宋金龍，鄭欣怡，鳳 瑞，周 銘，商興蓮

(華東光電集成器件研究所，江蘇 蘇州 621000)

超聲波具有廣泛的應(yīng)用前景，如金屬無損探傷和測(cè)厚，超聲測(cè)距、測(cè)流量，水下定位與通訊，地下資源勘查，超聲檢測(cè)、醫(yī)學(xué)成像，超聲清洗，指紋識(shí)別等[1－4]。據(jù)報(bào)道，僅在醫(yī)療、工業(yè)和消費(fèi)類應(yīng)用的超聲波傳感市場(chǎng)總規(guī)模，預(yù)計(jì)將在2023 年增長(zhǎng)至約60億美元。超聲波換能器是發(fā)射和接收超聲波的核心元件。目前應(yīng)用的體壓電換能器的壓電材料與空氣的聲阻抗匹配性較差[5－7]、帶寬小，而且難以滿足對(duì)換能器小型化、集成化、陣列化的需求。近來年，基于MEMS 技術(shù)的MUT 換能器具有一致性高、成本低、易于加工面陣、可與ASIC 電路集成等優(yōu)點(diǎn)[8]，成為未來超聲波換能器的發(fā)展方向。根據(jù)工作原理的不同，MUT 可分為PMUT 和CMUT 兩種[9－11]。PMUT 工作時(shí)有將近一半的能量會(huì)被非壓電層完全消耗，另外，壓電層的厚度難以在整個(gè)晶圓上精確控制。因此，眾多的學(xué)者展開了對(duì)CMUT 的研究。當(dāng)前研究的CMUT 敏感單元的上電極都在振動(dòng)薄膜的頂部[12－13]，振動(dòng)薄膜的厚度增加了電容器上、下極板之間的有效間距，直接影響到CMUT 的靜電力、初始電容和電容變化的大小，最終影響了CMUT 的發(fā)射和接收性能。Kerem Enhos 等人[14]設(shè)計(jì)的CMUT 發(fā)射靈敏度約5.81 kPa/V。張慧等人[15]設(shè)計(jì)的CMUT 單個(gè)敏感單元的接收靈敏度約為0.04 μA/Pa，接收靈敏度約為28 Pa/V。文獻(xiàn)[16－18]理論分析結(jié)果表明，減小空腔的厚度即減小兩電極間的有效距離，可以提高傳感器的機(jī)電轉(zhuǎn)換效率進(jìn)而提高發(fā)射性能和接收性能。

為提高CMUT 的發(fā)射和接收性能，本文設(shè)計(jì)了上電極在振動(dòng)薄膜底部的新型結(jié)構(gòu)CMUT。

1 CMUT 結(jié)構(gòu)及工作原理

1.1 傳統(tǒng)CMUT 結(jié)構(gòu)

CMUT 由若干個(gè)敏感單元組成，傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)敏感單元的剖視圖如圖1 所示。每個(gè)敏感單元主要由上電極、振動(dòng)薄膜、腔體、支撐、硅襯底和下電極組成。硅襯底的電阻率為0.001 Ω·cm，與金屬歐姆接觸后作為下電極，上電極在振動(dòng)薄膜的表面，上電極可隨振動(dòng)薄膜變形，下電極是剛體。假設(shè)CMUT 敏感單元為一個(gè)理想電容器，則上極板受到的靜電力F為

圖1 傳統(tǒng)CMUT 結(jié)構(gòu)敏感單元剖視圖

式中:E為電場(chǎng)強(qiáng)度，Q為電容器的電荷量，ε0為真空介電常數(shù)，S為兩極之間的有效面積，d為兩極板之間的有效距離。

1.2 CMUT 工作原理

根據(jù)CMUT 工作時(shí)激勵(lì)信號(hào)的不同，其工作模式可分為發(fā)射模式和接收模式，原理如圖2 所示。CMUT 工作在發(fā)射模式時(shí)開關(guān)閉合，振動(dòng)薄膜在直流偏置電壓和交流激勵(lì)電壓的作用下產(chǎn)生振動(dòng)，從而導(dǎo)致聲場(chǎng)中介質(zhì)振動(dòng)，實(shí)現(xiàn)電信號(hào)到聲波信號(hào)的轉(zhuǎn)換；CMUT 工作在接收模式時(shí)開關(guān)斷開，直流偏置電壓使電容器充滿電荷，超聲波信號(hào)作用在振動(dòng)薄膜上使其振動(dòng)，導(dǎo)致在振動(dòng)薄膜表面的電極也發(fā)生振動(dòng)，引起電容器電荷的變化從而產(chǎn)生電流，實(shí)現(xiàn)聲波信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換。

