MEMS 压电超声换能器

1、声波与超声波

(资料图片仅供参考)

声波：物体振动时激励着它周围的空气质点振动，由于空气具有可压缩性，在质点的相互作用下，振动物体四周的空气就交替地产生压缩与膨胀，并且逐渐向外传播，从而形成声波。声波传播方式不是物质的移动，而是能量的传播。也就是说质点并不随声波向前扩散，而仅在其原来的平衡位置附近振动，靠质点之间的相互作用影响到邻近的质点振动，因此，振动得以向四周传播，形成波动。

纵波：质点振动方向平行于传播方向的波，称为纵波。

横波：质点振动方向垂直于波传播方向的波，称为横波。

声波在空气中传播时只能发生压缩与膨胀，空气质点的振动方向与声波的传播方向是一致的，所以空气中的声波是纵波。声波在液体中传播一般也为纵波，但在固体中传播则既有纵波又有横波。

超声波：频率超过人类耳朵可以听到的最高阈值（20kHz）的声波。人类的听觉频率范围一般在20Hz到20kHz之间，低于20Hz的声波叫做次声波（Infrasound），声波的频率范围一般认为在15Hz到1THz之间（这个T和硬盘的T是一样的，10的12次方）。1GHz以上的一般叫做Hypersound，也称作“微波声”或者“量子声”，主要是声波更多呈现粒子特性，波的特性不明显。所以波粒二象性不只存在于光波领域，声波领域同样存在。

2、超声波的产生

超声换能器（ultrasonic transducer，UT）是即可以用来发射又可以用来接收超声波的换能原件。工作在发射模式，电势能通过静电力或者逆压电效应转化为换能器的振动从而产生辐射声压；工作在接收模式，声压作用在换能器表面使其振动，换能器再将振动转换成电压。

从不同工作原理与加工方式的角度来进行分类，可以将超声换能器分为压电陶瓷超声换能器(Piezoelectric-ceramic ultrasonic transducers, PUT)、电容式微机械超声换能器（Capacitive micro-machined ultrasonic transducers, CMUT）、压电微机械超声换能器（Piezoelectric Micro-machined ultrasonic transducers, PMUT）图1分别为PUT、CMUT、PMUT三种换能器的结构示意图。不同工作原理与加工方式的超声换能器在尺寸大小、工作频率、工作带宽等方向分别有不同的特性，这也在一定程度上影响不同类型超声换能器在高频工作频段上的应用

图1 PUT、CMUT与PMUT三种换能器结构示意图

3、CMUT电容式微机械超声换能器

CMUT首先由M.I.Haller提出。CMUT 换能器是由多层结构和多层材料构成。CMUT电容单元结构如图 2 所示，从上到下依次为金属铝上电极氧化硅电气隔离层、绝缘体上硅(silicon on insulator，SOI)晶圆顶层硅制成的振动膜、在氧化硅上蚀刻的真空腔、氧化硅隔离层、硅衬底和金属铝底电极。在外界大气压强的作用下，薄膜向下凹陷。CMUT 在工作状态下需要在上下电极之间施加直流偏置电压，通过提高薄膜应力来提高灵敏度。

图2 CMUT 换能器单元结构

发射状态下，在上下电极板之间施加直流偏置，通过交流电压和直流偏置电压的叠加，使薄膜随着交流信号产生简谐振动，发生电能向机械能的转换，产生超声波;

图3 超声发射原理图

接收状态下，在上下电极板之间施加直流偏置，振动薄膜在受到超声波的声压作用而发生振动，引起电容值的改变，通过检测电容变化从而实现对超声波的检测，实现机械能向电能的转换。

图4 超声接收原理图

3.1 CMUT 换能器制备工艺过程

根据确定的 CMUT 参数，对换能器进行制备。

1)准备氧化层厚度为 500nm 的氧化片(低阻硅) 和器件层厚度为 2μm的 SOI 晶圆，器件层的2μm 薄膜将作为换能器单元的振动薄膜；如图5

图5 备片,氧化片和 SOI

2) 通过反应离子刻蚀(reactive ion-etching，ＲIE)，在氧化硅氧化层表面刻蚀 300 nm 的空腔，用作 CMUT 换能器的真空腔隙；如图6

