜的刚度。虽然沟槽（trench）的存在会带来一些可靠性的问题，但研究者用超厚的Parylene压在振膜表面，并且通过调整Parylene的厚度来调整PMUT的频率。
这是一篇来自加大戴维斯分校的论文，发表在2015年的TRANSDUCERS上。加大戴维斯有一个非常厉害的做PMUT的团队，他们做的固体成像、指纹检测非常厉害，后面还会提到。这篇文章就是他们团队提出的一个提高PMUT声压级的方法。
该PMUT的谐振频率为703 kHz，振膜直径182 μm，压电材料为1 μm的AlN。这个研究中的PMUT是传统PMUT，但是该团队在PMUT的外部结构上做了很多工作。
该文章是要把振膜背部的声压回收，通过排压环送回到正面。环的直径决定了背部声传到正面的相位（传播路径长短），并能调整远场声压级和声束指向性。
此外，作者提出了一个对比同批次不同参数的器件性能的参考标准：调节电压把不同PMUT的最大位移调到一致，通过输出声压来评估性能。而不是采用相同的电压，以不同的位移来评估。
这一个PMUT结构的核心是在底层设计一个中心圆柱，使振膜形成环形空腔。其谐振频率为1.47 MHz，振膜内径97 μm，外径207 μm。压电材料为AlN双晶片，上下层厚度分别为0.8 μm和1.0 μm。
由于振膜是环形的，因此该PMUT采用了环形电极，顶电极环占振膜面积的55%，该结构具有非常好的远场指向性。虽然结构层采用了双晶片，但实际加载激励时仅使用了顶层电极和中间层电极，激励效果和单层压电层是相同的，可以看做双晶片的下层AlN作为结构层。
这是一篇来自国内的研究成果，浙江大学2019年发表在电路领域顶刊的EDL（Electron Device Letters）上。
该PMUT有一个方形的振膜，在中间有一圈V型通孔。其振膜边长为102.5 μm，谐振频率1.876 MHz，压电材料为0.5 μm的AlN。加工同样为MEMSCAP的工艺。
电极为外围环绕型，其输出能力一般来说是不如中心电极的。这种通孔设计有一个显而易见的优点是释放工艺过程中残余应力。文章中也说V型通孔能轻松实现器件刚度的调节，通过这一种方式提高了器件的传输灵敏度和远场声压级。但实际上作为接收器件还可以，如果是发射器件则可能会有漏音的问题。
新加坡国立大学2015年发表在EDL上的文章，同样也是方形结构的PMUT，同样也是在振膜上进行了打孔操作，该PMUT是应用于3-D诊断超声成像。
该PMUT的设计要点在于那两圈圆形通孔，文章说是能改善发射灵敏度。但是直径5μm且如此大密度的通孔，可能输出声压也会掉得厉害。考虑到期具体应用，该器件应该是为非自由场的情况专门设计的。
这是2019年由伊利诺伊大学芝加哥分校发表在老牌传感器刊期IEEE Sensors Journal上的一篇文章，主打的是在一个单片上有多个频率的PMUT。
研究者设计了三种频率的PMUT，谐振频率分别为1 MHz、1.5 MHz和2 MHz。其中两种的结构是八边形的振膜，属于异形结构的PMUT。压电材料为0.5 µm的AlN。
这篇文章多频PMUT的本质就是把不同振膜形状和大小的PMUT放在同一个单片上，这本身没什么技术上的难点，主体问题在于如何高效利用多个频率的PMUT振元。多频PMUT会使单一频率的器件填充率下降50%以上，有效面积对于MEMS器件来说是非常宝贵的。多频PMUT的优点背后，如何弥补声压和灵敏度的下降，是一个非常棘手的问题。
最后再介绍一个脑洞型的设计，同样来自于加大伯克利和加大戴维斯联合团队，该文章2014年发表在IEEE MEMS会议上。
这个设计有意思的地方在于，研究人员在硅基上用SiN掩膜刻蚀出一个凹型球面，再在这个曲面上生长AlN薄膜，再刻掉底部Si，形成一个曲率半径为1065 μm的弯曲的结构层。虽然看起来结构变化不大，但可以想见在制作的完整过程中要让AlN晶体结构的极化方向在任意位置都垂直于曲面，那真是对工艺工程师灵魂的摧残，但偏偏这个联合团队还真做出来了。
不过想想，如果在国内，肯定没人愿意做这样的尝试，因为在量化考核科研指标的国内高校，这个脑洞的回报率太低、做不出来的风险太高。但也许往往最有价值的研究就在于突破极限的那一小点上。
PMUT单管器件可以很有精细化的结构设计，但整体来说，PMUT单管也有着发射声压低、性能提升空间不足等问题。因此，在实际应用中，大多采用的是多个PMUT单管组成的PMUT阵列。
