CMUT电容式微机械超声换能器

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

审核编辑：汤梓红