電容式微加工超聲換能器（Capacitive micromachined ultrasonic transducers, CMUTs）在超聲成像與治療、3D超聲姿態(tài)識別等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用需求。將CMUTs與ICs進行集成是減小寄生電容、提高信噪比的重要途徑,然而目前基于熔融鍵合的CMUTs制備技術(shù)需要高溫條件（>1000℃）,無法實現(xiàn)與ICs的集成制備。開發(fā)基于共晶鍵合的CMUTs制備工藝是解決上述問題的有效途徑。針對該低溫工藝,設(shè)計了圓形和正六邊形空腔CMUTs單元及相應(yīng)的陣列結(jié)構(gòu),利用有限元仿真和理論公式分析了CMUTs結(jié)構(gòu)的塌陷電壓、諧振頻率以及其薄膜在熱應(yīng)力、大氣壓力條件下的變形。分析結(jié)果表明CMUTs塌陷電壓及諧振頻率在預(yù)期范圍內(nèi),其薄膜在熱應(yīng)力、大氣壓力作用下不會發(fā)生塌陷。對所制備的CMUTs芯片的形貌、結(jié)構(gòu)尺寸、電容以及阻抗頻率特性開展試驗研究。結(jié)果表明芯片形貌、結(jié)構(gòu)參數(shù)、電容以及阻抗頻率特性與設(shè)計預(yù)期一致,芯片能正常工作;測試結(jié)果驗證了CMUTs結(jié)構(gòu)設(shè)計與制備工藝的可行性。這些研究對進一步實現(xiàn)CMUTs與ICs的集成設(shè)計與制備提供了基礎(chǔ)。 

【文章來源】：機械工程學(xué)報. 2020,56(13)北大核心EICSCD

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【部分圖文】：

基于共晶鍵合技術(shù)的CMUTs單元剖面結(jié)構(gòu)示意圖

圖1 基于共晶鍵合技術(shù)的CMUTs單元剖面結(jié)構(gòu)示意圖綜合考慮工藝和材料性能，確定圖1所示CMUTs各部分的材料。其中基底硅片采用n型<111>晶向低阻硅，電阻率小于0.04?·cm，厚度為380μm。支柱和絕緣塊采用二氧化硅材料，一方面二氧化硅可以直接在硅材料表面通過氧化工藝生長，具有很好的表面平整性，有利于鍵合；另一方面二氧化硅材料的絕緣性好，可以用于上下電極間的絕緣；此外，二氧化硅和硅之間具有很好的刻蝕選擇性，刻蝕二氧化硅絕緣塊時，可以實現(xiàn)刻蝕自停止。CMUTs薄膜由SOI片頂層硅制備而成，其中SOI的頂層硅為<100>晶向、電阻率小于0.01?·cm；埋層二氧化硅厚度為3μm；襯底硅為<100>晶向，厚度為300μm。SOI襯底硅和基底硅晶向的選擇，可有效減小濕法腐蝕SOI襯底硅時溶液對基底硅的刻蝕。圖1所示CMUTs結(jié)構(gòu)，具有以下優(yōu)點。

以增大有效電容、減小寄生電容及頻率噪聲為主要依據(jù)，設(shè)計CMUTs陣列結(jié)構(gòu)如圖3所示。設(shè)計單陣元芯片(圖3a)和四陣元芯片(圖3b)兩種芯片類型，每種芯片的外形尺寸相同，以滿足等距離劃片的工藝要求。劃片道寬度設(shè)計值為380μm，陣列區(qū)最外側(cè)與劃片道之間的區(qū)域，即邊緣鍵合區(qū)(以下簡稱“邊緣區(qū)”)的設(shè)計值為240μm左右。邊緣區(qū)上設(shè)置電極焊盤和二氧化硅層；其中金屬焊盤尺寸為100μm×500μm；二氧化硅層由SOI片的埋層二氧化硅刻蝕而成，用以減小劃片時沖洗液、機械力等對內(nèi)部單元結(jié)構(gòu)的破壞。同時，劃片道上單晶硅膜被刻蝕掉，以進一步減小劃片時對內(nèi)部CMUTs單元的損害。圖3b所示CMUTs陣列結(jié)構(gòu)的四個陣元之間的單晶硅薄膜被完全刻蝕掉，以實現(xiàn)陣元之間的電隔離。針對CMUTs的每一組單元結(jié)構(gòu)尺寸，分別設(shè)計兩種陣列結(jié)構(gòu)，也即單陣元和四陣元CMUTs芯片。每種芯片的外形尺寸形同，均為3 660μm×3 660μm。CMUTs陣列的具體設(shè)計參數(shù)如表2所示。

【參考文獻】：
期刊論文
[1]空氣耦合式電容微超聲換能器的設(shè)計與分析[J]. 張慧,趙曉楠,張雯,曾周末.  儀器儀表學(xué)報. 2016(10)
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[3]電容式微超聲傳感器的電極參數(shù)優(yōu)化設(shè)計[J]. 張慧,宋光德,靳世久,官志堅,劉娟.  傳感技術(shù)學(xué)報. 2010(07)

碩士論文
[1]基于硅晶圓鍵合的MEMS電容超聲傳感器研究[D]. 苗靜.中北大學(xué) 2013



本文編號：3466709