MEMS壓電超聲換能器CMUT&PMUT以及生產(chǎn)工藝

1、聲波與超聲波

聲波：物體振動(dòng)時(shí)激勵(lì)著它周圍的空氣質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)，由于空氣具有可壓縮性，在質(zhì)點(diǎn)的相互作用下，振動(dòng)物體四周的空氣就交替地產(chǎn)生壓縮與膨脹，并且逐漸向外傳播，從而形成聲波。聲波傳播方式不是物質(zhì)的移動(dòng)，而是能量的傳播。也就是說(shuō)質(zhì)點(diǎn)并不隨聲波向前擴(kuò)散，而僅在其原來(lái)的平衡位置附近振動(dòng)，靠質(zhì)點(diǎn)之間的相互作用影響到鄰近的質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)，因此，振動(dòng)得以向四周傳播，形成波動(dòng)。

縱波：質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向平行于傳播方向的波，稱為縱波。

橫波：質(zhì)點(diǎn)振動(dòng)方向垂直于波傳播方向的波，稱為橫波。

聲波在空氣中傳播時(shí)只能發(fā)生壓縮與膨脹，空氣質(zhì)點(diǎn)的振動(dòng)方向與聲波的傳播方向是一致的，所以空氣中的聲波是縱波。聲波在液體中傳播一般也為縱波，但在固體中傳播則既有縱波又有橫波。

超聲波：頻率超過(guò)人類耳朵可以聽(tīng)到的最高閾值（20kHz）的聲波。人類的聽(tīng)覺(jué)頻率范圍一般在20Hz到20kHz之間，低于20Hz的聲波叫做次聲波（Infrasound），聲波的頻率范圍一般認(rèn)為在15Hz到1THz之間（這個(gè)T和硬盤的T是一樣的，10的12次方）。1GHz以上的一般叫做Hypersound，也稱作“微波聲”或者“量子聲”，主要是聲波更多呈現(xiàn)粒子特性，波的特性不明顯。所以波粒二象性不只存在于光波領(lǐng)域，聲波領(lǐng)域同樣存在。

2、超聲波的產(chǎn)生

超聲換能器（ultrasonic transducer，UT）是即可以用來(lái)發(fā)射又可以用來(lái)接收超聲波的換能原件。工作在發(fā)射模式，電勢(shì)能通過(guò)靜電力或者逆壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)化為換能器的振動(dòng)從而產(chǎn)生輻射聲壓；工作在接收模式，聲壓作用在換能器表面使其振動(dòng)，換能器再將振動(dòng)轉(zhuǎn)換成電壓。

從不同工作原理與加工方式的角度來(lái)進(jìn)行分類，可以將超聲換能器分為壓電陶瓷超聲換能器(Piezoelectric-ceramic ultrasonic transducers, PUT)、電容式微機(jī)械超聲換能器（Capacitive micro-machined ultrasonic transducers, CMUT）、壓電微機(jī)械超聲換能器（Piezoelectric Micro-machined ultrasonic transducers, PMUT）圖1分別為PUT、CMUT、PMUT三種換能器的結(jié)構(gòu)示意圖。不同工作原理與加工方式的超聲換能器在尺寸大小、工作頻率、工作帶寬等方向分別有不同的特性，這也在一定程度上影響不同類型超聲換能器在高頻工作頻段上的應(yīng)用

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圖1 PUT、CMUT與PMUT三種換能器結(jié)構(gòu)示意圖

3、CMUT電容式微機(jī)械超聲換能器

CMUT首先由M.I.Haller提出。CMUT 換能器是由多層結(jié)構(gòu)和多層材料構(gòu)成。CMUT電容單元結(jié)構(gòu)如圖 2 所示，從上到下依次為金屬鋁上電極氧化硅電氣隔離層、絕緣體上硅(silicon on insulator，SOI)晶圓頂層硅制成的振動(dòng)膜、在氧化硅上蝕刻的真空腔、氧化硅隔離層、硅襯底和金屬鋁底電極。在外界大氣壓強(qiáng)的作用下，薄膜向下凹陷。CMUT 在工作狀態(tài)下需要在上下電極之間施加直流偏置電壓，通過(guò)提高薄膜應(yīng)力來(lái)提高靈敏度。

圖2 CMUT 換能器單元結(jié)構(gòu)

發(fā)射狀態(tài)下，在上下電極板之間施加直流偏置，通過(guò)交流電壓和直流偏置電壓的疊加，使薄膜隨著交流信號(hào)產(chǎn)生簡(jiǎn)諧振動(dòng)，發(fā)生電能向機(jī)械能的轉(zhuǎn)換，產(chǎn)生超聲波;

圖3 超聲發(fā)射原理圖

接收狀態(tài)下，在上下電極板之間施加直流偏置，振動(dòng)薄膜在受到超聲波的聲壓作用而發(fā)生振動(dòng)，引起電容值的改變，通過(guò)檢測(cè)電容變化從而實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲波的檢測(cè)，實(shí)現(xiàn)機(jī)械能向電能的轉(zhuǎn)換。

圖4 超聲接收原理圖

3.1 CMUT 換能器制備工藝過(guò)程

根據(jù)確定的 CMUT 參數(shù)，對(duì)換能器進(jìn)行制備。

1)準(zhǔn)備氧化層厚度為 500nm 的氧化片(低阻硅) 和器件層厚度為 2μm的 SOI 晶圓，器件層的2μm 薄膜將作為換能器單元的振動(dòng)薄膜；如圖5