圖2 CMUT 工作原理示意圖

假設(shè)振動(dòng)薄膜的彈性系數(shù)為k，交流激勵(lì)電壓的頻率為f，則上電極的平均振動(dòng)速度為

工作在接收模式時(shí)產(chǎn)生的電流I為

式中:x為振動(dòng)薄膜的位移。

從式(2)～式(4)可以看出，CMUT 發(fā)射功率和接收電流隨著上、下極板之間有效距離d的減小而增加，且與d的四次方有關(guān)。因此，減小CMUT 兩極板之間的有效距離可以極大地提高CMUT 的發(fā)射和接收性能。

1.3 新型CMUT 結(jié)構(gòu)

為了提高CMUT 的發(fā)射和接收性能，本文設(shè)計(jì)了一種新型結(jié)構(gòu)的CMUT，如圖3 所示，上極板在振動(dòng)薄膜的底部，可以減小上、下極板之間的有效距離。

圖3 新型CMUT 結(jié)構(gòu)敏感單元剖視圖

假設(shè)CMUT 振動(dòng)薄膜的厚度(mt)為2 μm，振動(dòng)薄膜上兩層氧化層的厚度(ot)均為300 nm，腔體的高度(hg)為198.5 nm，硅和二氧化硅的相對(duì)介電常數(shù)分別為11.5 和3.78。則傳統(tǒng)和新型結(jié)構(gòu)CMUT上、下兩極板之間的有效距離分別為

從式(5)和式(6)可以看出，新型結(jié)構(gòu)CMUT 比傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)CMUT 上、下兩極板之間的有效距離減小了47.64%(253 nm)。因此，本文提出的新型結(jié)構(gòu)CMUT 可以有效地提高發(fā)射和接收性能。

2 工藝流程

新型結(jié)構(gòu)CMUT 的加工需要SOI 片和低阻硅片各一片。本文僅以CMUT 一個(gè)敏感單元為例簡(jiǎn)要說明其加工過程。

(1)SOI 片氧化。在SOI 片器件層表面氧化生長(zhǎng)一層二氧化硅作為上電極與器件層之間的絕緣層，如圖4(a)。

1.1 有機(jī)肥和無機(jī)肥搭配使用。為了實(shí)現(xiàn)土壤的可持續(xù)利用。必須將有機(jī)肥與無機(jī)肥兩者搭配在一起，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢(shì)互補(bǔ)，提升了土壤的養(yǎng)分，為農(nóng)作物的高產(chǎn)穩(wěn)產(chǎn)創(chuàng)造良好的基礎(chǔ)條件。但在具體使用的過程中，必須對(duì)肥料的自身性質(zhì)進(jìn)行確定。一般情況下，酸性肥料和堿性肥料不能混合使用；常見的磷肥與石灰、草木灰等堿性物質(zhì)不能混用，如果將其混合的話，肥料的有效成分會(huì)不穩(wěn)定，不僅會(huì)影響到肥效的發(fā)揮，同時(shí)也會(huì)對(duì)農(nóng)作物的產(chǎn)量產(chǎn)生影響。

(2)濕法腐蝕。先用HF 酸腐蝕器件層表面的氧化層，然后用KOH(或TMAH)溶液腐蝕器件層，再用HF 腐蝕SOI 片的氧化層，最后用KOH(或TMAH)腐蝕SOI 片的襯底層，如圖4(b)。

(3)淀積金屬并圖形化。在SOI 片器件層表面淀積一層金屬金并圖形化，如圖4(c)。在淀積金屬金之前要先在器件層表面淀積一層Cr 或Ti 作為粘附層，金圖形化可以用剝離工藝。

(4)硅片刻蝕腔體。在硅片上刻蝕腔體使電容的上極板與下極板之間形成間隙，如圖4(d)。

(5)氧化。對(duì)硅片進(jìn)行氧化工藝，在腔體表面生長(zhǎng)一層氧化層，防止CMUT 塌陷時(shí)上電極與下電極直接接觸發(fā)生短路，如圖4(e)。