PMUT阵列能够准确的通过应用需求自由地排列布局，在PMUT阵列中，每一个PMUT单管被称为一个振元。根据自身的需求，阵列可以是N×M个振元相互连接形成的面阵，如图4.1(a)所示。也可以是1×M个振元组成一列，这一列的振元全部串联，形成线(b)所示。线阵能够继续排列，组成N列的线 典型的PMUT阵列。(a)面阵；(b)线阵。
此外，还有圆环形、交叉排布、错位排布等不同形式的PMUT阵列。阵列的排布方式往往对某个特定性能很有执着的追求，例如指向性、横向分辨率等。
因此，阵列的设计往往更为复杂，而且遇到的麻烦也更多，最为突出的就是振元一致性的问题。一个PMUT阵列里，几十上百甚至上千个振元，每一个振元都是一个PMUT单管。而这成百上千的振元中，由于材料、设计、工艺、封装甚至外因，可能会引起并不是每一个振元的谐振频率都相同，也不是每一个振元的稳态振幅都一样。振元之间这样的频率和振幅的差异，就可能给整个器件带来意想不到的问题。这也是PMUT阵列中最难解决的一个问题。
这一个PMUT阵列的特点是小而密，错位排布也还是为了更加密集地摆放振元，从而增大输出声压。高频的PMUT阵列可以做的很小很密，从而弥补了声压不足和频率偏移的问题。这种扫描式的成像方法为这样一些问题提供了足够的容错空间。
而之前提过的PMUT阵列最大的问题，频率一致性的问题也十分凸显，其阵列的谐振频率为6-8MHz，这3900个振元的谐振频率分散在了一个很广的频带范围内，这个频偏幅度算是一个不太理想的结果了。
设计上对振膜以外的PZT层进行了刻蚀，目的也是为了隔离。压电材料是Sol-gel制造的，一致性可能是一个问题。
该器件在设计上有个特别的地方，那就是给64×4个振元设置了独立的激励电极，图中能够正常的看到PMUT阵列两侧密密麻麻的电极pad。独立电极设置一直是优缺点分明，优点是独立控制，灵活度极高，搭配合适的算法，能轻松实现极为复杂的终端应用功能。缺点是占地方，多半需要集成ASIC来处理信号，复杂度高，成本高。
这篇文章写的很深入，对填充系数、灵敏度、FOM有关的的重要公式都进行了介绍，对器件的振动模型、等效电路模型都有分析。结构上，利用多晶硅作为牺牲层，释放内部腔体。2 μm ×4 μm 在边上的方形通孔，或2 μm直径在PMUT中心的圆心通孔，3 μm的parylene密封，整个工艺过程也是相当复杂的。血管内超声成像效果十分好。
文章中采用了24×8的PMUT阵列，振膜直径50 μm，谐振频率22 MHz，振元间距100 μm。压电材料为800 nm的AlN，CMOS-MEMS工艺，采用Al-Ge共晶键合集成。脉冲回波检测指纹，28 V激励，2个周期，22 MHz的方波。得到轴向分辨率68 μm，横向分辨率60 μm。
该指纹传感器同样采用了PMUT阵列即作为执行器又作为传感器的特点，20*8列发射，中间的20*1列接收，2次回波抵达时间为2us，接收电压幅值300 mVpp，检验测试范围为2.3 mm×0.7 mm。文章中的测试数据非常多，为PMUT指纹传感器立下了一个标杆式的性能指标参考。同时，文章也直面了幅值差异、模态耦合、声阻抗匹配等问题，是压电MEMS应用端一篇不可多得的好文章。
得益于MEMS工艺的持续不断的发展和PMUT不算复杂的结构，标准化工艺在满足线宽和误差要求的范围内，PMUT器件都是能够比较完美的出性能的。这里贴两组文献中的典型工艺流程，分别是基于AlN和PZT两种压电材料的，前者是MEMSCAP的Piezo标准工艺，这是一套成熟的量产代工工艺；后者是生长PZT的经典sol-gel工艺，也是一套很成熟的实验室工艺。从工艺流程能够准确的看出，两套工艺都是在基底上一层一层往上长，后再一层一层往下刻。
首先是在基底上长压电层，这个基底大多都是SOI。一般在刚开始会通过热氧化长一层二氧化硅作为种子层。随后往上生长必不可少的是底电极、压电层、顶电极。结合实际应用有的还有键合金属层、Al/Au焊盘金属层、SiO2/Si3N4保护层，以及为RDL/TSV工艺预留的介质层等。
然后就是一层一层往下刻，刻蚀的过程除了残余应力控制必须要格外注意以外，没有别的什么大问题。只要设备齐全，干啥都可以。由于压电材料有居里温度这么个特性，因此会要求工艺温度不能过高，因此就需要考虑温度过高的工艺不能出现在压电MEMS工艺中。
