pmut技术目前面临的最大挑战是什么？

1. 基底 ：为整个结构提供支撑
2. 空腔 ：位于基底之上，为振动膜提供振动空间
3. 振动膜 ：由三层结构组成
4. 第一电极层 ：通常位于底部，用于施加电场
5. 压电层 ：核心功能层，利用压电效应产生振动
6. 第二电极层 ：位于顶部，用于施加电场

1. 可靠性高 ：没有多余的固支结构，加工过程和工作状态下都具有较高的可靠性
2. 运动行为可预测 ：简单结构的运动方式也简单，对运动行为产生的影响因素和影响大小都基本可预测
3. 杂散模态分布规律 ：不易出现颠覆性的问题

1. 提高灵敏度 ：降低薄膜蚀刻区域的刚度，提高位移灵敏度
2. 改善性能 ：改善PMUT的发射和接收性能
3. 释放应力 ：减少压电应力变化对薄膜的影响
4. 提高一致性 ：提高芯片和晶圆级一致性
5. 增强热稳定性 ：提高PMUT的热稳定性

这种新型结构的ScAlN PMUT在医疗应用中展现出了优异的性能。在谐振频率为5.7 MHz时，ScAlN PMUT阵列的发射灵敏度达到了13 kPa/V，接收灵敏度为1.1 V/MPa。这些性能指标表明，ScAlN PMUT在电压受限的医疗应用中具有巨大潜力。

1. 非线性行为 ：PMUT的振动特性可能会受到非线性效应的影响，导致其在高功率工作时性能下降。
2. 热效应 ：长时间工作可能导致PMUT温度升高，影响其性能和可靠性。
3. 环境适应性 ：PMUT在不同环境条件下的性能表现可能存在差异，需要进行优化设计以适应各种应用场景。

1. 性能挑战

谐振频率控制

1. 高灵敏度与频率控制的矛盾 ：为提高灵敏度，通常需要使用更薄的振膜，但这会加剧残余应力和尺寸偏差对谐振频率的负面影响。
2. 空气耦合型PMUT的特殊挑战 ：这类PMUT的带宽较低，对频率控制能力提出了更严格的要求和挑战。
3. 工艺参数变化的影响 ：在制造过程中，工艺参数的微小变化可能导致谐振频率的显著偏差，影响PMUT的一致性和性能。

1. 晶圆级频率一致性 ：TCCP方案实现了0.8%的晶圆级频率一致性，相比传统的Circular Clamped PMUT（CCP）设计提升了1个数量级。
2. 目标频率偏差 ：TCCP方案将目标频率偏差控制在1%以内，这是全球首次展示的达标1%的频率控制水平。
3. 简化制造工艺 ：TCCP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，有利于实现大批量高良率制造，具有显著的成本效益。

灵敏度提升

1. 发射灵敏度提升 ：与传统一阶PMUT相比，三阶PMUT的发射灵敏度提高了约10.2倍。
2. 往返灵敏度提升 ：三阶PMUT的往返灵敏度比一阶PMUT提高了4.12倍。
3. 接收电压提升 ：在脉冲回波分析中，三阶PMUT的接收电压比一阶PMUT提高了8.6倍。

带宽限制

1. 低阻尼因子 ：在低密度介质（如空气）中操作时，PMUT会受到低阻尼因子的负面影响，导致自由振荡难以有效抑制。
2. 振铃信号 ：自由振荡会产生所谓的振铃信号，这对回波的正确接收和检测产生负面影响，尤其在2MHz频率范围内更为明显。
3. 品质因数Q ：PMUT的品质因数Q越高，振铃信号的持续时间就越长，进一步加剧了带宽限制的问题。

1. 无源或有源阻尼器 ：配置阻尼器以减少自由振荡，从而增加PMUT的带宽。
2. 算法检测 ：采用算法来检测振铃信号包络的衰减变化，从而改善回波检测。

1. 无源阻尼器 ：可能会引起强烈的功率损耗，并且由于环境条件变化，难以实现与PMUT器件的完美阻抗匹配。
2. 有源阻尼器 ：虽然能够在有源脉冲后执行反相激励，但也受到阻抗匹配问题的负面影响。
3. 算法检测 ：其效果强烈依赖于回波的形状和障碍物/目标的特性，可能在某些情况下效果不佳。

1. 叶瓣形状 ：薄膜元件沿垂直于第一方向的平面具有叶瓣形状，包括至少两个叶瓣。
2. 对应设计 ：每个压电构件位于对应的叶瓣之上，这种设计可以增加PMUT的带宽。

2. 制造难题

薄膜应力控制

1. 热应力 ：由薄膜材料与基底材料的热膨胀系数差异引起
2. 内应力 ：由薄膜生长过程中的微观结构变化引起

1. 离子辅助沉积 ：通过在沉积过程中引入离子束，可以显著降低薄膜的残余应力。
2. 退火处理 ：在适当温度下对薄膜进行退火，可以有效减少内应力。
3. 多层膜设计 ：通过合理设计多层膜结构，可以实现应力的相互抵消。
4. 应力传感器集成 ：在PMUT结构中集成应力传感器，实现实时应力监测和反馈控制。
5. 新型材料探索 ：研究人员正在探索具有低应力特性的新型材料，如纳米复合薄膜，以降低薄膜应力。