(6)淀積金屬并圖形化。在硅片有腔體的一面淀積金屬金并圖形化，如圖4(f)。兩側(cè)的金起鍵合作用，中間的金將上電極引到CMUT 的表面。

圖4 新型結(jié)構(gòu)CMUT 加工工藝流程

(7)SOI 片與硅片鍵合。先將SOI 片器件層與硅片有腔體一側(cè)進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)，再進(jìn)行金－金熱壓鍵合，如圖4(g)。

(8)去除SOI 片襯底層和氧化層。先用CMP對(duì)SOI 片的襯底層進(jìn)行減薄，然后用KOH(或TMAH)溶液將襯底層去除干凈，最后用HF 將SOI片的氧化層去除，在這個(gè)過程中硅片表面的氧化層也被去除，如圖4(h)。在該工藝過程中KOH(或TMAH)溶液和HF 不會(huì)腐蝕金。

(9)生長(zhǎng)氧化層并圖形化。先用PECVD 在CMUT 振動(dòng)薄膜表面生長(zhǎng)一層二氧化硅，將金屬與振動(dòng)薄膜絕緣隔離，再用HF 腐蝕焊盤處的二氧化硅將金露出來，如圖4(i)。

(10)淀積金屬并圖形化。先在振動(dòng)薄膜表面和重?fù)焦杵砻娣謩e淀積一層金，再將振動(dòng)薄膜表面的金圖形化得到焊盤，最后進(jìn)行退火使金與重?fù)焦栊纬闪己玫臍W姆接觸，如圖4(j)。

(11)劃片。根據(jù)需要將晶圓劃成CMUT 陣列或陣元。

3 仿真分析

為了驗(yàn)證提出的新型結(jié)構(gòu)CMUT 可以提高發(fā)射和接收性能，對(duì)所設(shè)計(jì)的CMUT 進(jìn)行了仿真分析。用Comsol Multiphysics 案例庫中電容式諧振器的結(jié)構(gòu)尺寸及材料屬性對(duì)CMUT 敏感單元進(jìn)行仿真分析，CMUT 敏感單元結(jié)構(gòu)尺寸及材料屬性如表1 所示。

表1 CMUT 敏感單元結(jié)構(gòu)尺寸及材料屬性

建立的二維仿真模型示意圖如圖5 所示。由于振動(dòng)薄膜上二氧化硅層的厚度遠(yuǎn)小于硅的厚度，為了提高仿真時(shí)的計(jì)算效率，在建模時(shí)沒有考慮二氧化硅層的厚度。本文建立的模型與案例庫中的模型相比增加了支撐將腔體與水域隔離開。

圖5 仿真模型結(jié)構(gòu)示意圖

3.1 吸合分析

CMUT 工作在發(fā)射模式和接收模式下都需要直流偏置電壓的作用。隨著直流偏置電壓的增加，振動(dòng)薄膜中心與下電極的距離不斷減小，減小到一定值時(shí)振動(dòng)薄膜會(huì)突然吸合到下電極上。CMUT 吸合仿真分析結(jié)果如圖6 所示，從圖中可以看出當(dāng)振動(dòng)薄膜中心的坐標(biāo)為126 nm，即位移量為72.5 nm 時(shí)發(fā)生吸合現(xiàn)象。振動(dòng)薄膜吸合時(shí)中心點(diǎn)的位移為腔高的36.52%，接近理論值的三分之一。

圖6 吸合分析結(jié)果

3.2 有預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析

直流偏置電壓35 V 時(shí)，新型結(jié)構(gòu)CMUT 敏感單元模態(tài)仿真分析結(jié)果如圖7 所示，從圖中可以看出一階固有頻率為6.09 MHz，振動(dòng)薄膜沿其法線方向振動(dòng)，中心位置處的位移最大，邊緣位置處的位移最小。

