5月19日，Microsystems & Nanoengineering在线刊发了光学与电子信息学院余洪斌教授团队在压电MEMS超声换能器领域最新研究成果“Cantilever beam-based piezoelectric micromachined ultrasonic transducer with post processing soft interconnecting strategy for in-air rangefinding”。

基于压电微机械超声波换能器(piezoelectric micromachined ultrasonic transducer, PMUT)的空气耦合式测距系统因其独特优势而备受关注，在泊车辅助、接近检测、无人机避障等领域极具应用前景。得益于应力不敏感、高灵敏度与高线性度的特性，悬臂梁基PMUT是实现高信噪比、远距离探测的优选设计方案。然而，制造工艺缺陷导致的异步振动现象严重制约了该结构在超声脉冲-回波探测中的性能。其一，不同悬臂梁的反向振动会产生声场相消现象，导致发射声压强度显著降低；其二，驱动脉冲结束后，由于异步振动的能量难以快速辐射衰减，器件会出现极长的余振信号，产生大的探测盲区，进而限制其近距离感知能力。

现有技术通过在相邻悬臂梁间引入机械耦合梁作为硬弹簧以抑制异步振动。该方法要求耦合梁必须布置在靠近悬臂梁尖端区域才能实现有效振动抑制。然而，这种布局不仅显著增加了结构刚度，还导致器件对机械应力的敏感度提升，从而降低其工作灵敏度与线性工作范围。此外，耦合梁的存在一方面会阻碍制造过程中悬臂梁残余应力的释放，另一方面其还会改变悬臂梁结构内部的应力分布，导致PMUT整体性能劣化。

图1PMUT器件结构。(a)提出的软连接方案示意图；(b)密封处理前、后器件的SEM照片

为解决上述问题，本文创新性地提出了一种结合储液池结构与自密封后处理软连接策略的悬臂梁基PMUT设计。该方案通过向储液池内注入PDMS液体，利用毛细效应，使低表面张力的PDMS流体自发地填充悬臂梁之间的狭缝；经过烘固化烤后，低杨氏模量PDMS在相邻悬臂间形成柔性连接层，在保持器件原始机械性能的同时提供足够的剪切刚度，从而有效地抑制了异步振动模态。

图2密封处理前、后PMUT的LDV测试结果

激光多普勒测振仪(Laser Doppler vibrometer, LDV)测试结果表明，密封处理后的PMUT呈现单一同步振动模态。结合前端电路与信号处理算法，搭建了基于脉冲-回波的自收发超声测距仪系统。密封处理后，测距仪的余振信号显著缩短，最近探测盲区也大幅缩减。在69.2 kHz、40 Vpp的正弦信号驱动下以及20℃/ 50%湿度的测试环境中，测距仪实现了270.8 mm至3.8 m的测距范围以及接近170°的发散角。对比国际上的商用产品，性能优势明显。这种简单、高效的密封处理策略，为开发高性能的PMUT器件及其应用提供了极具前景的技术路径。

图3 性能测试结果。(a)密封处理前PMUT的余振信号；(b)密封处理后PMUT的余振信号；(c)密封处理后PMUT的盲区测试结果；(d)密封处理后PMUT的信噪比与探测距离关系

该工作得到了国家自然科学基金项目的支持。光学与电子信息学院余洪斌教授为通讯作者，博士生王岩为第一作者，华中科技大学光学与电子信息学院为论文第一完成单位。

文章链接：Cantilever beam-based piezoelectric micromachined ultrasonic transducer with post processing soft interconnecting strategy for in-air rangefinding

https://doi.org/10.1038/s41378-025-00939-x