1. 工艺参数的精确控制 ：需要更精确的工艺参数控制，以实现更小的应力变化。
2. 大规模生产中的一致性 ：在大规模生产中保持应力控制的一致性仍然是一个挑战。
3. 复杂结构的应力控制 ：对于复杂的PMUT结构，如多层复合薄膜，应力控制变得更加复杂。

尺寸偏差

1. 高精度加工要求 ：PMUT振元的直径通常在几十微米甚至更小，这对微加工工艺提出了极高的精度要求。例如，在超声成像领域，即使1微米的对准偏差也可能导致性能大幅下降。
2. 晶圆级一致性控制 ：为了实现大规模生产和降低成本，需要在晶圆级上保持PMUT尺寸的高度一致性。然而，由于微加工工艺的复杂性，实现这一目标极具挑战性。
3. 工艺参数变化的影响 ：PMUT的性能对其结构尺寸非常敏感，因此在制造过程中，工艺参数的微小变化可能导致尺寸偏差，进而影响PMUT的性能一致性。

1. 提高刻蚀均匀性 ：促进刻蚀气体和钝化气体从空腔内排出，减少刻蚀不均匀性。
2. 降低footing效应 ：有效避免或降低高深宽比结构刻蚀过程中的footing效应。
3. 提升性能一致性 ：显著改善PMUT振元间的尺寸一致性和性能稳定性。

良率问题

3. 集成挑战

CMOS兼容性

1. 工艺参数差异 ：PMUT制造过程中使用的高温工艺（如硅外延）与CMOS工艺的低温要求存在冲突，导致难以在CMOS晶圆上形成单晶硅机械层。
2. 材料选择限制 ：PMUT常用的PZT材料需要特殊的沉积、腐蚀和清洗设备，与CMOS工艺的标准设备不兼容，增加了生产线的投资成本。
3. 金属污染问题 ：PZT材料可能会对CMOS工艺产生金属污染，影响CMOS产品的性能和可靠性，这进一步限制了PMUT-on-CMOS工艺的应用。
4. 封装工艺复杂性 ：PMUT阵列与CMOS电路的互连需要复杂的封装工艺，增加了系统的体积和成本，降低了产品的集成度和性能。

1. 减少芯片面积 ：通过垂直堆叠，PMUT单元的占空比（可产生超声的面积与整个单元面积之比）得到提高，减少了金属布线对PMUT性能的负面影响。
2. 降低寄生效应 ：垂直堆叠的设计减少了PMUT阵列与CMOS电路之间的长距离金属布线，降低了寄生电阻和电容，从而改善了PMUT的性能。
3. 提高系统集成度 ：将PMUT阵列和CMOS电路集成在同一芯片上，实现了更高的系统集成度，为便携式和小型化超声设备的开发提供了可能。

电子电路集成

4. 应用瓶颈

医疗成像

1. 带宽限制 ：PMUT的带宽通常较窄，这限制了其在高频医用超声成像中的应用。为解决这一问题，研究人员提出了一种创新方法：在PMUT中添加以PDMS（聚二甲基硅氧烷）为衬底材料的背衬层。这种设计可以在不改变元件尺寸的情况下使器件的带宽加倍，显著提高了PMUT在高频成像中的性能。
2. 频率一致性 ：在大规模阵列中保持PMUT的频率一致性是一个重大挑战。为应对这一问题，研究人员开发了一种新型的Tapered Cantilever Cluster PMUT（TCCP）结构。这种结构通过释放振膜的残余应力并精确定义振膜边界，实现了优越的频率控制水平。具体而言，TCCP方案实现了0.8%的晶圆级频率一致性，相比传统设计提升了1个数量级。
3. 灵敏度提升 ：提高PMUT的灵敏度对于医疗成像应用至关重要。研究人员通过优化电极配置和厚度，设计出了基于高阶模态的PMUT结构。这种新型设计显著提高了PMUT的发射和接收性能，具体表现为：
4. 发射灵敏度：相比传统一阶PMUT提高了约10.2倍
5. 往返灵敏度：相比传统一阶PMUT提高了4.12倍
6. 接收电压：在脉冲回波分析中比传统一阶PMUT提高了8.6倍
7. 成像质量 ：PMUT技术在医疗成像中的实际应用效果仍需进一步验证。尽管理论上PMUT具有许多优势，但在临床环境中，其成像质量、分辨率和穿透深度等方面的表现仍需更多的研究和优化。

空气耦合应用

1. 低阻尼因子 ：在低密度介质（如空气）中操作时，PMUT会受到低阻尼因子的负面影响，导致自由振荡难以有效抑制。
2. 振铃信号 ：自由振荡会产生所谓的振铃信号，这对回波的正确接收和检测产生负面影响，尤其在2MHz频率范围内更为明显。
3. 品质因数Q ：PMUT的品质因数Q越高，振铃信号的持续时间就越长，进一步加剧了带宽限制的问题。

5. 总结