压电MEMS超声换能器如何解决解决频率控制难题？

超声波传感技术被广泛应用于工业、医疗等领域，如成像、测距、测流量等。与传统的压电陶瓷超声换能器相比，压电MEMS超声换能器（PMUT）具有体积小、功耗低、CMOS工艺兼容性等优点。众所周知，PMUT的发射/接收灵敏度与其谐振频率控制是相互制约的：更薄的振膜可以提高单位面积下的灵敏度，但同时会加剧残余应力和尺寸偏差对谐振频率的负面影响。因此，一般情况下高灵敏度的PMUT面临着严峻的频率控制难题；尤其对于空气耦合型PMUT，其较低的带宽对频率控制能力提出更严格的要求和极大的挑战。

据麦姆斯咨询报道，近日，天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室MEMS课题组的研究人员在IEEE Journal of Microelectromechanical Systems期刊Letter板块发表了题为“Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducers With Superior Frequency Control”的论文（10.1109/JMEMS.2023.3305461）。该论文提出的PMUT方案解决了频率控制与高灵敏度相互制约的难题，介绍了相关理论以及新方案的设计、制造和测试表征结果。

Tapered Cantilever Cluster PMUT（TCCP）方案

TCCP方案实物照片及加工流程

据论文通讯作者张孟伦和庞慰教授介绍，这项研究工作提出的TCCP（Tapered Cantilever Cluster PMUT）方案可以释放振膜的残余应力，同时精确定义振膜边界，从而实现优越的频率控制水平。测试结果表明，TCCP方案的晶圆级频率一致性和目标频率偏差分别达到0.8%和1%，与传统的CCP（Circular Clamped PMUT）设计方案相比，其频率控制能力提升了1个数量级。据了解，这是全球首次展示达标1%的频率控制水平。

频率控制性能测试和能力对比

此外，这种新方案不需要SOI硅片和trimming频率调整工艺，同时降低了应力控制工艺要求，因此易于实现大批量高良率制造，具有显著的成本效益。它提供了一种高性能、低成本的解决方案，将大幅提升压电MEMS超声换能器在超声波气体流量计、波束形成阵列等应用中的竞争力。

编辑：黄飞