压电层的图形化方法比较杂，压电层厚度、工艺温度、线宽要求等都会对具体工艺的选择产生影响，总的来说，干法刻蚀用的比较多，尤其是对于那些压电层比较薄的PMUT器件，往往效果都不错。如果压电层比较厚，干法可能需要多次光刻，此时对曝光时对准的要求就比较高了，这种情况采用湿法刻蚀的情况就逐渐多了起来。湿法的绝对优势就是成本低，但问题也很明显，工艺过程的控制需要反复摸索，过刻蚀问题需要好好解决。此外，湿法腐蚀厚膜会形成斜坡，斜坡覆盖问题会对其他工艺带来挑战。弱弱的再提一句，有几家大实验室烧钱跟烧纸一样，用皮秒激光来刻压电层图形，刻出来的那都是艺术品。
金属层的生长使用磁控溅射和电子束蒸发较多，图形化的时候有很多选择Lift-off和Shadow Mask的，只不过像键合金属层或者长铝pad的时候可能长的比较厚，这个时候就比较考验工艺能力了。而ICP和IBE也是刻蚀金属层的常用方法。
隔离层/保护层选择ICPCVD和PECVD的较多，具体也和设备有关，这是一个比较常规的工艺，厚度控制也比较容易。刻蚀似乎用RIE的比较多。需要仔细考虑的问题可能是生长致密度的问题，特别是隔离层上还要生长金属的情况，这种时候需要注意隔离层的厚度和致密度足够，以免两层金属导通，以及有几率存在的电容效应。
超声波距离传感器的另一个典型应用就是最近特别火的扫地机器人，扫地机器人的避障检测就是以超声传感器和红外光电传感器相结合来完成的。但现目前，超声传感器和红外光电传感器在性能和成本上，都没有过大落差，二者共同完成扫地机器人的防碰撞、防跌落、边缘检测等任务。
由于成本的问题，现在主流扫地机器人的超声雷达数量都在个位数。因此，扫地机器人的避障检测和寻迹问题依然突出，被卡住、错误判断等问题都是超声雷达检测精度不够高造成的。
如果采用PMUT阵列来对皮肤进行超声成像，采用大阵列全聚焦相控阵成像，PMUT阵列和皮肤之间只需隔一张纸，并且PMUT阵列固定不动，吸气呼气的功夫就完成检测了。
其原理就在于PMUT阵列密度大，假如一个8×8的PMUT阵列，每一个振元都单独发射一次超声波，然后每次都由所有64个振元一起接收。这样一次检测就有不同位置不同信号强弱的64张成像图片，再经过图形算法的处理，就可以获得一张高精度的B超图像。
而完成这些功能的就是PMUT，通过不一样的材料对定频等幅超声波的吸收和反射程度不同，进而达到识别地面材质的目的。而短距离、高精度、低功耗正好都是PMUT的核心优势。
随着未来扫地机器人的普及化和发展的新趋势，今后每个扫地机器人上配备10颗以上的超声传感器是能预见的，机器人上的高端超声传感器将会是PMUT将会有一个非常有潜力的舞台。
MEMS扬声器/麦克风具有巨大的商业前景，无论是当下热门的TWS无线耳机，还是智能音箱、智能手机和手环，堆物料的循环又开始了。特别是高端耳机，由于主动降噪、环绕声等功能的需要，一副耳机里所需的扬声器和麦克风数量也在呈几何数量的增长，MEMS扬声器/麦克风的出货量未来会有一个暴增的阶段。敏芯股份正是趁着这个东风上的市，后续MEMS扬声器/麦克风也会单独有一篇文章来详细分析。
以上这些应用很多都很常见，但其中的超声传感器大多数还没有采用的PMUT技术。PMUT技术由于刚处于走出实验室到商业化的阶段，因此很有大的潜力。作为超声波发射和接收器件的下一代技术，PMUT有着广阔的商业前景和市场规模，如果出现PMUT对现存技术进行原位替代的商业化实例后，超声波领域的技术迭代就会很快到来。
以上是对压电微机械超声换能器的一个简单介绍和总结，PMUT的有趣之处在于它本身是一个谐振类器件，且频率跨度可以从几kHz到10MHz以上。由于其结构相对比较简单，设计灵活度非常高，使得PMUT器件可以横跨发声器件、超声器件、射频器件等几大商业应用极为密集的领域。商用器件以PMUT为原型的就有扬声器、麦克风、TOF等经典的基础执行器和传感器，应用覆盖了汽车电子、安防监控、生物医疗、智能家居、电子终端等大面积的场景。
由于PMUT最近特别火，所以专栏的第一篇文章选择了PMUT。本来是想随便写点梳理一下的，结果没想到一下子就写成了万字长文。本专栏以后将会陆续上新，重点在压电微机电系统领域的实验室成果和商业化应用。由于MEMS是一个多学科融合交叉的领域，声光电热力磁集齐了，跨专业程度高，加之笔者水平、视野和经验有限，行文难免短浅纰漏，如有瑕疵，还请批评指正。但请勿杠、喷、嘲讽，大家搞科研的上班的都累，就不要拿着键盘冲锋了。大夏天的，喝罐冰可乐，刷个朋友圈，多香~
