5月19日，Microsystems & Nanoengineering在線刊發(fā)了光學與電子信息學院余洪斌教授團隊在壓電MEMS超聲換能器領域最新研究成果“Cantilever beam-based piezoelectric micromachined ultrasonic transducer with post processing soft interconnecting strategy for in-air rangefinding”。

基于壓電微機械超聲波換能器(piezoelectric micromachined ultrasonic transducer, PMUT)的空氣耦合式測距系統(tǒng)因其獨特優(yōu)勢而備受關注，在泊車輔助、接近檢測、無人機避障等領域極具應用前景。得益于應力不敏感、高靈敏度與高線性度的特性，懸臂梁基PMUT是實現(xiàn)高信噪比、遠距離探測的優(yōu)選設計方案。然而，制造工藝缺陷導致的異步振動現(xiàn)象嚴重制約了該結構在超聲脈沖-回波探測中的性能。其一，不同懸臂梁的反向振動會產(chǎn)生聲場相消現(xiàn)象，導致發(fā)射聲壓強度顯著降低；其二，驅動脈沖結束后，由于異步振動的能量難以快速輻射衰減，器件會出現(xiàn)極長的余振信號，產(chǎn)生大的探測盲區(qū)，進而限制其近距離感知能力。

現(xiàn)有技術通過在相鄰懸臂梁間引入機械耦合梁作為硬彈簧以抑制異步振動。該方法要求耦合梁必須布置在靠近懸臂梁尖端區(qū)域才能實現(xiàn)有效振動抑制。然而，這種布局不僅顯著增加了結構剛度，還導致器件對機械應力的敏感度提升，從而降低其工作靈敏度與線性工作范圍。此外，耦合梁的存在一方面會阻礙制造過程中懸臂梁殘余應力的釋放，另一方面其還會改變懸臂梁結構內(nèi)部的應力分布，導致PMUT整體性能劣化。

圖1PMUT器件結構。(a)提出的軟連接方案示意圖；(b)密封處理前、后器件的SEM照片

為解決上述問題，本文創(chuàng)新性地提出了一種結合儲液池結構與自密封后處理軟連接策略的懸臂梁基PMUT設計。該方案通過向儲液池內(nèi)注入PDMS液體，利用毛細效應，使低表面張力的PDMS流體自發(fā)地填充懸臂梁之間的狹縫；經(jīng)過烘固化烤后，低楊氏模量PDMS在相鄰懸臂間形成柔性連接層，在保持器件原始機械性能的同時提供足夠的剪切剛度，從而有效地抑制了異步振動模態(tài)。

圖2密封處理前、后PMUT的LDV測試結果

激光多普勒測振儀(Laser Doppler vibrometer, LDV)測試結果表明，密封處理后的PMUT呈現(xiàn)單一同步振動模態(tài)。結合前端電路與信號處理算法，搭建了基于脈沖-回波的自收發(fā)超聲測距儀系統(tǒng)。密封處理后，測距儀的余振信號顯著縮短，最近探測盲區(qū)也大幅縮減。在69.2 kHz、40 Vpp的正弦信號驅動下以及20℃/ 50%濕度的測試環(huán)境中，測距儀實現(xiàn)了270.8 mm至3.8 m的測距范圍以及接近170°的發(fā)散角。對比國際上的商用產(chǎn)品，性能優(yōu)勢明顯。這種簡單、高效的密封處理策略，為開發(fā)高性能的PMUT器件及其應用提供了極具前景的技術路徑。

圖3 性能測試結果。(a)密封處理前PMUT的余振信號；(b)密封處理后PMUT的余振信號；(c)密封處理后PMUT的盲區(qū)測試結果；(d)密封處理后PMUT的信噪比與探測距離關系

該工作得到了國家自然科學基金項目的支持。光學與電子信息學院余洪斌教授為通訊作者，博士生王巖為第一作者，華中科技大學光學與電子信息學院為論文第一完成單位。