图一 八吋硅圆片生产之氮化铝压电微机械超声波换能器

     图一 八吋硅圆片生产之氮化铝压电微机械超声波换能器

      茂丞(深圳)公司总经理邱奕翔指出，AlN pMUT是一个多层薄膜结构(如图三、图四)，尺寸可缩小至几百微米级别，当受到周期性外部刺激(入射声波)激发时，可以在弯曲模式下振动，从而在压电膜中产生弯矩并因此产生机械应力，由于直接压电效应，这种机械应力又转换成电荷，反之亦然，可作为传感器也可以作为接收器。此特性可实现体积小、低功率消耗的“超声波飞行时间传感器”，在应用上能为无人飞行机、机器人、提供准确的距离感测，不受环境光线强弱、噪音影响、同时也可以应用于智能手机在全屏幕接近传感器以及增强现实技术、虚拟现实技术以追踪运动控制器。在产品规格上除了可完成低功耗设计之外，在体积上也提出晶圆片级芯片规模封装发明专利，以实现最小封装体积。采用工程化的八英寸工艺流片成功，证明了联合研究团队在新型AlN换能器研制方面取得了重要进展。

图三 AlN pMUT多层薄膜结构

图四  pMUT空腔结构

     影响pMUT是否能够起振的关键是AlN薄膜层是否具有压电特性，可采用X射线衍射来检测AlN的晶粒取向(如图五)，图中可以看出AlN在36°有一个强峰值，强度在10000以上。因此可以得知此次研究成果为C轴(002)择优取向，具压电特性。

图五 AlN的晶粒取向图

      机电耦合系数为评判pMUT效能水平的一个重要指标，压电薄膜在振动过程中，将机械能转变为电能，或将电能转变为机械能，这种表示能量相互变换的程度即为机电耦合系数。采用行业通用的规范对流片成功的AlN pMUT初步测试，其谐振频率为465.75 kHz，机电耦合系数达4.2%，处于国际上先进水平。

图六  pMUT量测谐振频率为465.75 kHz，机电耦合系数为4.2

     在实现pMUT超声波讯号传输中，我们准备了一个定制的设备(如图七)，该设备包括一个信号发生器(33600A Series)、射频功率放大器(增益为55dB)、前置放大器(MODEL SR560)、标准声波发射器、电源、示波器(DSOX3054A)、机械固定装置。机械固定装置将pMUT器件固定并与发射器垂直，信号发生器发出幅值为500mV的交流电压，谐振频率与对应测试pMUT谐振频率一致，由功率放大器将信号放大并激励标准声波发射器，标准声波发射器接收电信号并发射出较强声压，在距离标准声波发射器10cm处的pMUT接收到声压信号后，通过示波器显示输出电压信号(如图八)。

图七  pMUT超声波讯号传输验证环境

图八 pMUT接收到超声波声压后输出之电压

      本研究与近几年国外对pMUT作为接收器的性能研究相较(如图九)，pMUT在不同传输介质中输出电压各不相同，本研究的pMUT具有较高的传输效率，输出电压值也相对其它研究高。

     图九 pMUT接收器性能比较表

     此外，联合研究团队在AlN pMUT研究方面的阶段成果在多个国际学术会议上进行了交流，并获得2018年电子封装技术国际会议最佳论文奖(2018 ICEPT)；最新研究成果将在今年晚些时候召开的本专业顶级学术会议(2019 IEEE ECTC)进行介绍。

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