摘要——本文展示了一种基于转移周期极化压电薄膜（P3F）X型切割锂铌酸盐（LN）的双层压电微机械超声换能器（PMUT）原型。压电薄膜堆叠中采用了相反的面内极化方式，以实现弯曲模式的高效横向场激励。由于其高压电系数和低介电损耗，X型切割的LN在作为传感器和换能器时均展现出优异的性能。制造的PMUT展示了接近1 MHz的面外模式，电机械耦合度为3.6%。激光多普勒振动计进一步验证了有限元分析，显示峰值中心位移为8nm/V。这些结果确立了双层P3F LN PMUT作为紧凑型和高性能超声换能器的有前景平台。未来的工作将集中在理论分析、测量数据建模、换能器拓扑设计改进以及减轻穿透效应方面。

关键词——声学设备，锂铌酸盐，#周期极化压电薄膜（P3F），压电微机械超声换能器（PMUTs）

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I. 引言
压电微机械超声换能器（PMUTs）通过薄压电膜的弯曲振动实现紧凑的超声传感与驱动。与电容式微机械超声换能器（CMUTs）不同，PMUTs省略了直流偏置要求，并提供线性的电机械转换[1]，[2]，从而简化了驱动电子电路，并在低电压下提供更高的输出。薄膜平台的发展，如溅射的AlN/ScAlN[3]–[6]和PZT[7]–[9]，使得PMUT在医学成像[10]，[11]、无线通信[12]，[13]、指纹识别[14]，[15]以及流量传感[16]，[17]等领域的应用成为可能。然而，在传输和接收方面实现强性能仍然是PMUT面临的主要挑战，这主要受限于压电材料的电机械特性。近年来的研究工作探索了具有更高耦合性和更低声学损失的压电材料[18]–[20]。

表 I.压电材料的传感器和换能器性能指标（FoMs）

为了能够公平地比较不同压电材料的性能，已经开发了发射器和接收器的性能指标（FoMs）[18]。表I总结了广泛使用的PMUT材料（包括AlN、ScAlN和PZT）的FoMs。为了表征在弯曲换能器中由机械变形产生的电输出，定义了几种性能指标（FoMs）。压电系数e（C/m²）量化了单位应力下的感应表面电荷，表示电流和电荷的灵敏度。与之对比，e/ε（GV/m）的比值反映了电压灵敏度，通过考虑材料的介电常数ε。为了在低信号条件下评估检测性能，FoM e/√ε tan δ，其中tan δ是介电损失正切。较高的值表示在接收器受限系统中更好的信噪比（SNR）。对于换能器应用，较大的电机械耦合系数（k²）对于最大化电能与机械能之间的转换至关重要。在弯曲模式设备中，这种效率由换能器FoM e²/(εY)量化，这捕捉了双向能量传输的特性。这里，Y表示被动层的刚度，标准化为硅的杨氏模量[18]。在表I所列的材料中，PZT和PMN-PT展现了高k²，使其在换能器应用中具有优势。然而，它们的较大介电常数和高介电损失显著降低了作为传感器的性能，导致较差的电压灵敏度和较高的噪声水平。这种权衡凸显了探索具有平衡特性的替代压电材料的必要性，这些材料在保持低介电损耗的同时，支持强电机械耦合，从而提高传感和传输模式下的性能。

锂铌酸盐（LN）具有高压电系数和低介电损耗[21]，[22]，因此已成为下一代PMUT的有力候选材料。先前的研究工作[23]展示了使用单层36°Y型切割LN在横向场激励（LFE）下的良好PMUT性能。在此基础上，本文提出了一种多层周期极化压电薄膜（P3F）结构，该结构通过高质量的单晶LN转移制造。通过利用交替晶体取向的双形X型切割LN结构，该方法充分利用了LN在传感与驱动中的有利FoMs。