圖7 模態(tài)仿真結(jié)果

3.3 有預(yù)應(yīng)力頻域分析

直流偏置電壓35 V，諧波擾動(dòng)電壓0.1 V 時(shí)，新型結(jié)構(gòu)CMUT 的有預(yù)應(yīng)力頻域分析結(jié)果如圖8 所示。從圖中可以看出一階諧振頻率為6.05 MHz，考慮到仿真誤差的影響，有預(yù)應(yīng)力頻域仿真與有預(yù)應(yīng)力模態(tài)仿真得到的一階固有頻率相同。

圖8 有預(yù)應(yīng)力頻域仿真結(jié)果

Comsol Multiphysics 案例庫中發(fā)生吸合現(xiàn)象時(shí)中心點(diǎn)處的位移為74 nm，有預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析和有預(yù)應(yīng)力頻域分析得到的一階固有頻率為8.08 MHz。產(chǎn)生誤差的主要原因是振動(dòng)薄膜約束的邊界條件不同，案例庫中將振動(dòng)薄膜的周邊位移約束為零，而本文中振動(dòng)薄膜固定在支撐上，支撐的位移約束為零，本文中的模型更接近于CMUT 的實(shí)際工作情況。將案例庫中約束改為本文的約束方法之后，當(dāng)振動(dòng)薄膜中心的坐為127 nm，即位移量為71.5 nm 時(shí)振動(dòng)薄膜會(huì)吸合到下電極上，預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析和預(yù)應(yīng)力頻域分析得到一階固有頻率為6.1 MHz，與本文的仿真結(jié)果一致。因此，本文所建立的仿真模型是有效且準(zhǔn)確的。

3.4 瞬態(tài)分析

當(dāng)直流偏置電壓為35 V，交流激勵(lì)電壓為1 V、頻率為6 MHz 時(shí)，CMUT 敏感單元工作在發(fā)射模式時(shí)的仿真結(jié)果如圖9 所示。實(shí)線表示新型結(jié)構(gòu)振動(dòng)薄膜頂部中心處的聲壓，虛線表示相同條件下傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)振動(dòng)薄膜頂部中心處的聲壓。從圖中可以看出新型結(jié)構(gòu)CMUT 敏感單元的發(fā)射能力8.00 kPa/V，為傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的11.9 倍。

圖9 CMUT 敏感單元發(fā)射性能仿真結(jié)果

直流偏置電壓為35 V，超聲波信號(hào)的幅值為10 Pa、頻率為6 MHz 時(shí)，CMUT 敏感單元工作在接收模式時(shí)的仿真結(jié)果如圖10 所示。虛線表示新型結(jié)構(gòu)CMUT 敏感單元產(chǎn)生的電流，實(shí)線表示傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)CMUT 敏感單元產(chǎn)生的電流，從圖中可以看出新型結(jié)構(gòu)單個(gè)CMUT 敏感單元的接收靈敏度約0.3 μA/Pa，約為傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)的12.2 倍。

圖10 接收性能仿真分析結(jié)果

從CMUT 單個(gè)敏感單元的時(shí)域仿真結(jié)果可以看出，本文設(shè)計(jì)的新型結(jié)構(gòu)CMUT 的發(fā)射能力和接收能力明顯優(yōu)于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)CMUT 的發(fā)射和接收性能。

4 結(jié)束語

理論分析表明減小CMUT 上、下極板之間的有效距離可以增強(qiáng)其發(fā)射和接收性能，基于該結(jié)論通過將CMUT 敏感單元的上電極設(shè)計(jì)在振動(dòng)薄膜的底部提出了一種新型結(jié)構(gòu)CMUT。設(shè)計(jì)了新型結(jié)構(gòu)CMUT 的加工工藝流程，利用金－金熱壓鍵合的方法在實(shí)現(xiàn)了SOI 片器件層轉(zhuǎn)移到硅片上的同時(shí)，將振動(dòng)薄膜底部的信號(hào)引到頂部。對(duì)新型結(jié)構(gòu)的CMUT進(jìn)行了吸合分析、有預(yù)應(yīng)力模態(tài)分析和有預(yù)應(yīng)力頻域分析，仿真結(jié)果與Comsol Multiphysics 案例庫的結(jié)果一致，證明了所建模型的準(zhǔn)確性，發(fā)射模式和接收模式時(shí)域仿真結(jié)果表明，本文提出的新型結(jié)構(gòu)CMUT 相對(duì)于傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)CMUT 可以明顯地提高其發(fā)射和接收性能。