概述#

MEMS-PMUT 简介#

Micro-Electro-Mechanical Systems（MEMS，微机电系统）是一种利用微制造技术生产的微型器件，其在换能领域（换能器件包括传感器 Sensor 与执行器 Actuator）具有显著的优越性。
MEMS 应用非常广泛，包括：

• 传感器（惯性传感器、压力传感器、磁场传感器、光学传感器……）
• 执行器（微型镜、微泵、微阀……）
• 既作为传感器又作为执行器的微机械超声换能器（Micromachined Ultrasonic Transducers，MUT）
• 射频器件（Radio Frequency Device, RF）及其他

PMUT 属于：

换能器 → 超声换能器
          MEMS 技术 → 微机械超声换能器（MUT）
                      → 压电微机械超声换能器（Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducer，PMUT）

PMUT 是利用 MEMS 技术制造的，既可作为传感器也可作为执行器，基于压电效应振动的超声换能器。

相比传统超声换能器，PMUT 的优势包括：

• 更小的尺寸
• 更低的功耗
• 可以在空气和水中运行
• 更高的集成度

压电陶瓷、CMUT、PMUT 之对比#

当然，超声换能器不只有基于压电效应的。其他还有：

• 压电陶瓷换能器（即用 piezoelectric ceramics 制成的 bulk piezoelectric transducer）
• 电容式微机械超声换能器（Capacitive Micromachined Ultrasonic Transducer，CMUT）

下表展示了三者的特性对比：

---

三者工作模式简介#

• 压电陶瓷：
  利用压电效应，通过 z 方向电场产生 z 方向应变振动，为 d₃₃ 模态（指标3代表 z 方向电场，第二个指标3代表 z 方向应变），也称“厚度模式”。

• PMUT：
  利用压电效应，通过 z 方向电场产生 x 方向应变振动，为 d₃₁ 模态（指标3代表 z 方向电场，指标1代表 x 方向应变）。
  压电层 x 方向的拉伸会引起下方的被动层（passive layer）上下弯曲，工作模式称为“挠曲振动模式”。
  后续将详细讲解压电效应及 PMUT 的挠曲振动模式。

• CMUT：
  通过静电力吸引电容顶电极，使振膜弯曲振动，也是挠曲振动模式。

---

压电陶瓷、CMUT 和 PMUT 特性对比表#

特性	压电陶瓷	CMUT	PMUT
示意图
工作模式	厚度模式	挠曲振动模式	挠曲振动模式
频率范围	有限	较广	较广
输出功率	高	低	中等
带宽	窄	宽	中等
直流偏置要求	不需要	需要	通常不需要
制造复杂性	简单	高	中等
小型化能力	有限	优	优
阻抗匹配	有限	优	优
应用	工业、治疗、成像	高分辨率成像、传感	可穿戴设备、传感

表 1.1：压电陶瓷、CMUT 和 PMUT 特性对比表