面向醫(yī)療應(yīng)用的ScAlN PMUT的開發(fā)設(shè)計(jì)

微加工技術(shù)的進(jìn)步推動(dòng)了高性能電容式微機(jī)械超聲換能器（CMUT）和壓電式微機(jī)械超聲換能器（PMUT）的發(fā)展。CMUT基于電容驅(qū)動(dòng)和傳感機(jī)制，而PMUT利用壓電機(jī)制進(jìn)行換能。與PMUT相比，CMUT是一項(xiàng)研究比較成熟的技術(shù)，市場上已有使用CMUT的商業(yè)醫(yī)療設(shè)備。然而CMUT的工作需要較高的直流偏置電壓（范圍在70-140 V之間），這限制了CMUT的應(yīng)用。

PMUT能夠在無直流偏置電壓的情況下工作，這使其對電壓和功率受限的醫(yī)療應(yīng)用（例如可穿戴設(shè)備、植入式設(shè)備等）具有吸引力。這與壓電薄膜的最新進(jìn)展一起，使得PMUT技術(shù)在過去十年中得到了快速發(fā)展。鋯鈦酸鉛（PZT）和氮化鋁（AlN）是PMUT最常用的兩種壓電材料。由于壓電系數(shù)大，PZT PMUT具有非常好的發(fā)射性能。另一方面，PZT的介電常數(shù)大，導(dǎo)致其接收靈敏度較差。此外，PZT需要較高的加工溫度，并且與CMOS工藝不兼容。由于介電常數(shù)低，基于AlN的PMUT具有更好的接收性能。AlN PMUT也與CMOS兼容。然而，AlN的壓電系數(shù)較低，因此發(fā)射性能較差。研究表明，在不影響接收性能和CMOS兼容性的情況下，鈧（Sc）的摻雜可以提高AlN的壓電系數(shù)。ScAlN是一種相對較新的壓電材料，ScAlN PMUT的潛力尚未得到充分挖掘。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，芬蘭國家技術(shù)研究中心（VTT）的研究人員組成的團(tuán)隊(duì)在Journal of Microelectromechanical Systems期刊上發(fā)表了題為“Development of ScAlN PMUTs for Medical Applications”的論文，開發(fā)了一種醫(yī)療應(yīng)用的超聲波可穿戴貼片的ScAlN PMUT，介紹了這種PMUT的設(shè)計(jì)、制造和表征。研究人員采用鈧（20% Sc/(Sc + Al)）摻雜的AlN作為壓電材料，開發(fā)了具有圖案化壓電層的PMUT制造工藝，制造了PMUT的單元和線性陣列，并進(jìn)行了電學(xué)、力學(xué)和聲學(xué)表征。壓電圖案化提高了PMUT的性能。制造出的PMUT顯示出出色的芯片和晶圓級一致性和良率。在諧振頻率為5.7 MHz時(shí)，ScAlN PMUT陣列的發(fā)射靈敏度為13 kPa/V，接收靈敏度為1.1 V/MPa。良好的發(fā)送-接收特性以及無偏置電壓工作的能力使ScAlN PMUT非常適合電壓受限的醫(yī)療應(yīng)用。

設(shè)計(jì)

水耦合PMUT單元的三維（3D）橫截面視圖如圖1所示。該薄膜由硅（Si）結(jié)構(gòu)層、作為壓電材料的20%鈧（Sc）摻雜的AlN、作為上下電極的鉬（Mo）組成。硅結(jié)構(gòu)層下的空腔處于真空狀態(tài)。所提出的PMUT設(shè)計(jì)不同于傳統(tǒng)的水耦合PMUT，因?yàn)樗婕皦弘姴牧系膱D案化。具體來說，在該設(shè)計(jì)中，電極區(qū)域外部的壓電層被圖案化。

圖1 ScAlN PMUT的示意圖

壓電圖案化PMUT結(jié)構(gòu)有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：首先，對壓電層進(jìn)行圖案化可降低薄膜蝕刻區(qū)域的剛度，從而提高位移靈敏度并改善PMUT的發(fā)射和接收性能；其次，對壓電層進(jìn)行圖案化還可以釋放應(yīng)力并減少壓電應(yīng)力變化對薄膜的影響。因此，壓電層圖案化有望提高所提出的水耦合PMUT中的芯片和晶圓級一致性；最后，由于ScAlN的熱膨脹系數(shù)較高，壓電層圖案化提高了PMUT的熱穩(wěn)定性，盡管這對于水耦合PMUT來說并不重要。