图6 RIE 刻蚀空腔

3)在真空环境下对刻蚀有空腔的氧化片和 SOI 晶圆器件层进行硅—硅键合，随即在高温退火炉中进行退火处理，使得晶圆间的范德华力作用转变为化学键作用；如图7

图7 硅 -硅键合

4)将键合片的埋氧层以上部分去除，用 BOE 漂洗掉顶层和底层的氧化硅，为背面金属附着做准备；如图8

图8减薄、BOE 漂洗氧化层

5)利用等离子增强化学气相淀积(plasma-enhanced chemical vapor deposition，PECVD)在振膜上表面生长 200 nm 的氧化硅作为振膜与上电极金属的电气隔离；如图9

图9 PECVD 沉积氧化硅

6)通过磁控溅射仪器在正反面溅射500nm 的金属铝，并对上表面金属通过磷酸腐蚀进行图形化，最后在真空退火炉中进行退火处理，用于修复晶格损伤并形成良好的欧姆接触；如图10

图10 做金属上下电极,退火

完成以上工艺后得到的芯片如下图11

图11 CMUT芯片效果图

4 PMUT 换能器制备工艺过程

MEMS 压电式超声换能器（Piezoelectric Micromachined Ultrasonic Transducer，PMUT）基于压电材料的压电效应和逆压电效应是可以由单个器件完成声压的测量以及声压信号或声能量输出的超声换能器。

典型 PMUT 为悬膜式结构，由顶部电极、压电薄膜、 底部电极和硅衬底构成。绝缘层（通常为二氧化硅）一方面作为反面刻蚀的停止 层起到释放单元的作用，一方面又作为底部电极和基底（通常为硅）之间绝缘层 起到减小寄生电容的作用。顶部电极、压电薄膜、底部电极与绝缘层共同组成悬膜结构，由附着层黏附在硅支撑层上。如图12所示

图12 PMUT超声换能器结构与其器件图 (a)和pMUT用质量-弹簧-阻尼系统来描述(b)。

当压电式超声换能器所处声场环境中，换能器中压电材料结构的两端由于受到声场声压力作用而产生电荷，通过测量电路获取换能器受声场作用而产生的电荷情况，即可通过二者关系获取所在声场声强；在压电式超声换能器的压电材料结构上按照一定规律施加交变电场，通过逆压电效应则可使压电材料发生相应的交替机械形变，带动换能器发生机械振动，进而产生声场向外辐射声能量。

图13 PMUT 振动模式

MEMS 微纳器件加工工艺包括磁控溅射、光刻、刻蚀（干法刻蚀/湿法刻蚀）、剥离、背部工艺以及清洗等工艺步骤，以完成 PMUT 器件的各功能层形成及图形化。Design and Fabrication of a Piezoelectric MicromachinedUltrasonic Transducer Array Based on Ceramic PZT 文献中描述了一种 pMUT制造的工艺流程如图14所示。

首先用SU-8光刻胶将初始厚度为660µm的PZT- 5h陶瓷片与硅片粘合图14（b）；然后，将结合的PZT层研磨抛光至100µm图14（c）；在抛光后的PZT表面溅射100 nm的金层作为底电极图14（d）；之后，在SOI晶圆上旋转涂覆一层薄薄的PermiNex。然后将SOI晶片粘合在抛光后的PZT晶片上 图14（e）；为了避免PermiNex层出现空隙，实现牢固的粘接，需要对粘接过程进行良好的控制。粘合后，PZT层从硅/SU-8侧进一步抛光，首先去除硅和SU-8，然后通过化学机械抛光减薄至5µm图14（f）；其次，采用4.5% HNO3 /4.5%BOE/91% H2O湿法蚀刻,在PZT层上形成通向底部电极的通孔图14（g）;然后通过溅射和升空形成顶部电极层图14（h）;在那之后，空腔区域和背面的光刻区域双面对齐14（i）；进行背面的硅被DRIE蚀刻，直到埋藏的氧化层暴露出来14（j）；最后，埋藏的氧化层被水蒸气HF除去，形成pMUT的薄膜14（k）。