II. 设计与仿真
所提出的双形X型切割PMUT的顶部视图如图1所示，标注了关键参数。如图1(a)所示，该设备由一个悬浮的三层堆叠结构组成，包含两层10 µm厚的X型切割LN层和一个400 nm厚的SiO2中间层，位于Si载体晶圆的顶部。底部的LN层在平面内旋转180°，形成了一个周期极化压电薄膜（P3F）结构，反转了极化轴（Z轴）的取向。这种配置促进了双形堆叠结构中表面电荷的建设性积累，同时通过来自相反应力阶段的电荷相互抵消，抑制了不希望出现的高次谐波，从而改善了面外驱动[27]，[28]。顶部表面上设计了两对100 nm厚的铂（Pt）电极，用于弯曲模式的激励。活跃区域下方的硅被去除，形成了一个悬浮腔体，为声学位移提供机械自由边界。图1(b)展示了制造设备的光学图像，其中一个700 µm × 700 µm的腔体区域清晰可见，上面悬挂着膜结构，并且标注了VIN和GND的金属电极。

图 1. (a) 横向电场激励的双形X型切割LN PMUT的顶部视图横截面。
(b) 制造的悬浮LN PMUT的光学图像，标注了顶部电极为VIN和GND。

图 2. 双形X型切割LN PMUT的有限元仿真：
(a) 横向电场激励下的3D位移模态形态，
(b) 显示建设性极化的横截面应力分布，
(c) 仿真电气导纳及提取的共振参数，
(d) 共振附近的动态面外位移，展示了3.27 nm/V的灵敏度。

首先使用COMSOL有限元分析（FEA）对设备结构进行了分析。如图2(a–b)所示，施加在顶部电极上的横向电场通过强烈的e11系数（4.65 C/m²）在LN层中诱导平面内应力（Tx）。由于双形LN堆叠结构的Z轴取向被反转，在相同电场作用下，两层产生相反符号的应力，这些应力在厚度方向上相加，从而增强了面外位移。该薄膜堆叠结构由10 µm LN和2 µm SiO2组成，旨在防止电荷抵消并最大化电机械耦合。电极交替偏置并放置在应力反节点附近，而外部电极延伸到悬浮区域外，以提高能量转移。图2(c)中的仿真导纳谱显示了在1.1 MHz左右的明显共振，对应有效耦合度为3.6%，高于已报告的ScAlN同类材料[29]，[30]。静态电容（C0）为0.099 pF，质量因子（Q）设置为20。同时，图2(d)绘制了动态位移图，显示在共振附近，峰值为3.27 nm/V，突出了强烈的面外振动。

III. 制造与测量
所制造的双形LN PMUT如图1(b)所示。LN–SiO2–Si薄膜堆叠由NGK绝缘体公司提供。制造过程从在顶部电极上刻蚀100-nm铂（Pt）开始，然后通过背面深反应离子刻蚀（DRIE）硅基底进行结构释放。刻蚀在埋氧化层处终止，以避免过度刻蚀进入LN活性层。在加工过程中，观察到意图中的膜窗与刻蚀腔体之间有轻微的背面对准偏移。这个偏移导致了有效膜结构尺寸的微小变化，从而使得操作频率与有限元分析（FEA）模拟结果相比略有偏差。未来的优化将集中在优化刻蚀窗口和电极容差上。

图 3.(a) 测量的双形X型切割LN PMUT的电气导纳。
(b) 通过LDV测量的面外膜位移，显示了约0.97 MHz的共振，峰值幅度为8 nm/V。

制造的设备在空气中通过激光多普勒振动计（LDV）直接测量膜结构位移进行了表征。使用苏黎世阻抗分析仪进行的电气导纳测量，如图3(a)所示，确认了约为0.97 MHz的共振存在。测量范围的切换导致了轻微的不连续性。较高的导纳值表明存在穿透效应，未来的研究将进一步探讨这一问题。相应的面外膜位移谱如图3(b)所示，展现了一个尖锐的共振峰，测得的位移约为8 nm/V。位移的减小可能是由基底穿透寄生效应引起的。测得的共振频率略微低于FEA预测的1.1 MHz。这一偏移预计是由于电极的质量加载和寄生效应所致。尽管如此，测得的最大膜位移340 pm/V与预期的模式形态一致，并验证了图2中的双形驱动机制。

IV. 结论
在本研究中，我们展示了基于周期极化压电薄膜（P3F）LN的双形PMUT原型。通过利用X型切割LN双形堆叠中的相反面内极化，我们实现了弯曲模式的高效横向场激励，并取得了强大的电机械耦合。这些结果将双层P3F LN PMUT确立为一种有前景的平台，用于紧凑型和高性能的超声换能器，为下一代传感和驱动应用提供了途径。未来的工作将集中在对测量数据的建模、改进换能器拓扑设计以及减轻穿透效应方面。