圖5 備片,氧化片和 SOI

2) 通過(guò)反應(yīng)離子刻蝕(reactive ion-etching，ＲIE)，在氧化硅氧化層表面刻蝕 300 nm 的空腔，用作 CMUT 換能器的真空腔隙；如圖6

圖6 RIE 刻蝕空腔

3)在真空環(huán)境下對(duì)刻蝕有空腔的氧化片和 SOI 晶圓器件層進(jìn)行硅—硅鍵合，隨即在高溫退火爐中進(jìn)行退火處理，使得晶圓間的范德華力作用轉(zhuǎn)變?yōu)榛瘜W(xué)鍵作用；如圖7

圖7 硅 -硅鍵合

4)將鍵合片的埋氧層以上部分去除，用 BOE 漂洗掉頂層和底層的氧化硅，為背面金屬附著做準(zhǔn)備；如圖8

圖8減薄、BOE 漂洗氧化層

5)利用等離子增強(qiáng)化學(xué)氣相淀積(plasma-enhanced chemical vapor deposition，PECVD)在振膜上表面生長(zhǎng) 200 nm 的氧化硅作為振膜與上電極金屬的電氣隔離；如圖9

圖9 PECVD 沉積氧化硅

6)通過(guò)磁控濺射儀器在正反面濺射500nm 的金屬鋁，并對(duì)上表面金屬通過(guò)磷酸腐蝕進(jìn)行圖形化，最后在真空退火爐中進(jìn)行退火處理，用于修復(fù)晶格損傷并形成良好的歐姆接觸；如圖10

圖10 做金屬上下電極,退火

完成以上工藝后得到的芯片如下圖11

圖11 CMUT芯片效果圖

4 PMUT 換能器制備工藝過(guò)程

MEMS 壓電式超聲換能器（Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducer，PMUT）基于壓電材料的壓電效應(yīng)和逆壓電效應(yīng)是可以由單個(gè)器件完成聲壓的測(cè)量以及聲壓信號(hào)或聲能量輸出的超聲換能器。

典型 PMUT 為懸膜式結(jié)構(gòu)，由頂部電極、壓電薄膜、底部電極和硅襯底構(gòu)成。絕緣層（通常為二氧化硅）一方面作為反面刻蝕的停止層起到釋放單元的作用，一方面又作為底部電極和基底（通常為硅）之間絕緣層起到減小寄生電容的作用。頂部電極、壓電薄膜、底部電極與絕緣層共同組成懸膜結(jié)構(gòu)，由附著層黏附在硅支撐層上。如圖12所示

圖12 PMUT超聲換能器結(jié)構(gòu)與其器件圖 (a)和pMUT用質(zhì)量-彈簧-阻尼系統(tǒng)來(lái)描述(b)。

當(dāng)壓電式超聲換能器所處聲場(chǎng)環(huán)境中，換能器中壓電材料結(jié)構(gòu)的兩端由于受到聲場(chǎng)聲壓力作用而產(chǎn)生電荷，通過(guò)測(cè)量電路獲取換能器受聲場(chǎng)作用而產(chǎn)生的電荷情況，即可通過(guò)二者關(guān)系獲取所在聲場(chǎng)聲強(qiáng)；在壓電式超聲換能器的壓電材料結(jié)構(gòu)上按照一定規(guī)律施加交變電場(chǎng)，通過(guò)逆壓電效應(yīng)則可使壓電材料發(fā)生相應(yīng)的交替機(jī)械形變，帶動(dòng)換能器發(fā)生機(jī)械振動(dòng)，進(jìn)而產(chǎn)生聲場(chǎng)向外輻射聲能量。

圖13 PMUT 振動(dòng)模式

MEMS 微納器件加工工藝包括磁控濺射、光刻、刻蝕（干法刻蝕/濕法刻蝕）、剝離、背部工藝以及清洗等工藝步驟，以完成 PMUT 器件的各功能層形成及圖形化。Design and Fabrication of a Piezoelectric MicromachinedUltrasonic Transducer Array Based on Ceramic PZT 文獻(xiàn)中描述了一種 pMUT制造的工藝流程如圖14所示。

首先用SU-8光刻膠將初始厚度為660μm的PZT- 5h陶瓷片與硅片粘合圖14（b）；然后，將結(jié)合的PZT層研磨拋光至100μm圖14（c）；在拋光后的PZT表面濺射100 nm的金層作為底電極圖14（d）；之后，在SOI晶圓上旋轉(zhuǎn)涂覆一層薄薄的PermiNex。然后將SOI晶片粘合在拋光后的PZT晶片上圖14（e）；為了避免PermiNex層出現(xiàn)空隙，實(shí)現(xiàn)牢固的粘接，需要對(duì)粘接過(guò)程進(jìn)行良好的控制。粘合后，PZT層從硅/SU-8側(cè)進(jìn)一步拋光，首先去除硅和SU-8，然后通過(guò)化學(xué)機(jī)械拋光減薄至5μm圖14（f）；其次，采用4.5% HNO3 /4.5%BOE/91% H2O濕法蝕刻,在PZT層上形成通向底部電極的通孔圖14（g）;然后通過(guò)濺射和升空形成頂部電極層圖14（h）;在那之后，空腔區(qū)域和背面的光刻區(qū)域雙面對(duì)齊14（i）；進(jìn)行背面的硅被DRIE蝕刻，直到埋藏的氧化層暴露出來(lái)14（j）；最后，埋藏的氧化層被水蒸氣HF除去，形成pMUT的薄膜14（k）。