面向醫(yī)療應用的ScAlN PMUT的開發(fā)設計

微加工技術的進步推動了高性能電容式微機械超聲換能器（CMUT）和壓電式微機械超聲換能器（PMUT）的發(fā)展。CMUT基于電容驅動和傳感機制，而PMUT利用壓電機制進行換能。與PMUT相比，CMUT是一項研究比較成熟的技術，市場上已有使用CMUT的商業(yè)醫(yī)療設備。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)療應用（例如可穿戴設備、植入式設備等）具有吸引力。這與壓電薄膜的最新進展一起，使得PMUT技術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)麥姆斯咨詢報道，近日，芬蘭國家技術研究中心（VTT）的研究人員組成的團隊在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)療應用的超聲波可穿戴貼片的ScAlN PMUT，介紹了這種PMUT的設計、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，并進行了電學、力學和聲學表征。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，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)療應用。

設計

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）結構層、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。硅結構層下的空腔處于真空狀態(tài)。所提出的PMUT設計不同于傳統(tǒng)的水耦合PMUT，因為它涉及壓電材料的圖案化。具體來說，在該設計中，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結構有以下幾個優(yōu)點：首先，對壓電層進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，對壓電層進行圖案化還可以釋放應力并減少壓電應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線性陣列的設計如圖2所示。根據(jù)空腔型絕緣體上硅（CSOI）的設計規(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置為110 μm（直徑+死區(qū)）。行的之字形排列有助于在PMUT之間實現(xiàn)高于20 μm的死區(qū)，并有望減少行之間的串擾。

圖2 PMUT線性陣列的設計（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/結構層通過鍵合形成CSOI結構，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PMUT陣列中的所有96個元件（每行22個單元構成1個元件）和晶圓上的15個不同陣列進行了電學表征。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個元件通過將其連接到信號發(fā)生器進行激勵。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AlN PMUT陣列被用作發(fā)射器。在諧振頻率為5.7 MHz時，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)。研究人員設計了PMUT單元和線性陣列，并使用仿真模型對其性能進行了初步評估。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的電學特性表征結果表明，基于CSOI的ScAlN PMUT制造工藝具有非常好的良率。通過聲學表征對線性陣列的性能進行了評估，測量結果與仿真模型獲得的結果相當。ScAlN PMUT顯示出良好的發(fā)射靈敏度、接收靈敏度和寬帶寬。與最先進的MUT技術的比較表明，ScAlN PMUT是電壓受限的醫(yī)療應用的最佳選擇。

審核編輯：劉清