PMUT線性陣列的設(shè)計(jì)如圖2所示。根據(jù)空腔型絕緣體上硅（CSOI）的設(shè)計(jì)規(guī)則，腔體邊緣之間的最小死區(qū)（dead space）必須至少為20 μm。因此，X和Y方向上單元之間的間距均設(shè)置為110 μm（直徑+死區(qū)）。行的之字形排列有助于在PMUT之間實(shí)現(xiàn)高于20 μm的死區(qū)，并有望減少行之間的串?dāng)_。

圖2 PMUT線性陣列的設(shè)計(jì)（栗色為圖案化壓電層、橙色為圖案化頂部電極）

制造

PMUT是在Okmetic公司提供的6英寸CSOI多工藝晶圓上制造的。PMUT薄膜的空腔和器件/結(jié)構(gòu)層通過鍵合形成CSOI結(jié)構(gòu)，如圖3所示。

圖3 ScAlN PMUT制造工藝流程示意圖

圖4 制造出的PMUT陣列的光學(xué)顯微鏡圖像

PMUT采用簡單的4掩膜工藝制造。圖4顯示了已制造好的部分PMUT陣列的光學(xué)顯微鏡圖像。PMUT薄膜橫截面的掃描電鏡（SEM）圖像如圖5所示。PMUT器件的底部電極（Ti/Mo: 150 nm）和頂部電極（Mo: 200 nm）之間夾有875 nm厚度的ScAlN壓電層。

圖5 ScAlN PMUT橫截面的SEM圖像

表征

研究人員對單個(gè)PMUT陣列中的所有96個(gè)元件（每行22個(gè)單元構(gòu)成1個(gè)元件）和晶圓上的15個(gè)不同陣列進(jìn)行了電學(xué)表征。超過96%的被測量行都能正常工作。不同晶圓位置的PMUT的平均諧振頻率如圖6所示。位于中心處的PMUT陣列的諧振頻率略高于邊緣處的PMUT。這種變化是由于Si器件層厚度的變化造成的。陣列內(nèi)的頻率變化和晶圓上的平均頻率變化分別為3%和6%。正如預(yù)期的那樣，壓電圖案化水耦合PMUT表現(xiàn)出非常好的晶圓和芯片級一致性。

圖6 PMUT在多工藝6英寸晶圓上的平均諧振頻率

PMUT線性陣列的發(fā)射和接收性能是使用Onda的AIMS III聲學(xué)表征裝置測量的。為了測量其發(fā)射性能，將PMUT線性陣列（連同PCB）浸入裝有去離子水的掃描槽中。PMUT線性陣列中的42個(gè)元件通過將其連接到信號發(fā)生器進(jìn)行激勵(lì)。直徑為400 μm的水聽器（Onda的HGL-0400）被用于測量PMUT陣列產(chǎn)生的聲壓。為了測量其接收性能，ScAlN PMUT與發(fā)射器保持80 mm的距離。VTT的其中一個(gè)AlN PMUT陣列被用作發(fā)射器。在諧振頻率為5.7 MHz時(shí)，ScAlN PMUT陣列的發(fā)射靈敏度為13 kPa/V，接收靈敏度為1.1 V/MPa。

綜上所述，本項(xiàng)研究探討了可用于血壓監(jiān)測貼片的ScAlN PMUT線性陣列的開發(fā)。研究人員設(shè)計(jì)了PMUT單元和線性陣列，并使用仿真模型對其性能進(jìn)行了初步評估。ScAlN壓電層的圖案化提高了PMUT的性能。為制造壓電圖案化ScAlN PMUT，開發(fā)了一種簡單的4掩模制造工藝。PMUT的電學(xué)特性表征結(jié)果表明，基于CSOI的ScAlN PMUT制造工藝具有非常好的良率。通過聲學(xué)表征對線性陣列的性能進(jìn)行了評估，測量結(jié)果與仿真模型獲得的結(jié)果相當(dāng)。ScAlN PMUT顯示出良好的發(fā)射靈敏度、接收靈敏度和寬帶寬。與最先進(jìn)的MUT技術(shù)的比較表明，ScAlN PMUT是電壓受限的醫(yī)療應(yīng)用的最佳選擇。

審核編輯：劉清