具有高可靠性的單膜電容式微機(jī)械超聲換能器（CMUT）陣列元件

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，加拿大阿爾伯塔大學(xué)（University of Alberta）電子與計(jì)算機(jī)工程系的一支研究團(tuán)隊(duì)在Microsystems & Nanoengineering期刊上發(fā)表了具有高可靠性的單膜電容式微機(jī)械超聲換能器（CMUT）陣列元件的最新論文，該論文中提出的CMUT架構(gòu)為未來(lái)超聲技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

圖1 單膜CMUT設(shè)計(jì)示意圖

CMUT為下一代超聲技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用提供了許多潛在優(yōu)勢(shì)，包括與微電子集成的潛力、寬帶寬和出色的接收靈敏度。盡管對(duì)CMUT的研究已經(jīng)超過25年，但長(zhǎng)期存在的與介電充電和運(yùn)行遲滯相關(guān)的可靠性和性能挑戰(zhàn)阻礙了其在商業(yè)超聲系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用。盡管人們?cè)谶@一領(lǐng)域的研究已經(jīng)取得了許多進(jìn)展，但是在提高未來(lái)超聲成像應(yīng)用的長(zhǎng)期可靠性、機(jī)電效率和性能方面仍存在諸多不足。

在大多數(shù)CMUT設(shè)計(jì)中，一層介電層被放置在頂部和底部電極之間（如圖1a所示），以防止其在運(yùn)行期間發(fā)生短路。當(dāng)電荷由于與器件運(yùn)行相關(guān)的高電場(chǎng)而被捕獲在該層的表面或內(nèi)部時(shí)，就會(huì)發(fā)生介電充電。這種效應(yīng)可能導(dǎo)致CMUT器件性能發(fā)生改變，甚至是永久性的失效。

當(dāng)前設(shè)計(jì)CMUT的范式涉及一組小型薄膜，以電連接在陣列中形成一個(gè)元件。這些薄膜振蕩以發(fā)射或接收超聲信號(hào)。這些單獨(dú)的薄膜尺寸需要精心選擇以達(dá)到所需的共振頻率，同時(shí)陣列需滿足應(yīng)用整體所需的元件尺寸。然而，這種方法存在一些缺點(diǎn)。由于制造工藝中的不均勻性，這些薄膜可能在不同的電壓下塌陷。為了避免不必要的遲滯和進(jìn)一步的介電充電，CMUT必須在遠(yuǎn)低于平均塌陷電壓的情況下運(yùn)行，在這種情況下，機(jī)電效率和浸沒性能都很差。此外，由于相互間聲耦合效應(yīng)和瑞利-布洛赫（Rayleigh-Bloch）波，這些小型薄膜可以彼此異相振蕩。這會(huì)降低CMUT的整體發(fā)射和接收靈敏度，并產(chǎn)生不必要的復(fù)雜動(dòng)力學(xué)問題。

為了理解和減輕介電充電效應(yīng)，人們已經(jīng)開展了許多研究工作。這些工作包括對(duì)薄膜質(zhì)量、表面粗糙度和沉積配方的研究，以減輕介電充電效應(yīng)。然而，即使使用最好的薄膜，也不能完全消除介電充電效應(yīng)。其他研究工作還包括架構(gòu)改進(jìn)等。Huang等人利用額外的光刻步驟制造CMUT，以將絕緣介電層圖形化為小型“隔離柱”（圖1b）。然而，這些器件的發(fā)射和接收靈敏度比沒有柱結(jié)構(gòu)的傳統(tǒng)CMUT低得多。此外，正如Greenlay所描述的那樣，由于“PostCMUT”沒有連續(xù)的介電絕緣層，因此該架構(gòu)更容易受到間隙內(nèi)的任何顆粒造成的電短路的影響。

一些研究團(tuán)隊(duì)擴(kuò)展了這一想法，他們通過使用介電柱或間隔物來(lái)減輕介電充電效應(yīng)，同時(shí)對(duì)頂部或底部電極進(jìn)行圖形化，以最小化通過柱結(jié)構(gòu)的電場(chǎng)。這種方法通過減少電荷被捕獲在介電柱內(nèi)的機(jī)會(huì)來(lái)進(jìn)一步解決介電充電問題，盡管代價(jià)是每個(gè)CMUT元件內(nèi)有源區(qū)的減小。

先前的其他研究工作試圖通過避免使用多膜架構(gòu)來(lái)提高CMUT性能。P. Zhang等人研究了由單個(gè)矩形薄膜構(gòu)成的CMUT陣列元件。這些器件以診斷頻率在空氣中顯示出了較好的結(jié)果，其介電充電效應(yīng)相對(duì)較小。然而，它們的介電充電和遲滯并沒有完全消除，機(jī)電效率也沒有得到充分的表征。為了提高發(fā)射輸出性能，人們還提出了其他的架構(gòu)改進(jìn)方案，包括帶有襯底嵌入彈簧的活塞式CMUT。這種器件可以使每個(gè)元件都有一個(gè)單獨(dú)的薄膜，但其長(zhǎng)期的可靠性尚未被研究。

在該論文中，研究人員設(shè)計(jì)了由單個(gè)長(zhǎng)矩形薄膜構(gòu)成的CMUT陣列元件，旨在提高輸出聲壓和機(jī)電效率。他們比較了具有這種架構(gòu)的三種不同改進(jìn)方案的CMUT器件性能：傳統(tǒng)的連續(xù)介電層CMUT、絕緣隔離柱（IIP）CMUT和絕緣電極柱（EP）CMUT。EP的設(shè)計(jì)旨在提高性能，同時(shí)賦予充電魯棒性和最小化遲滯。為了制造這些CMUT器件，他們開發(fā)了一種鍵合率接近100%的晶圓鍵合工藝。EP CMUT元件的機(jī)電效率值高達(dá)0.95，高于壓電式超聲換能器（PMUT）或以前的CMUT架構(gòu)的報(bào)道值。此外，在1.5-2.0 MHz范圍內(nèi)，論文中所有研究的CMUT架構(gòu)的發(fā)射效率比已發(fā)表的CMUT或PMUT高出2-3倍。EP和IIP CMUT表現(xiàn)出了相當(dāng)強(qiáng)的充電魯棒性，在500,000次塌陷-回彈驅(qū)動(dòng)循環(huán)周期內(nèi)實(shí)現(xiàn)了最小的充電，同時(shí)還減輕了遲滯。該論文中提出的方法為未來(lái)超聲應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

圖2 單膜CMUT制造工藝

圖3 研究人員制造的單膜CMUT

圖4 單膜CMUT的發(fā)射測(cè)試和成像性能

論文信息：
Dew, E.B., Kashani Ilkhechi, A., Maadi, M. et al. Outperforming piezoelectric ultrasonics with high-reliability single-membrane CMUT array elements. Microsyst Nanoeng 8, 59 (2022).

https://doi.org/10.1038/s41378-022-00392-0

審核編輯 ：李倩