微型壓電超聲換能器（pMUTs）正在被應(yīng)用于血管內(nèi)超聲和心腔內(nèi)超聲領(lǐng)域，推動(dòng)實(shí)時(shí)三維醫(yī)學(xué)超聲成像的發(fā)展。相對(duì)于傳統(tǒng)的陶瓷換能器，pMUTs能夠提供更高的操作頻率，具有更小的體積。使用成熟的半導(dǎo)體加工工藝，作為MEMS系統(tǒng)的pMUTs的加工為高密度二維陣列的大批量生產(chǎn)提供一個(gè)更加經(jīng)濟(jì)的方法。這也對(duì)信號(hào)處理片內(nèi)集成電路的交互接口具有建設(shè)性的指導(dǎo)，因此緩解了導(dǎo)管超聲成像領(lǐng)域所面臨的挑戰(zhàn)。
pMUT結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)
pMUT的結(jié)構(gòu)由一個(gè)柔性壓電膜覆蓋的腔體構(gòu)成，這些膜根據(jù)施加的電學(xué)刺激產(chǎn)生機(jī)械變形。壓電膜是使用旋轉(zhuǎn)涂層工藝沉積到具有Ti/Pt電極層的SOI基底上的。壓電膜和電極層是通過(guò)光刻的技術(shù)形成基元二維陣列的。在這些pMUTs器件上，腔體、壓電膜和電極層被放置到一個(gè)特定的結(jié)構(gòu)上從而產(chǎn)生預(yù)期的操作。
圖1 pMUTs層壓材料截面示意圖
為什么pMUT振動(dòng)需要使用光學(xué)測(cè)試
我們目前對(duì)pMUT陣列運(yùn)動(dòng)的理解都是基于它們聲學(xué)和電學(xué)相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)測(cè)量。板件振動(dòng)相關(guān)的傳統(tǒng)理論不足以描述pMUT結(jié)構(gòu)和響應(yīng)之間的關(guān)系。把pMUTs當(dāng)作一個(gè)橫向諧振器模型能夠描述較小基元的振動(dòng)，但是較大基元不能建模為橫向諧振器或者平面諧振器。如圖3所示，沒(méi)有任何一個(gè)模型的單一高階模型能夠準(zhǔn)確描述其高頻響應(yīng)。然而，觀測(cè)到的與厚度有關(guān)的響應(yīng)頻率說(shuō)明了平面諧振模型高階響應(yīng)的復(fù)雜性。pMUTs元件高頻振動(dòng)的光學(xué)測(cè)量可以驗(yàn)證小基元的基礎(chǔ)模型響應(yīng)和大基元復(fù)雜的高階模型振動(dòng)。
振動(dòng)測(cè)量結(jié)果
MSA-500微系統(tǒng)分析儀可以可視化單個(gè)的75微米和200微米的pMUT基元的振動(dòng)。如圖4，描述了75微米基元的振動(dòng)響應(yīng)。然而我們?cè)诒阮A(yù)期的更大區(qū)域上觀測(cè)到了振動(dòng)位移，說(shuō)明了我們之前對(duì)于振動(dòng)邊界條件的推測(cè)是不正確的。如圖5所示，75微米基元橫軸和縱軸位移的測(cè)量表明pMUTs振動(dòng)的維度比我們預(yù)期的大10%。這個(gè)增加的振動(dòng)造成了pMUTs理論的和實(shí)測(cè)的響應(yīng)頻率的差別。200微米pMUT基元振動(dòng)的可視化驗(yàn)證了我們關(guān)于較大基元高階響應(yīng)的復(fù)雜性，如圖6所示，在小于2MHz的頻率范圍上觀察到了預(yù)期的振動(dòng)，但是在5.5MHz、5.7MHz和7.8MHz出現(xiàn)了額外的峰值，這些峰值剛好解釋了之前測(cè)試中發(fā)現(xiàn)的復(fù)雜的聲學(xué)輸出。
圖5. 75微米pMUT基元軸方向位移的測(cè)量
圖6. 200微米pMUT基元高頻處的振動(dòng)
結(jié)論
pMUTs器件的振動(dòng)呈現(xiàn)出復(fù)雜性和對(duì)測(cè)量條件要求高的特點(diǎn)，這包括高頻（大于10MHz）和高分辨率（小于1微米）。這些要求都可以通過(guò)MSA-500激光測(cè)振儀實(shí)現(xiàn)。
借助MSA-500可以將這些pMUTs器件振動(dòng)的表面可視化，這幫助我們揭示了它們振動(dòng)特性的諸多信息。較大基元高階模型的振動(dòng)響應(yīng)和不確定性邊界條件的揭示增加了我們對(duì)于pMUTs器件振動(dòng)的理解，這將幫助我們優(yōu)化理論模型。進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)可以幫助我們更好的認(rèn)識(shí)pMUTs器件的振動(dòng)特性，這將有利于我們進(jìn)一步優(yōu)化它們?cè)卺t(yī)學(xué)超聲換能器上的表現(xiàn)。
