具有高可靠性的单膜电容式微机械超声换能器（CMUT）阵列元件

据麦姆斯咨询报道，近日，加拿大阿尔伯塔大学（University of Alberta）电子与计算机工程系的一支研究团队在Microsystems & Nanoengineering期刊上发表了具有高可靠性的单膜电容式微机械超声换能器（CMUT）阵列元件的最新论文，该论文中提出的CMUT架构为未来超声技术的发展与应用奠定了基础。

图1 单膜CMUT设计示意图

CMUT为下一代超声技术的发展和应用提供了许多潜在优势，包括与微电子集成的潜力、宽带宽和出色的接收灵敏度。尽管对CMUT的研究已经超过25年，但长期存在的与介电充电和运行迟滞相关的可靠性和性能挑战阻碍了其在商业超声系统中的广泛应用。尽管人们在这一领域的研究已经取得了许多进展，但是在提高未来超声成像应用的长期可靠性、机电效率和性能方面仍存在诸多不足。

在大多数CMUT设计中，一层介电层被放置在顶部和底部电极之间（如图1a所示），以防止其在运行期间发生短路。当电荷由于与器件运行相关的高电场而被捕获在该层的表面或内部时，就会发生介电充电。这种效应可能导致CMUT器件性能发生改变，甚至是永久性的失效。

当前设计CMUT的范式涉及一组小型薄膜，以电连接在阵列中形成一个元件。这些薄膜振荡以发射或接收超声信号。这些单独的薄膜尺寸需要精心选择以达到所需的共振频率，同时阵列需满足应用整体所需的元件尺寸。然而，这种方法存在一些缺点。由于制造工艺中的不均匀性，这些薄膜可能在不同的电压下塌陷。为了避免不必要的迟滞和进一步的介电充电，CMUT必须在远低于平均塌陷电压的情况下运行，在这种情况下，机电效率和浸没性能都很差。此外，由于相互间声耦合效应和瑞利-布洛赫（Rayleigh-Bloch）波，这些小型薄膜可以彼此异相振荡。这会降低CMUT的整体发射和接收灵敏度，并产生不必要的复杂动力学问题。

为了理解和减轻介电充电效应，人们已经开展了许多研究工作。这些工作包括对薄膜质量、表面粗糙度和沉积配方的研究，以减轻介电充电效应。然而，即使使用最好的薄膜，也不能完全消除介电充电效应。其他研究工作还包括架构改进等。Huang等人利用额外的光刻步骤制造CMUT，以将绝缘介电层图形化为小型“隔离柱”（图1b）。然而，这些器件的发射和接收灵敏度比没有柱结构的传统CMUT低得多。此外，正如Greenlay所描述的那样，由于“PostCMUT”没有连续的介电绝缘层，因此该架构更容易受到间隙内的任何颗粒造成的电短路的影响。

一些研究团队扩展了这一想法，他们通过使用介电柱或间隔物来减轻介电充电效应，同时对顶部或底部电极进行图形化，以最小化通过柱结构的电场。这种方法通过减少电荷被捕获在介电柱内的机会来进一步解决介电充电问题，尽管代价是每个CMUT元件内有源区的减小。

先前的其他研究工作试图通过避免使用多膜架构来提高CMUT性能。P. Zhang等人研究了由单个矩形薄膜构成的CMUT阵列元件。这些器件以诊断频率在空气中显示出了较好的结果，其介电充电效应相对较小。然而，它们的介电充电和迟滞并没有完全消除，机电效率也没有得到充分的表征。为了提高发射输出性能，人们还提出了其他的架构改进方案，包括带有衬底嵌入弹簧的活塞式CMUT。这种器件可以使每个元件都有一个单独的薄膜，但其长期的可靠性尚未被研究。

在该论文中，研究人员设计了由单个长矩形薄膜构成的CMUT阵列元件，旨在提高输出声压和机电效率。他们比较了具有这种架构的三种不同改进方案的CMUT器件性能：传统的连续介电层CMUT、绝缘隔离柱（IIP）CMUT和绝缘电极柱（EP）CMUT。EP的设计旨在提高性能，同时赋予充电鲁棒性和最小化迟滞。为了制造这些CMUT器件，他们开发了一种键合率接近100%的晶圆键合工艺。EP CMUT元件的机电效率值高达0.95，高于压电式超声换能器（PMUT）或以前的CMUT架构的报道值。此外，在1.5-2.0 MHz范围内，论文中所有研究的CMUT架构的发射效率比已发表的CMUT或PMUT高出2-3倍。EP和IIP CMUT表现出了相当强的充电鲁棒性，在500,000次塌陷-回弹驱动循环周期内实现了最小的充电，同时还减轻了迟滞。该论文中提出的方法为未来超声应用奠定了基础。

图2 单膜CMUT制造工艺

图3 研究人员制造的单膜CMUT

图4 单膜CMUT的发射测试和成像性能

论文信息：
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

审核编辑 ：李倩